基于熱解石墨的汽車(chē)LED前照燈散熱問(wèn)題研究

近些年，人們對(duì)汽車(chē)前照燈提出了越來(lái)越高的要求。相比于傳統(tǒng)白熾燈光源，發(fā)光二極管（LED）具有使用壽命長(zhǎng)、體積小、節(jié)能環(huán)保、結(jié)實(shí)耐用等一系列優(yōu)點(diǎn)，從而引起了眾多研究人員的重視。但是，傳統(tǒng)的鋁制或銅制散熱結(jié)構(gòu)不能滿足汽車(chē)LED前照燈的散熱要求，限制了LED的加載功率。因而，目前LED多用在車(chē)內(nèi)照明燈、制動(dòng)燈和信號(hào)燈，本文基于目前在售的汽車(chē)前照燈，利用熱解石墨解決LED前照燈的散熱問(wèn)題。

熱解石墨是一種新型炭素材料，在一定的爐壓下高純HC氣體在1800～2000℃的高溫石墨基體上經(jīng)化學(xué)氣相沉積出較高結(jié)晶取向的熱解碳。鋁、銅材料的導(dǎo)熱系數(shù)為120～400W/m·K，而熱解石墨的導(dǎo)熱系數(shù)大于1500W/m·K。熱解石墨質(zhì)地較軟，需要聯(lián)合金屬材料使用，在保證獲得較高熱傳導(dǎo)率的同時(shí)，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。試驗(yàn)采用雪佛蘭西爾維拉多（Silverado）皮卡車(chē)的前照燈為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)并模擬其使用環(huán)境。將其上的標(biāo)準(zhǔn)9006汽車(chē)鹵素?zé)襞萏鎿Q為2個(gè)CREE MT-G2高功率LED前照燈。將多個(gè)熱電偶分別連接到LED芯片、散熱片底座、散熱片翅片和殼體上。LED前照燈的加載功率從0開(kāi)始，每次增加3W一直達(dá)到規(guī)定的最大功率，同時(shí)限制各處溫度不超過(guò)100℃。試驗(yàn)結(jié)果顯示，LED前照燈的總體升溫速度為6.4℃/W。由于熱解石墨成本較高，因而只在前照燈散熱的關(guān)鍵部件上使用，LED芯片下部和散熱片翅片表面。將LED芯片下部的鋁制散熱片改為熱解石墨，此時(shí)LED前照燈的總體升溫速度為4.7℃/W。之后將散熱片翅片兩側(cè)表面附著0.4mm的熱解石墨，此時(shí)LED前照燈的總體升溫速度為3.5℃/W。

對(duì)上述前照燈組件，利用商業(yè)化軟件ANSYS Fluent進(jìn)行熱模擬。模擬仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似?？傮w來(lái)說(shuō)，將LED用作汽車(chē)前照燈時(shí)，若在散熱結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位采用熱解石墨，可將LED前照燈的加載功率提高1倍。

Eelco Galestien et al.2016 15thIEEEIntersociety Conference on Thermal and ThermomechanicalPhenomena in Electronic Systems (ITherm),LasVegasMay 31-June 3,2016.

編譯：張振偉