王裕林，楊 帆，李 飛，陳 亮

（1.中國民航飛行學(xué)院機(jī)務(wù)處，廣漢 618307；2.中國民航飛行學(xué)院新津分院，成都 611430）

0 引言

航行燈是飛機(jī)外部照明系統(tǒng)的重要組成部分之一，在飛機(jī)起飛、巡航、著陸等過程中為其提供空中信息。某型飛機(jī)的航行燈原廠選用21W白熾燈作為光源。當(dāng)飛機(jī)在地面低速滑行時，由于冷卻氣流不足，會使航行燈以及其附近部件溫度升高，容易發(fā)生燈泡過熱損壞、燈罩過熱變形及翼尖復(fù)合材料裂紋等故障現(xiàn)象。為了解決上述故障，本文提出一款新型LED燈替代白熾燈，LED燈具有散熱小、耗電低、壽命長、價格低等優(yōu)點。由于目前半導(dǎo)體制造工藝的限制，LED只有約10%～20%的電能轉(zhuǎn)化為光能[1]，80%～90%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，造成LED芯片溫度升高，導(dǎo)致LED發(fā)光效率降低、使用壽命縮短以及色溫漂移[2]。因此，新型LED航行燈的散熱方式是本文的研究重點。

為了增強(qiáng)LED燈的散熱器能力，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。唐帆[3]等基于煙囪效應(yīng)原理，設(shè)計了一種擁有特殊散熱結(jié)構(gòu)的LED異形燈。在沒有散熱器的條件下，可以滿足LED芯片輸入功率小于等于10W時的安全工作要求。周馳[4]等提出一種整體式熱管散熱器，對不同的充液率、產(chǎn)熱功率、傾角進(jìn)行了散熱自然對流實驗研究和分析，認(rèn)為整體式熱管散熱器相比于常見的太陽化翅片和平行板散熱器，可以更有效地控制芯片結(jié)溫。何凡[2]等針對大功率LED場地照明集成芯片散熱問題，提出了疊片式純鋁散熱器結(jié)構(gòu)，通過增加散熱面積和提高散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)有效降低LED結(jié)溫。

本文著重對LED航行燈散熱器的設(shè)計方法展開研究，詳細(xì)分析了LED芯片散熱路徑，設(shè)計了散熱器的基本構(gòu)型，通過建立LED航行燈的三維模型，采用CAE軟件模擬和實驗兩種方法驗證了LED航行燈的散熱效果，設(shè)計過程和結(jié)果對相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的參考價值。

1 LED散熱器設(shè)計

1.1 理論分析

熱傳遞的基本途徑主要為熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。熱傳導(dǎo)主要表現(xiàn)在封裝結(jié)構(gòu)與散熱器中，而熱對流主要靠散熱器來體現(xiàn)[5]。圖1是LED芯片陣列散熱過程中的等效熱阻模型圖，其中MCPCB為熱電分離鋁基板，即LED芯片通過固晶材料直接置于封裝鋁基板的鋁芯上。表1是LED芯片各封裝環(huán)節(jié)的材料及導(dǎo)熱系數(shù)。

LED芯片結(jié)溫Tj可以通過式(1)計算得到。

圖1 LED的散熱模型及其等效熱路

式中，PLED是單個芯片熱功率；RLED單個芯片是芯片內(nèi)部熱阻，包括有源層、襯底和固晶層；Rb是鋁芯熱阻；Rg是導(dǎo)熱膠熱阻；Rh為散熱器熱阻。由于PLED、Rb、Rg受到制造工藝及材料物性的限制，很難有效減少，因此Rh對降低結(jié)溫有著重要意義[4]。

表1 LED芯片各封裝環(huán)節(jié)導(dǎo)熱系數(shù)表

1.2 LED散熱器的設(shè)計

某航行燈組件由安裝支架、白熾燈、固定螺帽等部件組成（如圖2(a)所示）。該航行燈位于機(jī)翼翼尖，由于該航行燈與頻閃燈安裝在同一支架組件上，因此新設(shè)計的LED航行燈必須與原安裝支架相兼容。

采用額定功率為20W的單珠LED作為光源，由4串5并LED芯片陣列組成。為了配合原安裝支架的使用，LED散熱器依安裝支架外形進(jìn)行設(shè)計，主要由散熱芯軸與螺紋式散熱片組成（如圖2(b)所示）。散熱器材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的大小表明金屬導(dǎo)熱能力的大小，導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱阻越低，導(dǎo)熱能力越強(qiáng)[6]，為了更好將LED芯片的熱量散發(fā)出去，采用高導(dǎo)熱系數(shù)的銅作為散熱器的材質(zhì)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

航行燈采用單珠大功率LED，由球面透鏡、LED芯片、鋁基、散熱器、固定螺帽、安裝支架組成，封裝好的LED芯片焊接在MCPCB（鋁基）上，通過采用導(dǎo)熱粘合劑以及機(jī)械螺釘?shù)姆绞?，將MCPCB固定在散熱器上，如圖2(b)所示。

通過絕緣層和玻璃透鏡輻射散發(fā)的熱量較少，在數(shù)值模擬時忽略其影響，對LED模型理行了簡化處理，建立了LED航行燈的三維模型（如圖3所示），將散熱器模型導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)行穩(wěn)態(tài)散熱分析。在有限元分析軟件按表1建立工程材料數(shù)據(jù)，設(shè)定模型材料屬性。

圖2 改裝前后的航行燈結(jié)構(gòu)圖

圖3 LED航行燈散熱器結(jié)構(gòu)圖

2.2 網(wǎng)格劃分

采用局部細(xì)化的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法對LED散熱器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。其中，芯片、鋁基網(wǎng)格較密，散熱器的網(wǎng)格較疏，總網(wǎng)格單元數(shù)為165108，節(jié)點數(shù)為239741。

圖4 LED航行燈散熱器網(wǎng)格劃分圖

2.3 有限元分析

LED芯片組件由20個1×1×0.25mm額定功率為1W的芯片陣列組成，LED的工作電流為300mA，LED的光電轉(zhuǎn)換效率大約為20%，即熱功率P=U×I×80%=14×0.3×0.8=3.36W。LED芯片陣列的生熱率為6.72×108W/m3，散熱器與空氣之間為自然對流換熱，平均對流換熱系數(shù)為12W/(m2·℃)，環(huán)境溫度為25℃。計算求得結(jié)果如圖5所示。

圖5 LED航行燈散熱器熱分析結(jié)果

一般來講，LED芯片的承受最高溫度為110℃，設(shè)計散熱器時考慮安全裕度，LED芯片PN結(jié)溫度不得高于95℃[7]。熱分析結(jié)果顯示，LED芯片的PN結(jié)溫度為54.5℃，在正常范圍之內(nèi)。按圖6所示的選取4個測試點的溫度分別為53.90℃、53.81℃、52.62℃、52.16℃。

3 實驗結(jié)果驗證及分析

3.1 模型驗證

為模擬航行燈的工況，在恒溫的密閉空間內(nèi)進(jìn)行LED散熱器的散熱實驗，用相對密封的紙箱將LED航行燈裝置罩住。采用兆信數(shù)顯直流穩(wěn)壓電源對其進(jìn)行供電，使用四通道溫度采集器及PT100熱電阻測量散熱器溫度，溫度采集器使用USB線與PC連接。分別在散熱器上選取MCPCB底部、散熱器底部、散熱器中部及散熱式固定螺帽4個不同位置粘貼熱電阻傳感器，各點位置如圖6所示。實驗時，通過調(diào)節(jié)空調(diào)將環(huán)境溫度穩(wěn)定在25℃左右。按圖7連接實驗設(shè)備，使LED航行燈裝置開始工作，通過觀察PC端的專用軟件顯示各測試點的溫度變化，以辨實驗是否正常。

圖6 溫度測試點示意圖

圖7 實驗設(shè)備布置圖

3.2 結(jié)果分析

在相同條件下，對每個測試點進(jìn)行5次測量。LED散熱器溫度隨時間的變化如圖8所示，在前30分鐘內(nèi)，溫度隨時間呈線性增加。溫度上升到45℃后，溫度變化趨勢變緩。在50分鐘左右時，溫度開始穩(wěn)定不變。為了能測量到準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，待LED穩(wěn)定工作80分鐘左右，且數(shù)據(jù)采集儀讀數(shù)穩(wěn)定后記錄4個測試點的溫度數(shù)據(jù)。每次測量間隔時間大約為1小時，確保散熱器的溫度恢復(fù)為常溫才開始下一次測試，最后取5次測量的平均值作為實驗結(jié)果。

圖8 散熱器的溫度曲線圖

實驗數(shù)據(jù)和CAE分析結(jié)果的比較如表2所示。從整體上看，計算機(jī)數(shù)值仿真的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)有較高的穩(wěn)合度，誤差均小于5%，可以認(rèn)為該三維模型和CAE分析方法是有效、可靠的。但所有測試點的實驗測量溫度要比模擬溫度低2℃～3℃，可能是因為在三維建模時進(jìn)行了簡化處理，導(dǎo)致模擬時LED芯片的溫度不易散出，整體溫度要較高。不論是實驗還是模擬結(jié)果，四個測試點的溫度均隨離芯片距離增加而下降。

表2 實驗測試溫度與CAE分析結(jié)果對比

4 結(jié)論

1）為了配合原支架的使用，新型LED散熱器依安裝支架外形進(jìn)行設(shè)計?；贑AE方法，針對LED芯片和散熱結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了包括LED芯片、MCPCB、散熱器等構(gòu)件的三維數(shù)學(xué)模型。

2）運用ANSYS Workbench穩(wěn)態(tài)熱分析模塊進(jìn)行熱仿真，計算機(jī)數(shù)值仿真的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好，表明該三維模型和CAE方法可有效地應(yīng)用于LED散熱分析，且該新設(shè)計的散熱器能有效降低LED結(jié)溫溫度，滿足LED航行燈的散熱要求。

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