发光LED液冷方案在汽车行业的应用

　　3.2.2 热交换器（热沉）的优化

　　散热器的设计取决于其外部的条件，如空气流动的类型和工作环境，这些都决定了器件的摆放位置及空气流速。在本例中，热沉被水平放置，因为流动方向不能选择，故为了降低整体重量需要对散热器的齿片形状进行选择。

　　散热器外形优化有很多参数需要考虑，如齿片长度，数量，基座厚度等。由于上述参数都会对LED温度有影响，故需要迭代程序对一系列参数进行评估。下面是对系列参数的研究结论：

　　1）热沉基座厚度（t）。基于其连接冷板下面进而把热量传递到整个面积上，故基座厚度对LED温度影响很小。为了减少热沉重量，在机械方面容许的情况下尽可能减少厚度。确定选择厚度为5mm。

　　2)热沉高度（H）. 热沉的整体高度等于基座厚度(t)加上齿高(h)。齿高大小事此优化中最重要的参数。尽量的采取较高的尺寸，但注意不能遮挡光的限制。

　　3）齿片长度（l）。计算最优值是4.5mm。然而LED温度对于齿片长度在最优值附近波动的敏感度很小。根据模拟情况，其值在3.5-6mm之间变换时温度波动小于1度。所以在上述范围内齿片长度都是可以行的。

　　4) 齿片宽度（w）。计算最优值是9mm。类似于齿长，齿宽在7.5-10mm之间变化时，温度波动很小。

　　5）X方向齿数（Nx）。计算最优值40个，及此方向齿间距5.1mm。从热模拟结果看，此算例中X方向的齿数在35-45之间变换。

　　6)Y方向齿数（Ny）。由于前照灯空间的限制，在最宽的边上放尽可能多的齿，最窄边放较少的数量。经计算最优值在为7个,其间距为4mm。7个以上也是可行的。

　　7）铝质散热器的最终优化热沉重量少于800克。

图9 热沉参数及三维尺寸

　　因为此系列优化参数之间会互相影响（如齿长和齿宽），故在整个优化过程中需要同时考虑这些因素。（见图10）

图10 齿长和齿宽相互变化时LED温度的变化A)3D视图B)剖面图

　　其它参数（如齿数）是独立参数，可以单独进行优化（如图11）。

图11 LED温度和齿数的关系（X方向：深兰色；Y方向：粉色）

　　总之，优化后的热沉尺寸如下所示（单位：mm）

　　优化结果
t=5，H>30,h>25, l=4.5,w=9,Nx=8,Ny=7

　　可微调的参数（结温变化小于1度）
3.5l6, 5w10,35Nx45,7Ny

　　4. 结论

　　此文阐述了对于高亮度LED灯应用在创新型汽车前照灯时采取的主动液冷方式及其优化。

　　文中说明了空气冷去和被动液冷的方式要么不能满足LED结温最大容许温度要么无法在实际中实现。虽然有的方法单从散热分析的角度来看是可行的，但考虑到光学和机械方面又不能满足要求。因此为了找到合适的散热管理方法需要对前照灯设计进行全面考虑。

　　基于此主动式液冷方式被确定为最适合的优化方案。此文阐述了几种不同的主动式液冷方案并进行了对比研究。散热优化还包括了液体流动优化和热沉优化进而最大可能的提高其散热性能。在整个优化方案寻优中，热方面不是唯一考虑的因素，所有相关的方面都加以了考虑如工艺制造和产品具体要求等方面。

　　随着高亮度白光LED的发展，将来对特定光的供电功率会进一步持续降低。因此热耗散量也会降低。随着对系统加电功率的降低和热耗散量的减少，冷却方式可能又会采用被动冷却的方式。