发光LED液冷方案在汽车行业的应用

发光LED液冷方案在汽车行业的应用

　　2.2 系统级--空气冷却

　　应用汽车前照灯要求光必须是向前照。为此需要把IMS板安放在前照灯组件后面的45度面处。对于被动式冷却，热沉直接就安装在IMS板的背面。在实际中，整个系统应放在前照灯的空腔里通过对流进行换热。由于空腔尺寸有限，热沉的尺寸收到了限制。如图2所示，LED的结温远远超出其最大容许值125℃。

　　图2. 被动式冷却方案前照灯剖面温度云图（Tj=200℃）

　　主动式空气冷却也进行了研究。然而由于其内在的空间以及周围件的约束采用较大数量的高速风扇是不可行的。从其可靠性，成本及加工方面考虑都是行不通的。综上所述，液冷措施被确定为下一步研究方向。

　　2.3 系统级--被动式液冷

　　有两种被动式液冷可以考虑：被动式封闭循环和热管两种方式。

　　模拟结果说明被动式封闭循环可以达到要求，可以使LED的结温能维持在最大容许工作温度下。然而被动式系统中液体驱动力是通过浮力来获得的。因此，此系统需要一个热交换器放在热源上，里面形成的较热、较轻液体（如水）将上行抵抗重力被冷却。虽然从热的角度看是可行的，但实际中此方法并不适合对前照灯进行冷却，因为前照灯设计里要求热交换器必须放着LED灯具的下面。

　　对于热管冷却的办法，一个循环热管系统只是一个系统内的热量循环。然而，需要每一个LED板都需单独装上一套热管系统进而大大增加了整个LED灯具冷却系统的成本。灵活的热管产品（ 如Thermotek,Dau）其价格每个大约在1000$.况且，即使单从散热分析的角度考性可行，但由于其工程难度和成本方面看，采用热管方式冷却也是不可行的。

　　综上所述，解决汽车行业应用高亮LED所需的冷却措施需要投向主动式冷却办法。

　　3.主动式冷却

　　3.1 系统结构

　　液冷系统包括如下：泵，连接热源（IMS板）的冷板，蓄水池和热交换器。它们之间用管子连接构成封闭的回路系统。

　　鉴于每一个板子都要调整，故每个冷板需要单独贴在每个相应的板子上。由于重量和体积的限制，以及远光和近光不会同时开启，故远光和近光共同使用一个热交换器。进而可以用加倍体积的换热器带走更多的热量。换热器是由热沉及底部液冷盘管构成。考虑到热特性和易用方面，冷却系统采用的工质主要是用增添添加剂的水（添加剂如：防冻液，乙二醇，抗藻及抗菌剂等。）

　　有几种组合方案可以考虑。为了降低对泵的损坏和提高其可靠性，故泵的液冷部分是可见的。第一种方案是五个近光和远光（LB-HB）循环系统平行放置（图三）。从理想的热分析角度去看，需要两套岐管加上两个输水软管及连接部件。然而此方案使整个系统变得太复杂，因而不宜采用。

　　图3 冷板和散热器设计及软管连接

　　第二种解决方案由同样的5个LB-HB冷板回路构成，但是之间的链接用一个单循环构成。此循环路径很长导致压降很大。热分析模拟结果表明回路的压降值正好在泵压头一下，故不会对此冷却系统造成散热方面不利的影响。

　　最后，一个备选的方案推出，此液体方案是一个回路通过一系列近光灯（LB）冷板，然后通过一些列远光灯（HB）冷板，最后经过散热器（如图4）。此设计的优点是管子数量从17根减到14根，较少的管子数有利于两种光单独进行调整进而易于安装。热分析表明此方案中在整个回路里最后一个板子上的3个LED的结温仅比第一方案中对应的结温高5度。

　　图4 主动式液冷装置结构：液冷回路连接所有的LB冷板然后流入HB板进而流入散热器

　　图5是应用FloTHERM分析建立的三维仿真模型。

　　图5 在前照灯空间内完整的近光灯系统的主动式液冷全模型

　　3.2 散热优化

　　3.2.1 液体流动优化

　　图6所示在泵的名义流量变化下（压降为0）模拟计算的LED温度的变化曲线。随着泵名义流量的增加，LED结温逐渐下降。然而，当流速高于0.12 l/s后，结温变化不显着。

　　图6 计算得到的LED结温曲线（蓝线）和IMS板温度（红色）

　　图7 表明了名义流量和实际流量之间的关系。对于较低的名义流量下流体的压降变化很小，然而随着流量增加液体回路的压降限制了实际流量。图8所示回路中压降和流量之间的关系和泵的线性特征在名义流量0.12l/s 和名义压头（无流量时）25kPa的关系。结果表明封闭的泵需要在合适的工作点范围内运行才比较合理。

　　图7 泵的名义流量和实际流量对比曲线

　　图8 液冷式回路和泵的线性特性组成的压力和流量特征线