...健康体检功能及汽车液冷散热技术CES引关注
孔春玉+李薇+张玉珊+曾雁+叶洁清
摘 要：本项目基于LED前大灯散热的问题，提出了一种新型的散热方式——汽车LED前大灯的“空调”液冷散热系统。该系统有效的解决了外加车灯的散热问题以及散热时汽车车灯的封闭性问题，使LED前大灯得到广泛的应用。此研究降低了车灯在维修更换情况下的复杂度，提高更换便捷性，降低维修成本。
关键词：LED前大灯；半导体制冷；冷却板
中图分类号：U463.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）23-0041-02
1 概述
1.1 LED散热问题限制LED前大灯的全面推广
LED作为汽车前大灯具有绿色节能，寿命长等优点。但是，LED灯的散热问题却是制约其推广应用的瓶颈。到目前为止，LED灯的电光转换效率只有30%左右。LED灯在工作过程中，一方面由于内部光子效率不能达到100%，另一方面，内部产生的光子无法全部射到芯片外部，导致只有少部分电能转化为光能，大约70%的电能都最终变成了热量。因此，解决散热问题是LED灯推广应用的前提条件。根据汽车现代造型设计特点，汽车前大灯的安装位置靠近发动机舱，工作环境温度高，若采用LED前大灯，高温的工作环境加上LED灯本身的散热问题，若不改进散热系统设计，必将极大缩减LED前大灯的工作寿命。
1.2 热管技术和液冷技术仍存在缺陷
目前较为适用于大功率LED前大灯的散热方式为热管技术和液冷技术。热管技术在热传输上存在着粘性限制、音速限制、飞散限制、毛细管限制、沸腾限制等缺点。而液冷技术对设备要求高，导致加工成本上升；且因泵等组件数量增加，加大了漏液风险。因此，结合LED汽车前照灯的使用环境，本项目提出一种“空调”液冷散热系统设计方案。该方案旨在有效解决LED汽车前照灯的散热问题以及散热过程中LED前照灯的密封问题。
因此，结合LED前大灯的使用环境，本项目提出一种液冷式半导体散热系统设计方案。该方案旨在有效解决LED前大灯的散热问题以及散热过程中的密封问题。
2 半导体制冷原理
半导体制冷原理：把一只N型半導体元件和一只P型半导体元件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的一个接头处，电流方向是n→p，温度下降并且吸热，这就是冷端。而下面的一个接头处，电流方向是p→n，温度上升并且放热，因此是热端。
3 模型建立
3.1 系统建模
本文设计的汽车LED前大灯的“空调”液冷散热系统由LED车灯、半导体制冷片、驱动、一体水冷头、散热排、散热风扇共同组成。系统将以往庞大的制冷系统微型化，单元式化，将其组合成一个整体单元，做到结构紧凑，具备制冷量大、质量轻、管路短、不易泄漏、减少占用空间的特点。
导体置于扣具与一体水冷头之间，与LED前大灯直接接触，一体水冷头内含双S流道。
在三维制图软件SolidWorks中建立汽车LED前大灯的“空调”液冷散热系统模型，其工作过程如下：半导体制冷片冷端进行制冷，当温度传感器检测一体水冷头冷端温度达到预设温度时，51单片机在驱动水泵和散热排工作的同时可根据温度的不同调节水泵的流速和散热排的转速，从而控制LED前大灯的工作温度，避免LED前大灯由于工作温度过高而烧坏。
3.2 冷却板建模
汽车LED前大灯的冷却板（如图1所示）由迷宫流道1、直流道2，进水口3和出水口4组成，冷却水从进水口3进入，在迷宫流道的左右两部分分别以“S”型流动。这种左右对称的流动方式使板温均匀，在散热过程中，水温沿流动方向逐渐升高，最高温度通常出现在中间偏后位置，为了减小整个冷却板的温差，将高温部分流道变窄，缩小流道截面积，增大流速以提高局部散热效果。
在三维制图软件SolidWorks中建立汽车LED前大灯的冷却板模型，其特征在于：直流道呈菱形分布，迷宫流道布置在菱形中部，进水口和出水口呈对角线分布，冷却水从进水口进入后，分别流过迷宫流道、直流道，最后汇聚至出水口。将冷却板安装在汽车LED前照灯后方，竖直放置。迷宫流道和直流道的深度为10mm。
4 技术关键和主要技术指标
4.1 技术关键
（1）半导体散热效率高：半导体能在LED大灯开启后迅速制冷使其温度维持在35℃-50℃，而与半导体热端相贴合的一体水冷头，则采用单程双向流动的“双S”流道，其有效增大了液体与一体水冷头导热板的接触面积，快速带走半导体热端的热量。
（2）温度自动控制：51单片机会根据温度高低实时控制
散热排的转速和水泵的流速以达到降温的目的。
4.2 技术指标
LED前大灯的温度随工作时间的增加而上升，当灯温高于35℃时，半导体、散热片、散热风扇等组成的整套系统开始工作，且系统功率随着LED前大灯温度升高成线性增长，使LED前大灯的温度维持在35℃到50℃。本团队模拟环境温度为60℃，测得温度值如下：LED前大灯工作温度48.7℃，极限温度115℃；半导体热端工作温度73.4℃，极限温度80℃。
5 系统的测试成效
为验证该系统的散热效果，使用第二代实体在模拟环境温度为60℃的条件下进行测试，在0-250秒内，LED前大灯半导体散热和风冷散热的实测温度结果如图2所示。
由图2分析可得：本系统可在100s内使LED前大灯温度从48℃下降至38℃，此后灯温维持在36-40℃内；而利用风冷散热的LED前大灯温度在160s内从48℃上升至71℃，此后灯温维持在70℃左右。对比可得，本系统具有散热速度快，散热效率高的特点。
6 结束语
本系统首先利用半导体制冷片体积小且可靠性高的特点，将半导体制冷片置于扣具与一体水冷头之间，与LED前大灯直接接触，加快LED前大灯的散热速度，且在温度控制上遵循半导体快速制冷原理以达到控制LED前大灯工作温度的效果。其次，在对半导体制冷片热端进行散热设计时，首次将双“S”流道应用于汽车LED前大灯的“空调”液冷散热系统，有效地解决了传统型流道水量需求大且各流道流量分配不均等问题。
参考文献：
[1]廖炫，郭震宁，潘诗发，等.LED汽车前大灯散热器正交优化设计与分析[J].光子学报，2016（11）：74-79.
[2]王静，蔡忆昔，赵新杰.大功率LED汽车前照灯散热系统设计[J].电子器件，2015（05）：1204-1209.
[3]李祥兵，王春才，王坦，等.汽车前大灯LED光源散热技术[J].湖北工业大学学报，2014（05）：52-55.
