LED车灯风冷散热器基板与肋片结构的优化设计与性能分析

Optimal Design and Performance Analysis of Air-Cooled Radiator Substrate and Fin Structure for LED Headlights

摘要: 增强LED车灯的散热性能是避免其热失效的关键措施，为提升LED车灯风冷散热器的性能，本文构建了一系列变结构模型，研究了基板厚度、肋片间隙和肋片形状对散热器性能的影响。结果表明，增加基板厚度可以提高散热器散热性能，但基板厚度增至3.5 mm以上时，其对芯片结温的降低效果有限。适当减小肋片间隙可以提升散热性能，但当间隙降至1.3 mm以下时，由于经过肋片区域的强制气流流量明显减少，散热性能反而减弱。同时，本文还设计了包括凸形、凹形、波浪凸形、波浪凹形和倾斜形的五种散热器肋片，它们均有助于芯片结温的降低，其中采用40˚倾斜形肋片的散热器效果较佳，能使芯片结温降低6.3℃。

Abstract: To enhance the heat dissipation performance of LED headlights is the key problem to avoid thermal failure. In order to improve the performance of LED headlights air-cooled radiator, a series of variable structure models are constructed in this paper, and the effects of substrate thickness, fin clearance and fin shape on the performance of the radiator are studied. The results show that increasing the thickness of the substrate can improve the heat dissipation performance of the heat sink, but when the thickness of the substrate increases to more than 3.5 mm, the effect of reducing the junction temperature of the chip is limited. Properly reducing the fin clearance can improve the heat dissipation performance, however, when the clearance is lower than 1.3 mm, the heat dissipation performance is weakened due to the obvious reduction of forced air flow through the fin area. At the same time, five kinds of heat sink fins are designed in this paper, including convex, concave, wavy convex, wavy concave and inclined, which all contribute to the reduction of chip junction temperature. The heat sink with 40˚ inclined fin has the best effect, which can reduce chip junction temperature by 6.3˚C.

1. 引言

发光二极管(LED)灯具以其长寿命、高亮度、低能耗、小体积和高可靠性等显著优势，在汽车大灯、数码产品闪光灯、路灯以及室内照明等众多领域中得到了广泛应用[1] [2]。在汽车照明领域，LED灯具的发展符合人们对汽车前照灯在安全性、节能性、美观性和耐用性方面的需求，逐渐取代了传统的卤素灯和氙气灯，成为汽车照明的主流选择[3]。然而，LED车灯在工作时会产生大量热量，受限于其紧凑的结构空间，散热挑战尤为突出[4]。当电子元件的温度每超过其最大允许工作温度10摄氏度，故障率将会增加一倍[5]。因此，LED车灯的有效热管理对于延长其使用寿命和确保安全运行具有至关重要的作用[6]。LED灯具的散热策略主要分为主动散热和被动散热两种方式[7]。随着大功率LED灯具的应用日益增多，被动散热已难以满足控制工作温度的需求，需要主动散热的加入。风冷散热作为一种常见的主动散热方式，与其他的主动散热形式例如热管散热和水冷散热相比具有结构简单、制作方便和可靠性高等特点，考虑到成本效益和应用需求，风冷散热是LED车灯使用最广泛的散热形式[8]。

为提升风冷散热器的散热能力，国内外学者已经通过实验、模拟或实验与模拟相结合的方法，开展了诸多研究工作。例如在优化风冷散热器的环境条件和配置参数方面：Zhao等[9]研究了大功率LED前照灯中应用的传统板翅片散热器和新型导热板集成散热装置的散热性能，利用CFD (Computational Fluid Dynamics，计算流体力学)软件FloEFD进行了实验与计算相结合的分析，研究了模拟环境温度、芯片封装深度、倾角和风扇转速对结温的影响，表明随着芯片封装深度的增加，气流减弱。Faraz等[10]通过实验和数值模拟，研究了在不同冷却风扇转速下外置换热器基厚尺寸对性能系数(COP)值的影响，表明换热器基厚越大，效率越低，随着空气流速的增加，基底厚度的影响减小。Zou等[11]研究了材质、朝向、风冷对灯具模型散热的影响。找到了最佳的散热器材料组合、最佳放置方向以及风速和冷却效果之间的关系。陈从平等[12]利用有限元软件研究了风扇护风罩与壁面的径向距离、风扇入风口与壁面的距离及风扇出风口与散热器的距离对大功率LED车灯风冷散热系统性能的影响，进行最优化分析并进行实验，得到了最佳参数组合。在优化风冷散热器结构方面：Jiang等[13]通过改变肋片厚度和高度等散热器结构参数，进行单因素仿真和正交实验分析，获得了一组散热性能最佳的几何参数。Shu等[14]以某轴流式冷却风扇为研究对象，建立了一定数量的不同导叶鳍形状的仿真模型。采用DOE法(试验设计法)研究了气动性能与翅片形状参数之间的关系，表明翅片高度的变化对气动性能的影响较大，而翅片厚度的变化对气动性能的影响较小。另外，还有学者通过优化风发生器设计来提升风冷散热器的散热能力：李小华等[15]针对功率型LED芯片现存散热方案的缺陷，设计了一种“针–网”式离子风散热系统，并通过试验进行了散热性能测试，表明该系统的散热效果显著。以往的研究表明，散热性能的增强涉及多个方面，包括散热器的几何设计、风扇转速、环境温度、芯片封装深度以及材料选择等。通过优化这些因素，可以不同程度地提高风冷散热器的散热效率和性能。

以往的研究对于肋片间隙及特殊形状肋片等散热性能影响因素的探讨相对较少。本文在相关研究的基础上，进一步探索了基板厚度、肋片间隙以及肋片形状对风冷散热器散热性能的影响并在结合仿真分析的基础上，对基板厚度和肋片间隙进行了优化。此外，为进一步提升风冷散热器的散热效能，本文还设计了五种不同形状的肋片：凸形、凹形、波浪凸形、波浪凹形和倾斜形，并通过分析确定了较佳的肋片设计方案。

2. 模型建立与网格的生成

2.1. 模型建立

本文以某LED车灯风冷散热器为研究对象，对其进行了建模。鉴于原型散热器的结构较为复杂，为了便于计算分析，对其进行了简化设计。在简化过程中，忽略了对仿真计算结果影响较小的因素，如芯片夹板上螺丝和零件之间的导热硅胶等，并将风扇简化为平面结构。所建立的LED车灯风冷散热器的初始模型如图1所示，其主要由LED灯芯片、基板、芯片夹板、安装座、肋片、风扇和风扇护风罩组成。图1中“F”表示基板厚度、“G”表示肋片间隙。此散热器的主要参数信息汇总在表1中，而不同零件的材料与物性参数则列在表2中。

本文设计了五种形状的肋片：凸形、凹形、波浪凸形、波浪凹形和倾斜形肋片，并根据倾斜形肋片的倾斜角度建立了10˚、20˚、30˚、40˚、50˚和60˚六个角度的变体模型。为了保证设计的一致性与可比性，所有新设计肋片与初始肋片的上下宽度相同，凸形与凹形肋片、波浪凸形与波浪凹形肋片的侧面积一致。图2展示了初始肋片模型，图3为不同肋片形状间隙的轮廓草图，图4展示了五种新设计肋片的模型，其中倾斜形肋片的倾斜角度在图4(e)中以“θ”标出。

Figure 1. LED headlights air-cooled radiator initial model

图1. LED车灯风冷散热器初始模型

Table 1. The main parameters of the initial radiator

表1. 初始散热器的主要参数

主要参数	参数值
芯片长度 × 宽度 × 高度/mm	1 × 1 × 0.3
芯片数量/个	12
基板厚度/mm	2
肋片整体高度/mm	12
高、矮肋片数量/个	19、38
肋片间隙宽度/mm	1.5
安装座高度/mm	18
风扇护风罩直径 × 高度/mm	31 × 14
风扇风量/m^3∙min^−^1	0.12
风扇最大风压/Pa	30

Table 2. The physical parameters of the main components of the radiator

表2. 散热器主要零部件的物性参数

零部件	导热系数/(W/(m·K))	比热/(J/(kg·K))
碳化硅芯片	490	427.27
铝制肋片	202.4	871
铜质基板	387.6	381
铝合金芯片夹板、安装座、风扇护风罩	209	897

Figure 2. Initial fin model

图2. 初始肋片模型

(a) 初始肋片与倾斜形肋片 (b) 凸形肋片

(c) 凹形肋片 (d) 波浪凸形肋片 (e) 波浪凹形肋片

Figure 3. The outline sketches of the gaps of different finned shapes

图3. 不同肋片形状间隙的轮廓草图

(a) 凸形肋片 (b) 凹形肋片

(c) 波浪凸形肋片 (d) 波浪凹形肋片 (e) 倾斜形肋片

Figure 4. The newly designed fin models

图4. 新设计的肋片模型

2.2. 网格划分

由于该散热器模型结构比较复杂，本文采用四面体非结构化网格对模型进行网格的划分，并对模型局部的网格进行了加密。当网格数量从100万左右增加到150万左右时，芯片结温降低了约3℃；而当网格数量从150万左右增加至200万左右时，芯片结温变化不大于0.3℃。因此，综合考虑计算结果精度和计算时间，控制网格数量在150万左右。生成的初始散热器模型的网格见图5，网格数量为1.53 × 10⁶。

3. 理论分析与仿真条件设置

在本文所研究的LED车灯风冷散热器中，LED芯片是整套装置的唯一热源。12个LED芯片在基板处两面安装，每面各6个。每面的芯片呈2行3列进行排列，每个芯片长1 mm、宽1 mm、厚0.3 mm。LED车灯的总功率为20 W，其中有30%的能量用于照明，其余均以热量的形式耗散到环境中。因此，LED车灯的总热功耗为14 W，将每面的LED芯片组视为一个热源，两个热源的热流量均为7 W。零件内部和相邻零件之间采用导热的方式传递LED芯片所散发的热量。

导热量可使用傅里叶定律来进行计算：

$Q_1=-\lambda B\frac{\partial t}{\partial x}$ (1)

式中：Q₁——导热量，W；λ——材料热导率，W/(m·℃)；B——垂直于热传导方向的截面积，m²；$\frac{\partial t}{\partial x}$ ——等温面法线相同方向上的温度梯度，℃/m。

Figure 5. The mesh division of the initial radiator model

图5. 初始散热器模型的网格划分

热量传递至与空气接触的零件外表面后，采用对流传热和辐射传热的形式将热量传送给空气环境。由于本文的研究对象温度不高，因此辐射传热量可暂不考虑。安装座及安装座向上的区域由于封装在LED灯壳中，气流速度很小，此处零件表面向环境空气的散热属于自然对流散热。而风扇护风罩及肋片部分有风扇驱使的气流流动，属于强制对流传热。

对流传热的传热量可使用牛顿冷却公式来进行计算：

$Q_2=hA\Delta t=hA\left(t-t_f\right)$ (2)

式中，Q₂——传热量，W；ℎ——对流传热系数，W/(m²·℃)；A——散热表面积，m²；Δt——固体表面与周围环境空气之间的温差，℃；t_f——周围环境空气温度，℃。

散热器自然对流传热部分与环境空气的对流传热系数h取10 W/(m²·℃)，强制对流部分添加了流体域，该区域固体与流体的对流传热系数h由仿真耦合的方法算出。考虑重力对于气流流动的影响，重力加速度大小取9.81 m/s²，环境温度和强制气流的温度均取20℃。由于本次研究只考虑稳定工作运行后散热器的温度分布情况，因此采用稳态工况进行仿真计算。

4. 结构优化及仿真结果分析

本文旨在通过优化风冷散热器的基板厚度、肋片间隙和肋片形状，提高其散热效能。研究步骤包括：首先，在其他无关结构和参数固定的情况下，逐一调整待优化结构或参数，构建了多组变结构模型。其次，运用有限元分析软件对这些模型进行仿真计算。随后，根据仿真计算结果分析LED车灯风冷散热器在不同参数或结构下的温度分布和芯片结温。最后，经过对比确定出最优的结构参数或设计。图6为初始散热器的温度分布云图，图中标注了此散热器的芯片结温，为76.6℃。

4.1. 散热器基板厚度的优化和仿真结果分析

初始散热器的基板厚度为2 mm。保持其他无关参数与结构不变，建立了基板厚度为1、1.5、2.5、3、3.5、4和4.5 mm的新模型，并对这些模型进行了仿真计算与散热性能的分析。图7展示了不同基板厚度对散热器散热性能的影响。

增加基板厚度可以增加散热器外表面积和导热面积，根据式(1)和式(2)，这两者都可以提高散发到环境中的热量。从图7中可以看出，当基板厚度从1 mm增加到3.5 mm时，芯片结温从92.9℃显著降低至68.5℃。然而，随着基板厚度的进一步增加，芯片结温并没有明显下降。具体来说，当基板厚度从3.5 mm增加到4.5 mm时，芯片结温从68.5℃略微降低至66.6℃，降幅为1.9℃。因此，基板厚度的增加和芯片结温的下降关系并非近似线性。当基板厚度达到3.5 mm时，继续增加基板的厚度对降低芯片结温的效果有限。此外，增加基板厚度也会增加LED车灯风冷散热器的整体耗材。综合考虑经济和性能效益，本研究散热器的最佳基板厚度为3.5 mm左右。图8为基板厚度为1 mm、3.5 mm与4.5 mm时散热器的温度分布云图，图中标注了这三个散热器的芯片结温，分别为92.9℃、68.5℃和66.6℃。

Figure 6. The temperature distribution of the initial radiator

图6. 初始散热器的温度分布

Figure 7. The influence of different substrate thicknesses on the heat dissipation performance of radiator

图7. 不同基板厚度对散热器散热性能的影响

(a) 1 mm基板厚度

(b) 3.5 mm基板厚度 (c) 4.5 mm基板厚度

Figure 8. The temperature distribution of the radiator when substrate thickness is 1 mm, 3.5 mm and 4.5 mm

图8. 基板厚度为1 mm、3.5 mm与4.5 mm时散热器的温度分布

4.2. 肋片间隙的优化和仿真结果分析

初始散热器的肋片间隙为1.5 mm。保持其他无关参数与结构不变，建立了肋片间隙为1、1.1、1.2、1.3、1.4和1.6 mm的新模型，并对这些模型进行了仿真计算与散热性能的分析。图9展示了不同的肋片间隙对散热器散热性能的影响。图10与图11分别为不同肋片间隙对强制气流经过肋片区域后的温升与质量流量的影响。

强制气流与肋片之间的对流传热总热量除了可用式(2)求出，也可用下式计算：

$Q=C_p{q}_m\Delta t_{气}$ (3)

式中，Q——强制气流与肋片之间的对流传热总热量；C_p——强制气流的定压比热容；q_m——强制气流的质量流量；Δt_气——强制气流经过肋片区域后的温升。由于在小的温度变化区间内，气流的定压比热容变化不大，因此Q₃主要由q_m与Δt_气决定。

在图10与图11中可以看出，随着肋片间隙的减小，强制气流的温升增加，同时强制气流的质量流量有所降低。这一现象归因于：当肋片间隙缩窄时，肋片区域强制气流的雷诺数随之增大，强制气流的紊流程度增加。气流紊流程度的增加有助于破坏并减薄靠近肋片壁面处由于流体粘性作用而形成的热边界层。热边界层厚度的减少意味着热边界层内传热热阻的降低，从而促进热量从肋片向强制气流的传递，使得强制气流的温升增加。同时，气流在肋片间隙中的流动可近似看作在平行的平板间的流动，该流动过程符合广义的牛顿粘性定律，随着肋片间隙的不断缩小，强制气流所受的阻力将不断增大。考虑到改变肋片间隙的过程中风扇的风压保持稳定，因此强制气流所受阻力的增加会使得经过肋片区域强制气流的质量流量减少。

从图9中可以看出，当肋片间隙从1.6 mm降至1.3 mm时，芯片结温从76.9℃降低至71.3℃。然而，肋片间隙从1.3 mm进一步缩窄到1 mm时，芯片结温反而从71.3℃升至74.6℃。造成这一结果的原因是：如图10与图11所示，当肋片间隙大于1.3 mm时，由于肋片间隙的减小导致气流温升的增加，相较于强制气流质量流量的减少，对于对流换热量的影响更为显著，使得Q₃随着肋片间隙的减小而增加。相反，当肋片间隙小于1.3 mm时，强制气流质量流量的减少对对流换热量的影响，相较于气流温升的增加，变得更加显著，导致Q₃随着肋片间隙的进一步减小而降低。图12为肋片间隙为1.6、1.3与1 mm时散热器的温度分布云图，图中标注了这三个散热器的芯片结温，分别为76.9℃、71.3℃和74.6℃。

Figure 9. The influence of different finned gap widths on heat dissipation performance of radiator

图9. 不同肋片间隙对散热器散热性能的影响

Figure 10. The influence of different finned gap widths on temperature rise of forced airflow

图10. 不同肋片间隙对强制气流温升的影响

Figure 11. The influence of different finned gap widths on the mass flow rate of forced airflow

图11. 不同肋片间隙对强制气流质量流量的影响

(a) 1.6 mm肋片间隙

(b) 1.3 mm肋片间隙 (c) 1 mm肋片间隙

Figure 12. The temperature distribution of the radiator when the width of the air outlet is 1.6 mm, 1.3 mm and 1 mm

图12. 肋片间隙为1.6 mm、1.3 mm与1 mm时散热器的温度分布

4.3. 肋片形状的优化和仿真结果分析

图13为散热器A、B、C和D的温度分布云图。从图中可以看出，相较于初始散热器，散热器A、B、C和D均有着更低的芯片结温，依次是：73.5℃、76.3℃、73℃和75.9℃。新的肋片形状都增加了肋片侧面与气流的换热面积，因此芯片结温都有所降低。其中散热器A与B、散热器C与D肋片所增加的换热面积相同。然而，尽管散热器A与B增加的换热面积相同，但散热器A有着更低的芯片结温。这一现象归因于凸形肋片间隙较小，使得气流雷诺数更大，从而加强了对流传热。同样的，散热器C也比散热器D的芯片结温更低。由于波浪形肋片的散热面积比凸形和凹形的更多，相比于散热器A，散热器C的结温更低；散热器D同样比散热器B的芯片结温更低。然而肋片散热面积更多的散热器D却要比散热器A的芯片结温更高，这是由于散热器D的肋片间隙比散热器A更大，气流雷诺数较小这个对散热不利的因素对芯片结温的影响更为显著。散热器C因为同时拥有较大的散热面积和较大的肋片间气流雷诺数，所以相较于其他三个散热器，其芯片结温最低，为73℃，比初始散热器的芯片结温低3.6℃。

(a) 散热器A (b) 散热器B

(c) 散热器C (d) 散热器D

Figure 13. The temperature distribution of radiators with different fin shapes

图13. 不同肋片形状散热器的温度分布

图14为散热器E芯片结温随肋片倾斜角度变化的示意图。通过观察图14，可以发现在肋片倾斜角度不超过40˚时，随着倾斜角度的增加，散热器E的芯片结温呈现下降趋势。这种趋势归因于倾斜的肋片增大了对气流热边界层的破坏，从而增强对流传热。图15中展示了初始散热器与散热器E肋片区域局部截面的气流流线。从图中可见，当强制气流流入肋片区域后，初始散热器肋片区域的气流流线较为平直，而散热器E肋片区域的气流流线则呈明显的漩涡状，这说明在肋片间隙的气流通道上，气流形成了漩涡状的涡流。涡流的存在能够破坏气流的热边界层、削薄热边界层的厚度，从而加强了气流与肋片间的换热。此外，肋片的倾斜还增加了肋片向气流的传热面积，有利于散热。因此，在倾斜角度达到40˚时，芯片结温降至70.3℃。然而，当肋片倾斜角度继续增加时，芯片结温反而略有上升。这是因为过度倾斜的肋片增加了气流到达肋片上端的流动距离，导致气流在未到达肋片上端之前，便从矮肋片的间隙或高肋片的间隙下端流出，导致对流传热过程中未能充分利用较多的换热面积。同时，过度倾斜的流道增加了强制气流进入肋片区域时所受的阻力，阻碍了气流的流动。这些因素共同作用，导致散热器的散热效率有所降低。图16为散热器E-10、E-40和E-60的温度分布云图，图中标注了这三个散热器的芯片结温，分别为75.1℃、70.3℃和71.2℃。

Figure 14. The influence of different fin inclination angles on the heat dissipation performance of Radiators-E

图14. 不同肋片倾斜角度对散热器E散热性能的影响

(a) 初始散热器 (b) 散热器E

Figure 15. The streamline diagram of local cross-section in fin area

图15. 散热器截面气流流线示意

(a) 散热器E-10

(b) 散热器E-40 (c) 散热器E-60

Figure 16. The temperature distribution of Radiators-E at fin inclination angles of 10˚, 40˚, and 60˚

图16. 肋片倾角为10˚、40˚与60˚时散热器E的温度分布

5. 结论

本文为提高LED车灯风冷散热器的散热性能，以某LED车灯风冷散热器为原型设计建立了初始散热器模型，并运用有限元分析软件进行稳态温度分析。计算出初始散热器稳定运行后芯片的结温为76.6℃。另外针对散热器的结构参数及形状，采用控制结构变量的方法进行优化并进行仿真计算与分析，得出以下结论：

(1) 基板厚度越厚，芯片结温越低。但当散热器基板厚度超过3.5 mm时，基板厚度的增加对芯片结温的影响减小。

(2) 当肋片间隙大于1.3 mm时，肋片间隙的减小会使得强制气流的雷诺数升高，增加对流传热效率，使芯片结温降低，最低为1.3 mm时的71.3℃。然而，若进一步缩小肋片间隙，强制气流质量流量减少的影响超过了强制气流温升增加的影响，这将导致芯片结温反而上升。

(3) 设计的不同肋片的散热器中，采用倾斜角度为40˚的倾斜形肋片的散热器(散热器E-40)的芯片结温最低，为70.3℃。通过分析可知，肋片形状的改变导致的肋片散热面积、肋片间隙大小和强制气流流动状态的变化都会影响到散热器的散热性能，对散热器肋片进行设计时需综合考虑这些影响因素。

本文的研究成果丰富了LED车灯散热的理论体系，可为工程实践中LED车灯风冷散热器的优化设计提供参考。

NOTES

^*通讯作者。