发光LED液冷方案在汽车行业的应用

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，结温变化不显著。  


  
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  

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*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）