列车车载LED灯结构散热分析

杨晓静

【摘 要】LED照明光源已被广泛应用于照明系统设备，但由于其光电转化率较低，大部分电能实际转化成了热量，所以如何提高其散热能力是LED灯产业化解决的关键技术之一。本文做的是列车车载LED灯结构散热分析。对LED的各项原理、结构和光学特点做了简要的分析，之后确定铝材料和肋片型散热器，导入ANSYS软件进行热分析，得出其稳态的温度场分布图，从而验证了散热器各项选择的合理性，并分析了实际列车中散热器的散热情况。

【关键词】LED；散热；热分析；ANSYS

1 列车车载LED的意义

本课题做的是列车车载LED灯的结构散热分析，我们就有必要了解为什么要做这样的一个设分析。

LED英文单词Light Emitting Diode的缩写，即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。发光二极管具有驱动电压低、功耗小、寿命长、抗冲击和抗振动性好、可靠性高等一系列优点。LED是一种新型半导体固态光源，在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下，使用LED半导体照明已被公认是一种节能环保的重要途径。

就列车车载中LED的应用优点是：

1）抗震性强，大量减少维护工作；

2）寿命长；

3）配光控制容易，有益于照射面的利用率，且可降低眩光等；

4）体积小，可以安装在行李架等空间有限的地方；

5）重量轻，通过减轻车辆重量，降低运行时的能耗。

2 LED灯的热特性

与传统光源一样，LED在工作时也会产生热量。LED芯片的表面积小，正常工作时电流密度大，但是单颗LED的输出光束又低，所以LED照明设备大多需要多个LED组合而成，而LED灯的体积有限，这就造成LED密集度较大，并且由于LED的光电转换效率不高，只有20%左右的电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此当LED灯工作时，将会集中产生大量的热量。热量若不能尽快有效地耗散，随之而来的热将会对LED引起结温上升、减少芯片出射的光子、使色温质量下降、加快芯片老化、缩短器件寿命等。由于LED芯片输入功率的不断提高，因散热问题牵扯到光、电、色等一系列的问题显得更加突出，因此，对LED灯散热器结构进行优化设计和热分析就变得异常关键。

3 LED散热器的材料

选择散热器的材料必须了解传热学热能传递中的热传导。热传导的原理是当不同温度的分子接近时，由于高温快速分子与低温低速分子间发生完全弹性碰撞或因自由电子的转移而产生能量转移的现象。

导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，其单位为W/（m*℃）。一般是说金属材料的导热系数最高，液体次之，气体最小。如表1列出了一些金属材料的导热系数：

表1 各种材料的导热系数

从表1可以看出各材料导热性能的优劣，但是做车载上使用的LED灯，我们必须考虑综合效益的问题。综合比较下，金属的导热性能确实比其它材料要好很多，金、银、铜的价格昂贵，而铁、钢、铅等其它金属的导热系数太低，现选择铝作为散热器的制作材料。铝不单只是价格合理、导热性能好，而且它的密度是金属中较小的，材质较轻，更加适合在列车上使用。

4 散热结构的模型

在确定LED灯的散热结构之前，必须了解热能传递的另一种方式热对流，热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。

肋片型的散热器（如图1）把电源放到管外，从而可以把半边铝壳完全做成散热器。肋片型采用肋片形状的散热结构，大大增加了散热器面积。电源不放在管内，又可以减少热量，这就大大延长了LED的寿命。

图1 肋片型散热器截面图

5 LED灯散热分析问题归结

LED灯散热器的上表面放置LED的发光体，即热量从上表面流入。下表面、两外侧面和肋片部分为直接与空气接触的散热区，无任何外力因素，属于空气自然对流表面传热。

综上所述，可将问题归结为这样的问题进行求解。散热器所有部位均用铝制造，铝的导热系数为236W/（m*℃），该LED灯的功率为20W，有80%的能量转化成热量形式，并全部被散热器的上表面吸收，散热器上表面的有效吸热面积为0.02448m2，下表面、两外侧面和肋片部分为空气自然对流传热，空气自然对流传热系数为1～10W/（m2×K），由于灯是在列车上使用，所以空气对流传热系数取5W/（m2×K）较合适，列车上空气的温度为室温25℃，其余各面均无热量的流入与流出。计算出上表面的热流密度为653.6W/m2。

6 利用ANSYS软件分析散热器

做有限元热分析首先确定一个模型，模在Pro/E软件中把模型建好，然后导入ANSYS软件进行分析。出现如图2所示模型。

选择好分析类型、单元类型、材料属性、单元尺寸，划分网格后，出现如图3所示网格划分结果模型。

图2 导入ANSYS的散热器模型 图3 网格划分结构模型

选择热分析类型，对上表面施加热流密度载荷，下表面、两外侧面和肋片施加对流载荷，并输入空气温度25。

运算求解，输出温度场分布的彩色云图，出现图4显示温度分布结果。

从结果中可以看出散热器的横截面温度场分布情况，其中最高温度是64.004℃，红色区域为最高温度出现在散热器的上表面，该区域放置发光体。也就是说LED工作时的温度为64.004℃，而LED灯在80℃以下的温度工作即可达到技术要求。温度最低是43.174，温度的最低出现在肋片外沿上，这和预想的一样。温度从肋片外沿到上表面逐渐升高，颜色不同说明温度的变化。

肋片型散热器的温度变化线整体现出一个向上的弧线，这正式由于中间肋片比较长，两边比较短，使中间散热较好所引起的。由于总体的结构限制，肋片的长度不能再加长，又要保证散热器的刚度，以至于肋片不能向上表面延伸，这样的肋片设计已经达到了散热效果的顶峰。

换个角度观察散热器的温度场，如图5所示。

图4 散热器横截面温度分布

图5 散热器温度分布三维图

在图3-15温度场的分布中，等温线是均匀分布的关于径向对称一条直线，这说明了散热器中任何一个截面的温度分布都显图4所示。也证明了在做有限元热分析时，该散热器的温度分布与散热器的长度无关，图5准确地说明了该分析的正确性。

7 实际中LED灯的散热情况

通过以上对散热器模型的有限元热分析，结果显示该模型的温度在正常工作温度范围内，而且这只是仅仅考虑空气自然对流换热，LED发出的热量全部被散热器所吸收的理想状态下。根据传热学的知识，热能传递有三种方式：热传导、热对流、热辐射。热辐射是物体因热的原因由电磁波来发出辐射能的方式，而散热器的辐射能力比周围环境的高，这肯定有热量通过热辐射的方式传导出去。其实LED灯发出的热量全部被散热器吸收，这只是理想状态下，发光体的下部是散热器，上部是扩光罩，其热量会散发到发光体和扩光罩的空气中，致使扩光罩的温度升高，这就有扩光罩与外部空气存在自然对流传热。

不管哪种形式的传热，只有使温度比理想状态下更低。对于在理想状态下分析都能达到正常工作的情况下，实际中LED灯的温度更加不会影响到正常工作，该散热器结构符合LED灯实际工作的要求。

在列车上使用LED灯是随处的，不单车厢，像行李架、地角灯、阅读灯、厕所上都使用，甚至于车头大灯也可以使用LED灯。如图6所示列车上使用的整体效果。

图6 列车上使用LED灯

8 结束语

本文明确完成了列车车载LED灯结构散热分析，这仅仅是局限于列车车载上的设计，实际上LED灯的使用已经在很多地方发挥出作用了。分析中可以看到，做LED灯散热器有限元热分析时，我们根本做不到呈现列车车载的实际环境，只是在最接近的状态下完成分析，这点上仍需做得更到位些。

[责任编辑：王楠]