汽车灯具内部零件表面镀铝对热量的影响

吴晓兰，Kai SCHWEIKERT

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213000)



汽车灯具内部零件表面镀铝对热量的影响

吴晓兰，Kai SCHWEIKERT

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213000)

摘要：为了降低材料的成本，在汽车灯具设计时需要尽可能地降低内部的温度。通过对模型中零件表面温度的测量与对比来验证不同镀铝面的位置对温度的影响，结果发现只在外侧镀层不可取，与内层镀层的样品相比，外层镀膜可使温度上升近100%，同时透明的材料镀铝比不透明的材料镀铝更容易散热。

关键词：汽车灯具；镀铝；热传导；热辐射

0引言

镀铝的工艺被广泛应用于汽车照明灯具上，其主要作用：(1)改变光的传播方向，从而使灯具的光形满足法规的要求；(2)装饰零件，优化视觉效果。但与此同时，铝层还会对热量的传导产生一定的影响，而且不同位置的铝层会对温度产生不同的影响。设计汽车灯具时，设计工程师需要最大化地降低灯具内温度以降低原材料的使用成本，文中采用对比试验验证不同位置的铝层对灯具内部零件表面温度的影响。

1传热基本原理

在导热模型中，达到热平衡后，热传导遵循傅里叶热传定律：

Q=λ·A·(T1-T2)/L

其中：Q为传导热量(W)；λ为导热系数(W/(m·℃))；A为传热面积(m2)；L为导热长度(m)；(T1-T2)为两个界面的温度差(℃)。

除了传导传热以外，辐射传热也被考虑在内。每种材料都有一种固有的特性，通常被描述成辐射系数，从而可以利用斯蒂芬-玻尔兹曼定律求得两个界面之间热辐射的能量：

其中：Q为辐射热量(W)；A为热发射面积(m2)；ε为表面的辐射性质，称为发射率，发射率的值0≤ε≤1；T1、T2为界面的温度(℃)[1-2]。

2实验

2.1实验准备

为了完成试验，按照汽车灯具的结构，设计了如图1所示的模型，其中包括壳体2、灯泡1、测试样件3以及测量温度的热电偶。样品内外侧的温度T1和T2分别用热电偶5测试。为了保护热电偶末端的传感器免于受到直接的辐射热，作者在样品的表面上装载一个小的方形铝带4。

图1　测试模型

试验过程中，需要确保样品两侧的传感器放置在相同的位置，这是因为灯泡是点热源，在测试过程中，测试样片不同位置受热的效果不一样。除此以外，记录T1和T2前的时间跨度必须足够长。这么做的目的是为了使其达到稳定的阶段，同时也便于比较不同样品之间的温度差异。

2.2样品的制备

为了测试镀层的影响，作者采用厚度为2.5 mm的PC透明和PC非透明样片作为镀铝基材，分别制备了4种不同状态的样片，如图2所示。

图2　样品的制备

作者用没有镀层的样品(图2(a))作为参比，铝镀层分别添加到基体内侧(图2(b))、基体外侧(图2(c))以及同时镀在两侧(图2(d))作为样品进行测试。为了确保实验结果的准确，所有的样品必须保证洁净，并且测试时所有样片放置在和热源相同距离的位置。

3实验结果及分析

PC透明和PC非透明样片不同镀铝状态样品的测试结果如表1。

表1　实验测试结果

3.1PC非透明样片

分析PC非透明的几个样片的测试结果，不难发现以下一些规律：

对比样片a、c与样片b、d的结果， 铝层面朝光源一侧的样片温度要明显偏低，即T1a>T1b,T1c>T1d，最低温度出现在铝层面朝热源的一侧的样品b上。这一现象完全遵循傅里叶热传导定律，铝的热传导率要远大于塑料的热传导率，在其他条件不变的前提下，铝层的表面温度要低于塑料表面的温度。

对比样片a、b与样片c、d的结果，背朝光源一面有铝层的样片表面温度要偏高，即T2c>T2a,T2d>T2b。最高温度出现在现在只有背朝光源一面有铝层的样片c上。这一现象同样遵循斯蒂芬-玻尔兹曼定律，铝的发射率要远小于塑料的发射率，在其他条件不变的前提下，铝层的表面温度要高于塑料表面的温度。

将这两种理论结合起来可以初步解释造成表1中温度差异的原因，然而就这点而言，作者并不能对由热传导和热辐射所造成的热损失的比率做出准确的论断。另外，镀铝层的反射性也可能造成热源发出的可见光和辐射热都以一个较低的比率被吸收。

3.2PC透明样片

对PC透明基体进行分析，在上一部分中对PC非透明基体进行的分析同样适用。由于样品本身的性质，作者可以观察到更多的现象。这几组样品的温度普遍低于PC非透明，解释如下：样品由光源加热，可见光由电磁辐射将能量传导到样品上，这一部分取决于材料本身的性质。对于不透明的PC而言，可见光的能量部分被转化成热能。相反，对PC透明而言，可见光会直接穿过板材而不被吸收，这也解释了当使用PC透明和PC非透明基材时，前者样品a和样品c的温度比后者低。而比较样品b时，两者温差不明显，这是因为没有光能够直接照射到裸露的基体表面上，没有可见光被吸收，所有的热损失都发生在红外区。由于PC透明的辐射系数和着色的PC的辐射系数接近，样品外侧的热损失相等，因而样品表现出相近的性能。

4结论

综上所述，镀铝层的位置差异将对测试样品的温度产生巨大的影响。对那些暴露在光线下的表面而言，镀铝层可以降低其温度。而只在外侧镀层不可取，实验结果表明：与内层镀层的样品相比，外层镀膜可使温度上升近100%。设计工程师应尽可能有效地将其应用于汽车灯具照明系统中，降低汽车灯具内部的温度，从而降低原材料的使用成本。

参考文献:

【1】INCROPERA F P,DEWITT D P,BERGMAN T L.传热和传质基本原理[M].6版.葛新石,叶宏,译.北京:化学工业出版社,2007.

【2】STEPHAN K,MAYINGER F,STEPHAN P,et al.Thermodynamik-Einsto_systeme[M].19th ed.Springer Vieweg,2013.

Relationship between the Position of Aluminium Coating and HeatInside the Automotive Lighting

WU Xiaolan, Kai SCHWEIKERT

(Changzhou Xingyu Automotive Lighting System Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213000,China)

Abstract:To reduce the material cost, the internal temperature inside the automotive lighting should be decreased as much as possible while designing. To verify the temperature influence of different position of aluminum coating, measure and contrast analysis were made. The test shows it is impossible to make the aluminum coating on the outer layer, the temperature is twice the one aluminum coating on the inner layer. Meanwhile, it’s easier for heat radiating to aluminum coating on transparent materials via non-transparent ones.

Keywords:Automotive lighting; Aluminum coating; Heat conduction; Heat radiation

收稿日期：2015-10-10

作者简介：吴晓兰(1978—)，女，硕士，主要负责原材料在汽车灯具上的应用工作。E-mail:shaoying@xyl.cn。

中图分类号:TQ153.3

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)01-049-02