张 志 辉
（奇瑞汽车股份有限公司 安徽 芜湖 ２４１００９）
摘 要：汽车灯具作为汽车最重要的零件之一，经过多年的发展，变得越来越智能化、美观化。如此巨大的变化，都得益于新型光源ＬＥＤ的问世，这种体积小巧，寿命很长的新型光源以其独特的优势正改变着当今的汽车灯具；当然，它也并不完美，热管理是这种光源的致命伤，如何有效设计出高效率的热管理系统，成为这种光源在汽车灯具普及与发展的重要一环。针对汽车灯具热管理系统的散热方式与方法方面进行探讨与研究。
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关键词 ：汽车灯具；ＬＥＤ；热管理；散热
中图分类号：ＴＰ２９ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．02．００7
收稿日期：２０１4－１1－18
０ 引言
汽车的“眼睛”，也就是汽车灯具，作为汽车产品的重要零件，它承担着驾驶员夜间能否正常安全行驶的保证，它运行的可靠性会严重影响驾驶员以及其他道路使用者的人身安全。因此，一辆合格的汽车产品必须配备一双合格的“眼睛”。为提高行车安全，越来越多的新技术被应用于汽车灯具，尤其是发光二极管技术（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，简称ＬＥＤ）的应用。
ＬＥＤ与传统光源相比，它具有寿命长、体积小、能耗低、响应快等优点。目前限制ＬＥＤ应用于汽车前照灯系统的主要因素有：单粒ＬＥＤ的光效和光通量、系统的光效。特别是在汽车前照灯的应用上，限制ＬＥＤ应用的主要原因还是光源的散热问题，过高的温度使ＬＥＤ的光效下降，亮度降低，寿命缩短，最终导致灯具损坏。
１ 散热原理及散热方式
１．１ 散热原理
在热力学中，散热方式有三种：热传导，热对流和热辐射。热传导是指不同温度的物体或物体内不同温度的各部分之间，分子动能和自由电子运动所引起的一种热量传递过程。对流换热是指流体流过物体表面时所发生的一种热量传递过程。热辐射是指物体间以电磁波的形式辐射和吸收热量所形成的一种热量传递过程。三种散热方式常同时发生，共同起作用。
散热的计算最基本的公式：
温差ΔＴ＝热阻Ｒ×功耗Ｑ
传统汽车灯具散热主要是通过灯具后部开设若干通气孔来散热，这种灯具热源的热量较发散，通过开通气孔能够起到散热的目的。而ＬＥＤ光源，不同于传统汽车灯具，它的热量较其中，再通过开通气孔方式进行散热，已不能满足要求，因此，产生了大功率ＬＥＤ汽车灯具必须配备散热器这一概念。
1．２ 散热方式
宏观上，散热方式分为两类：被动散热和主动散热。
1．２．１ 被动散热
被动散热是指散热器在不借助其他辅助散热方式的条件下，通过散热片自身与热源接触，进行热传导带走热源上聚集的热量。被动式散热包含自然对流散热、热管散热等。
（１）自然对流散热。自然对流散热是散热器直接接触空气，散热器散发的热量使其周边空气温度上升，冷空气下降，冷空气带着热空气一起流动，形成对流来带走散热器散发的热量（见图１）。
（２）热管散热。热管是一种采用具有极高传热性的元件，通过在全封闭真空管内液体的蒸发与凝结来传递热量，它利用毛吸作用等流体原理，起到制冷的效果。极高的导热性、良好的等温性、结构紧凑、流体阻损小等优点。使其广泛应用于电脑主机ＣＰＵ芯片的散热系统中（见图２）。
目前，汽车灯具中，特别是汽车前照灯采用的大功率ＬＥＤ光源，瞬间发热量惊人，仅采用被动散热较难满足热源散热要求。因此，被动散热常应用于低功率热源的散热。
1．２．２ 主动散热
主动散热是指通过借助某些辅助手段来提高散热器与热源接触时的热传导、热辐射及热对流能力，从而带走热源上聚集的热量。主动散热主要分为风冷散热、液冷散热等。
（１）风冷散热。风冷散热就是利用风扇的旋转来提高散热器表面的空气流动速度，从面提高对流效率来实现散热目的。它是目前最常见的一种散热方式，能够解决通常的散热需求，技术成熟、价格适中，在市场上普遍使用。风冷散热结构简单，安全可靠。缺点是：不能将温度降至室温以下，风扇转动会产生噪音，长期使用存在密封问题，并且风扇寿命有限（见图３）。
（２）液冷散热。液冷散热就是利用液体来代替空气，通过液体的运动在散热片之间形成对流来带走热量。液冷系统的工作原理很简单，利用压泵把液体从储液罐中抽出，通过液压管连接在热交换器上，再从热交换器的另一端口流出，流入蓄液箱，通过不断循环，把热量从热源的表面带走。整个液冷系统包括热交换器、循环系统、储液箱、液压泵和导热液体（水或导热硅油）等。液冷系统的散热效果非常好，但较占用空间且价格偏贵（见图４）。
总之，实际汽车灯具散热系统设计时，究竟选用哪种方式的散热系统，还要根据实际热源及边界限制等条件来选择，只有合适的散热系统才能达到事半功倍的效果。
2 散热器制造工艺
散热器作为热管理系统中的核心零件，它的结构在一定程度上影响着散热系统的散热效率及效果，特别是散热片结构，无论是被动散热，还是主动散热，都离不开散热片。因此，散热器的制造工艺主要研究的是散热片的制造工艺、材料选用及表面处理方法等。
2．１ 制造工艺
（１）压固法。压固法是将散热金属透过机械压固方式制作成想要的散热片形体。此种作法的工艺简单、成本低廉，但散热效果有限（见图５）。
（２）挤型法。挤型法是将散热金属加热后，再以高压挤入预先设计好的模具，使其发生形变而成型的一种制造工艺。挤型法是目前最常用的散热片制造方法，散热效果优于压固法。注意的是铜金属因其本身的固有特性不易加工，故不能采用挤型法。此法多用在加工性、塑性较好的铝金属散热器上，因此，别名称为“铝挤”（见图６）。
（３）铸造法。铸造法是将散热金属高温加热至熔融状态，再注入到铸造模具中，经过保温、冷却后，形成散热片形体。此法制造成本较高，不宜小批量生产，适宜大批量生产，散热效果较好（见图７）。
（４）插片法。插片法属于两段成形法，它是分开制造散热器的底部与鳍部，再以粘接方式将底部与鳍部连接成形。此法能制造出较高的散热鳍，从而增加了散热表面积，提高了散热效果。不过，插片法必须使用热导性高的粘接剂，否则散热效果会大幅度下降。通常使用导热胶或焊锡作为粘接剂，近年来使用铝充填胶作为粘接剂，降低了制造成本（见图８）。
（５）折叠法。折叠法也属于两段成形法，它的鳍部是以金属片折叠而成，通过折叠来增加散热表面积，然后，再将鳍片以焊锡或铜焊接的方式与底相连。由于作法与插片法相近，因此，接合处的热传导性较受考验。但都具有较高的散热效率（见图９）。
（６）包胶法。此法为一体成型法，属于前述铸造法与插片法的有机融合，鳍部与底部分开制造，先将鳍部小部分置于模腔内，再浇入熔融导热金属形成底部，底部包裹鳍部，冷却后形成散热器。优点是消除了鳍片及底部材料的接口热阻，故热传导性高，同时分开制造使鳍片的高度增加，散热表面积增加，进而散热效率提高。缺点是成本比前述的铸造法高。
（７）锻造法。锻造法属于一体成型法，它是用极高的压力将散热金属敲入模腔内，从而形成散热片形体。还可区分为热锻与冷锻，技术上热锻较容易，冷锻较精密，并且冷锻而成的散热鳍片强度较高。总体来说，锻造法可制造出较长较高的散热鳍片，且与散热底部一体成型，散热效果较好（见图１０）。
（８）切削法。切削法也属于一体成型法，将散热金属块以刀具进行切削，切削出弧状鳍片，并保留底部不切削，如此便形成一个一体且单一材质的散热片，弧形鳍片散热性更佳。应注意的是，铜质散热金属不易加工，因此，切削法不适合铜金属加工；目前，切削法多用于铝质散热金属（见图１１）。
2．２ 材料选用及表面处理
2．２．１ 材料选用
从材料的导热性能来说，由高到低依次为银、铜、金、铝。其中金、银的价格昂贵，不适合大量使用；铜的导热性比铝好，但铜的密度比铝大且加工成形性差；铝的导热性良好、重量轻、比铜便宜且耐腐蚀、使用加工设备可以制作成各种复杂的形状。因此，铝被认为是制作散热器的最优材料。鉴于各材料的特点，结合汽车灯具的特点：质量轻、安全、可靠。散热系统推荐使用铜铝结合技术，外加主动散热。
2．２．２ 表面处理
通常散热器的表面颜色制成银色、黑色、金色及其他鲜艳的颜色，由于黑色的热辐射能力最强，在自然对流的条件下，黑色的散热器比银色的散热能力提高５％左右，而金色及其他鲜艳的颜色，散热能力增加极小，但对表面能起到保护作用。在强制冷却条件下，散热器表面颜色对散热性能没有太大影响。
对于汽车灯具的散热系统设计，采用上述哪种制造工艺，选用哪种材料及表面处理方式，需要根据汽车灯具所允许的占用空间及相关技术边界来综合拟定。
3 散热仿真
不可否认，近年来ＣＡＤ技术的飞速发展为工业设计带来了革命性的巨变，ＣＡＤ仿真技术的诞生提高了设计的可靠性，大幅度地减少了实验成本。
当然，不管项目多复杂或应用领域多广，无论是结构、热传导，还是声学分析，对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解的基本步骤是一样的，只是具体公式推导和运算求解不同。
散热器的设计优化与仿真软体，推荐使用Ｏｆｉｎ。Ｑｆｉｎ由Ｆｌｕｅｎｔ公司Ｉｃｅｐａｋ Ｔｅａｍ和Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ＡＴＴ）公司共同研制开发的设计和优化散热器的专业软件。Ｑｆｉｎ包含现今常用的多种类型散热器，材料和热源的模型库。用户可以调用或创建各种形状和类型的散热器或热源。它还提供了总体和局部等多种类型的边界条件。能够解决强迫对流，自然对流，辐射，定常和非定常等多种热物理模型。它还能够实现２Ｄ和３Ｄ的直观的后处理结构，提供数值报告。它使用简单、快速。用户入手快，方便实用。适于普遍推广。Qfin用户界面如图12。
灯具整灯的散热仿真同样遵循有限元分析的基本步骤，常用的汽车灯具散热仿真软体主要有：Ｆｌｏｈｔｅｍ、Ｉｃｅｐａｋ、ＥＦＤ、ＣＦＤｅｓｉｇｎ等。推荐使用ＥＦＤ，该软体比较适合于工程技术人员使用，不需要专门的流体力学背景，操作使用简便、可靠。EFD用户界面如图13。
ＥＦＤ散热分析遵循的步骤见图１4。
4 结语
汽车灯具的散热问题是未来新兴光源被采用所必须面对的一个重要课题，除本文介绍的一些散热管理系统核心零件的制造工艺与仿真技术外，相信未来还会有基于灯具散热管理系统的新技术被发明出来，期待更先进的散热管理系统问世，为汽车灯具的热管理保驾护航，为汽车驾驶者及其他道路使用者带来更光明、更安全的汽车照明产品。
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参考文献
１ 彭胜钦，莫新明．ＬＥＤ汽车灯具设计技术研究［Ｊ］．科技创新导报，２０１０（１４）
２ 陈永当，任慧娟，武欣竹．基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ的有限元分析方法［Ｊ］．ＣＡＤ／ＣＡＭ与制造业信息化，２０１１（９）
３ 张志辉，全建辉，陈效华．基于三维软体技术的全ｌｅｄ红外灯散热设计与仿真［Ｊ］．科技创业月刊，２０１２（７）
（责任编辑 何 丽）