李祥兵　吳小兵　王春才　肖義武

摘 要：散熱一直是制約LED在車燈領(lǐng)域全面推廣的關(guān)鍵技術(shù)。采用風(fēng)扇模型來(lái)進(jìn)行主動(dòng)散熱，對(duì)提高LED可靠性具有重要作用。結(jié)合當(dāng)前LED散熱風(fēng)扇模型出現(xiàn)的噪聲等問(wèn)題，對(duì)LED散熱的風(fēng)扇模型產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行了深入研究，這對(duì)后期LED采用主動(dòng)散熱具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：LED；主動(dòng)散熱；風(fēng)扇模型；減噪

中圖分類號(hào)：TM 711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2016）06-0044-05

Abstract： thermal dissipation is always considered as the bottle-neck issue for the widespread promotion of LED technology on vehicle lamps. The active cooling with fan is always of great significance to improve the feasibility of LED. By presenting and analyzing the noise caused by fan which used on LED cooling， it is deeply investigated the measures for de-noising. The measures and proposals will be of great significance for active cooling research in the future.

Key Words： LED； Active cooling； Fan model； De-noising

前 言

在當(dāng)前神龍公司燈具開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，LED（發(fā)光二極管）光源的運(yùn)用正越來(lái)越廣泛。而對(duì)大功率LED運(yùn)用于前大燈的近遠(yuǎn)光功能，由于LED模塊本身耐熱方面的技術(shù)瓶頸，目前也只是在個(gè)別車型剛開(kāi)始嘗試。

LED本身是一種直接將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的器件，它可以直接將電能轉(zhuǎn)化為光能。根據(jù)光與功率之間的當(dāng)量關(guān)系，Km =683lm/w，也就是說(shuō)1W的輻通量在最理想的情況下（黑體輻射）可能產(chǎn)生683lm的光通量，所以，即使LED的光效達(dá)到當(dāng)前預(yù)期的200lm/W，也不能將全部的能量轉(zhuǎn)換為光能輸出，其余大部分都轉(zhuǎn)化成了熱能。從比較權(quán)威的數(shù)據(jù)來(lái)看，LED在輸入電能后，只有約15%到20%的能量轉(zhuǎn)換為光能，而其余多達(dá)80%以上的能量都轉(zhuǎn)化成了熱能。因此，從LED的能量轉(zhuǎn)化模式來(lái)看，LED燈具的散熱問(wèn)題將是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。

通常，對(duì)于小功率的LED（1W以下），其發(fā)熱問(wèn)題并不嚴(yán)重，一般采用普通的封裝結(jié)構(gòu)和材料即可保證正常使用。從汽車LED光源的失效模式來(lái)看，LED光衰導(dǎo)致失效的可能性很大，而這一問(wèn)題的根本解決，需要從LED的散熱方面著手。過(guò)高的熱量會(huì)使 LED 的結(jié)溫升高，產(chǎn)品壽命、亮度、穩(wěn)定性等下降，如果散熱解決不好，會(huì)導(dǎo)致LED產(chǎn)品迅速老化、失效。因此，LED 照明產(chǎn)品廣泛推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一就是散熱技術(shù)。LED散熱技術(shù)中，采用被動(dòng)散熱（如翅片技術(shù)、NTC（熱敏電阻）電路等）的方式較多，而對(duì)于汽車近遠(yuǎn)光這種大功率的高發(fā)熱電路，需要借助外界手段來(lái)實(shí)現(xiàn)有效散熱。

本文從LED的驅(qū)動(dòng)電路板（PCB）的主動(dòng)散熱角度，探索了LED光源采用風(fēng)扇模型散熱時(shí)，對(duì)風(fēng)扇的葉片進(jìn)行優(yōu)化的可能性，基于此建立了相關(guān)模型并完成了相關(guān)的分析工作。

1 LED主動(dòng)散熱現(xiàn)狀分析

車燈LED主動(dòng)散熱模塊中，強(qiáng)制風(fēng)冷是散熱的主要形式，而軸流風(fēng)扇是電子器件熱設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部件。隨著LED電子器件功率和發(fā)熱量的不斷增加，冷卻風(fēng)扇的功率、轉(zhuǎn)速及葉片尺寸也大幅增大，其運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流動(dòng)損失和氣動(dòng)噪聲問(wèn)題也隨之凸顯。為了減小流動(dòng)損失，降低風(fēng)扇噪聲，傳統(tǒng)研究主要從葉面造型、改變?nèi)~片排列方式入手，盡管取得了相當(dāng)?shù)某尚?，但仍然不能很好地解決氣流粘性引起的摩擦損失、附面層分離引起的渦流損失及旋渦與分離流引起的損失，對(duì)于葉片表面湍流邊界層或流動(dòng)分離形成的尾跡噪聲也不能有效控制。因此，針對(duì)葉片表面邊界層流場(chǎng)開(kāi)展電子器件冷卻風(fēng)扇的減阻降噪研究，對(duì)于減小風(fēng)扇能耗、改善工作環(huán)境具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

現(xiàn)有的研究成果中，吉林大學(xué)趙要珍對(duì)裸扇情況下通過(guò)改變?nèi)~片夾角來(lái)研究葉片不等夾角布置對(duì)風(fēng)扇性能的影響，在綜合考慮了風(fēng)扇流量和噪聲的前提下，得出了四葉片夾角的最佳布置為 70°110°-70°-110°。但這僅限于裸扇的情況，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮周圍環(huán)境的影響。

綜合前人的很多研究可以明確，采用葉片圓周上的不等間隔分布，能夠降低風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)噪聲，但風(fēng)扇噪聲的總能量沒(méi)有減少，只是使噪聲能量的頻譜分布發(fā)生了改變，即在葉片通過(guò)頻率及其諧波頻率上，噪聲能量有所減少，但在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速整數(shù)倍的次諧波頻率上，噪聲能量有所增加。采用葉片不等間隔分布，是將原來(lái)集中在通過(guò)頻率上的噪聲能量分散一部分到次諧波頻率上，這樣噪聲總能量在較寬的頻帶上被平分，削減了噪聲的峰值，從而降低了噪聲。同時(shí)，頻譜結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，噪聲能量的結(jié)構(gòu)從高頻轉(zhuǎn)向低頻，A計(jì)權(quán)聲級(jí)下降。只要葉片布置不是嚴(yán)重的不等間隔，那么葉片圓周不等間隔布置不會(huì)明顯地影響風(fēng)扇效率和風(fēng)量。

2 風(fēng)扇噪聲的影響因素分析

風(fēng)扇噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成。旋轉(zhuǎn)噪聲主要是旋轉(zhuǎn)葉片周期性擾動(dòng)氣體引起空氣的壓力脈動(dòng)而發(fā)出的噪聲。渦流噪聲是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)使周圍的空氣產(chǎn)生渦流。這些渦流由于粘滯力的作用，又會(huì)分裂成一系列的小渦流。渦流和渦流的分裂會(huì)使空氣發(fā)生擾動(dòng)，形成壓力波動(dòng)，從而激發(fā)出噪聲。渦流噪聲一般是寬頻帶噪聲，當(dāng)其振動(dòng)頻率與葉片的固有頻率接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)共振，使得噪聲增加。

風(fēng)扇本身結(jié)構(gòu)影響其噪聲的主要因素有：風(fēng)扇的葉片形狀、葉片材料、葉片數(shù)、風(fēng)扇的輪轂比、葉片安裝角口、葉片間夾角、葉片布置的平衡等。

風(fēng)扇安裝條件對(duì)風(fēng)扇性能的影響也較大。如風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩之間的徑向間隙，風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩、散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向間隙等，對(duì)風(fēng)扇的噪聲、性能都有較大影響。

3 一種新型的LED冷卻風(fēng)扇降噪策略

從公式（1）、（2）、（3）分析，在通常情況下，優(yōu)化風(fēng)扇噪聲采取的措施有：

3.1 選擇合理的風(fēng)扇設(shè)計(jì)參數(shù)

主要包括：風(fēng)扇風(fēng)量 Va 分別與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 n 和風(fēng)扇直徑 D3 成正比；在滿足熱平衡的前提下，盡量降低風(fēng)扇的風(fēng)量；風(fēng)扇直徑：風(fēng)扇風(fēng)量分別與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 n 和風(fēng)扇直徑 D3成正比.而風(fēng)扇噪聲升壓級(jí) Lp 與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 n6 和風(fēng)扇直徑 D8 成正比，即：

， 。所以，當(dāng)風(fēng)扇風(fēng)量一定時(shí)，盡可能取較大直徑和低轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇，以便于降噪。

3.2 風(fēng)扇最高轉(zhuǎn)速的確定

風(fēng)扇的風(fēng)量、風(fēng)壓分別與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的一次方、二次方成正比，因此風(fēng)扇轉(zhuǎn)速首先要滿足風(fēng)量和風(fēng)壓的需求。風(fēng)扇風(fēng)量按照所需風(fēng)量最大值計(jì)算，所需風(fēng)壓P = Dpn+DP1 ，其中Dpn為散熱器的阻力；DP1為除散熱器外所有的阻力。風(fēng)扇的噪聲主要由風(fēng)扇的葉尖切割擾動(dòng)氣流產(chǎn)生，所以風(fēng)扇葉片頂部的圓周速度對(duì)噪聲的影響十分大，最好控制在70 m/s以下，最高不能超過(guò)120m/s；風(fēng)扇外徑處的圓周速度πnD22 / 60，因此，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速最大不可超過(guò) 60.70/（πD22 ） 。

3.3 設(shè)計(jì)高效率低噪聲的風(fēng)扇

風(fēng)扇葉片的形狀確定：常見(jiàn)的剛性葉片風(fēng)扇有以下幾種形式，如圖1：

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

從圖2可以看出，選擇前掠型風(fēng)扇，其實(shí)際噪聲較小，風(fēng)量較大；選擇風(fēng)扇護(hù)風(fēng)圈的直徑D=120mm（依據(jù)神龍公司現(xiàn)開(kāi)發(fā)的某款車型的LED大燈實(shí)際尺寸確定），葉片直徑d1=115mm，輪轂直徑 d2=77mm。對(duì)同一類型的風(fēng)扇，采用柔性吸力面葉片表面、柔性壓力面葉片表面、雙柔性面葉片表面（在相應(yīng)的表面貼上一層光滑的柔性薄膜）做成B、C、D三只風(fēng)扇，原型風(fēng)扇定義為A。整車通常能提供的電壓V=13.5V下測(cè)量數(shù)據(jù)，得出壓力和流量的曲線、流量和靜壓效率的曲線、流量和全壓效率的曲線。同一個(gè)風(fēng)扇在葉片上分別設(shè)置四種不同表面的試驗(yàn)風(fēng)扇模型。風(fēng)扇表面形成防柔性表面后效果圖以及局部細(xì)節(jié)圖如圖3：

在整車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)所提供的13.5V 電壓模式下風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果為：轉(zhuǎn)速 n=2670 r/min；扣除轉(zhuǎn)速浮動(dòng)的部分，各電壓下都取平均轉(zhuǎn)速。計(jì)算風(fēng)扇各電壓下葉片最小線速度和最大線速度如下：

風(fēng)扇葉片在13.5V 電壓下葉片線速度范圍為：13.7～20.5m/s。

經(jīng)查相應(yīng)的專業(yè)數(shù)據(jù)可知，在風(fēng)速為10～17m/s 的范圍內(nèi)，具有最佳減阻效果的仿生柔性表面的厚度為0.6mm。而13.5V 電壓下，風(fēng)扇葉片線速度范圍為13.7～20.5m/s，雖然速度上限已經(jīng)超出17m/s，但是超出的幅度不大，實(shí)驗(yàn)可以繼續(xù)進(jìn)行。圖4是根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)得出的壓力和流量對(duì)比曲線。

A、B、C、D 四種風(fēng)扇流量和全壓效率曲線圖，如圖6所示。A 風(fēng)扇最大全壓效率為 55.94%，B 風(fēng)扇最大靜壓效率為61.55%，C風(fēng)扇最大全壓效率為60.64%，D 風(fēng)扇最大全壓效率為59.54%。B、C、D 三種柔性表面的風(fēng)扇全壓效率相對(duì)于A剛性表面的風(fēng)扇最大全壓效率，B風(fēng)扇全壓效率最大提高5.61%，C 風(fēng)扇全壓效率最大提高4.7%，D 風(fēng)扇全壓效率最大提高 3.6%。

如圖7所示，四種風(fēng)扇最大噪聲值出現(xiàn)在頻率31.5Hz處，A風(fēng)扇最大聲壓級(jí)為63.7dB，B風(fēng)扇最大聲壓級(jí)61.5dB，C風(fēng)扇最大聲壓級(jí)62.08dB，D風(fēng)扇最大聲壓級(jí)61.69dB。次最大噪聲值出現(xiàn)在250Hz 處，噪聲峰值也都集中在頻率20～1000Hz 之間，風(fēng)扇噪聲屬于中低頻噪聲。

相對(duì)于原型A風(fēng)扇，三種仿生柔性表面的風(fēng)扇也都出現(xiàn)了不同幅度的降噪效果，其中B風(fēng)扇峰值噪聲最大降低2.2dB，C風(fēng)扇峰值噪聲最大降低1.62dB，D風(fēng)扇峰值噪聲最大降低2.01dB?？偟膩?lái)看，在電壓為13.5V時(shí)，仿生柔性表面的三種風(fēng)扇同樣起到了降噪效果，其中B風(fēng)扇降噪效果為最佳，D風(fēng)扇也起到較好的降噪效果，C風(fēng)扇降噪效果較B、D兩種風(fēng)扇稍差。

5 結(jié)果分析

在13.5V電壓模式下，分別對(duì)A、B、C、D 共四個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行了試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相對(duì)于剛性葉片表面的A風(fēng)扇，另外三種具有仿生柔性葉片表面的B、C、D風(fēng)扇，無(wú)論是PQ（壓力-流量性能）性能曲線、靜壓效率以及全壓效率，都得到了不同程度的提高，三種風(fēng)扇提高的幅度為 B>C>D。這說(shuō)明，具有仿柔性葉片表面的風(fēng)扇相對(duì)于原型風(fēng)扇具有減小阻力、提高效率的作用，而葉片吸力面柔性表面的風(fēng)扇減阻增效的作用好于葉片吸力面和壓力面都是仿柔性表面的風(fēng)扇，葉片吸力面和壓力面都是仿生柔性表面的風(fēng)扇減阻增效的作用，又好于葉片壓力面仿生柔性表面的風(fēng)扇。

6 結(jié)論

在13.5V電壓模式下，完成了風(fēng)扇參數(shù)性能試驗(yàn)和風(fēng)扇噪聲性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，具有仿生柔性的葉片表面能夠減小阻力，增加風(fēng)扇的效率，同時(shí)風(fēng)扇的噪聲在中低頻率范圍內(nèi)得到了有效控制。其中在葉片吸力面設(shè)置仿生柔性表面各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)最好，其次是葉片雙面都設(shè)置仿生柔性表面，最差是在葉片壓力面設(shè)置仿生柔性表面。

噪聲是風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)一個(gè)很重要的特征，這種特征是不可避免的，但是應(yīng)盡力抑制。風(fēng)扇噪聲是指導(dǎo)風(fēng)扇設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)風(fēng)扇綜合性能、風(fēng)扇選型匹配的一個(gè)重要的參考指標(biāo)。風(fēng)扇在一定的工況下運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的噪聲主要包括氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲。對(duì)于一般的LED冷卻風(fēng)扇而言，風(fēng)扇主體部分都是一次澆筑成型，制造裝配精度比較高，采用的電機(jī)都是小型電機(jī)，機(jī)械噪聲和電磁噪聲比較小。

在LED散熱方面，由于國(guó)內(nèi)LED風(fēng)扇散熱的技術(shù)瓶頸，風(fēng)扇的噪聲水平一直較大，因而風(fēng)扇很多都是通過(guò)國(guó)外直接采購(gòu)獲得，成本較高，整個(gè)LED的模組的成本非常昂貴。若采用柔性表面（吸力表面和吸、壓力表面），對(duì)提高LED的散熱效果和抑制噪聲顯然是很顯著的，這對(duì)后期LED主動(dòng)散熱方面的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。

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