宋常青 劉東靜 陳帥陽 陳志明 張可松

（桂林電子科技大學機電工程學院 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004）

飛機照明是照明技術(shù)在航空飛行技術(shù)上的一個重要分支，各時期的飛機照明技術(shù)在一定程度上反映照明技術(shù)的特點，尤其是核心技術(shù)照明光源的發(fā)展。飛機照明光源經(jīng)歷長期的發(fā)展歷程，1908年最初的飛機照明是鎢絲燈，壽命約1000h，發(fā)光效率10-20lm/W；1960年鹵素燈慢慢應用于飛機照明系統(tǒng)，壽命約2000h，發(fā)光效率20-33lm/W；1991年后第三代光源HID（高壓疝氣燈）開始應用于飛機照明系統(tǒng)，壽命約3000h，發(fā)光效率達80-100lm/W，具有很好的抗振動性能，成為飛機著陸燈、滑行燈、跑道轉(zhuǎn)彎燈、標志燈等高光強的外部照明燈具的通用光源。然而在工作的過程中，HID采用的是高壓氣體放電發(fā)光，因此對光源、供電電纜和驅(qū)動電源等都要求較高，功率效率只有約40%，大部分電能轉(zhuǎn)換為熱輻射和紫外輻射。外部照明光源HID作為著陸燈或滑行燈時存在照度均勻性不一致的問題，燈具結(jié)構(gòu)復雜，需要安裝多個燈具來實現(xiàn)著陸功能[1]。隨著照明技術(shù)的發(fā)展，第四代半導體光源LED(Light Emitting Diode)具有電壓驅(qū)動低、發(fā)光效率高、顯色性好、色度可調(diào)、體積小便于集成、壽命長等優(yōu)點，成為先進飛機照明技術(shù)的趨勢。

但LED在發(fā)展和應用過程中，也面臨諸多問題。如發(fā)光效率顯色性能和散熱問題等。隨著LED功率的不斷增大，其熱效應問題嚴重影響LED的壽命。針對LED的熱效應難題，清華大學集成光電子國家重點實驗室羅毅課題組針對LED燈具提出三維自由光學曲面將光線高效、均勻投射到被照明區(qū)域，線性擴展的光源模組拓撲結(jié)構(gòu)可以增強總光通量，具有LED體積小、可調(diào)控光線行為的優(yōu)勢，同時提高照明均勻性和光能利用率，一定程度上解決LED熱效應問題[2]。徐國強等[3]設(shè)計一種Y形冷板結(jié)構(gòu)并對其進行散熱仿真分析，研究表明該結(jié)構(gòu)具有更高的散熱效率和換熱性能，以及更低的出入口壓降，在提高LED發(fā)光功率的同時增加散熱，減小熱效應對器件的損壞。在封裝結(jié)構(gòu)上，研究者采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)、導熱槽結(jié)構(gòu)、微泵浦結(jié)構(gòu)等。

Chander[4]等提出一種高效節(jié)能的冷卻異構(gòu)芯片電源散熱方式，通過嵌入式微結(jié)構(gòu)使得熱源的傳熱穩(wěn)定，具有良好的散熱效果。Deborah[5]等設(shè)計出一種樹枝狀的微通道結(jié)構(gòu)冷板作為芯片熱源的散熱器，該結(jié)構(gòu)在相同泵功率和散熱片表面積下，具有更好的均溫性，減小熱效應對LED芯片的損壞。袁柳林等[6]為解決LED的高熱量問題，提出了一種交錯通道結(jié)構(gòu)，通過仿真實驗發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)可以降低內(nèi)部流動阻力，具有較好的散熱能力，芯片之間的溫差也較小。萬忠民等[7]提出了一種新型的多孔微通道，熱流密度高達200w/cm2，其表面的最高溫度竟可以小于56℃，延長了LED使用壽命。Zhang等[8]提出了一種新型的S式冷板結(jié)構(gòu)，在相同流速下，通過增加傳熱面積的方式，避免了熱量集中，使熱源的最高溫度比螺旋形低12C，而且針對同一-熱源，該新型冷板的散熱效率提高了40%。Ali等[8]研究了納米流體在小通道散熱器中的導熱性，通過將Al2O3納米顆粒放到冷卻液中，發(fā)現(xiàn)導熱率可以提高11.98%。而將TiO2納米顆粒放到冷卻液中，導熱率提高了9.97%，熱效果最好。Xiao 等[9]提出了一種多組合散熱方式，即通過熱管和風扇的組合進行冷卻，基板溫度僅為25℃。通過實驗表明了系統(tǒng)冷卻的LED功率為120W，而冷卻系統(tǒng)總功耗僅為1.58W。田立新等[10]探討傳熱能力和流動阻力在不同結(jié)構(gòu)冷板的特點，基于場協(xié)同原理對其換熱功效進行評估，發(fā)現(xiàn)30°直翅片熱沉LED最高結(jié)溫最低。李紅傳等[11]構(gòu)造一種用于實現(xiàn)大功率LED散熱的多通道回路熱管散熱器，分別研究固液比、加熱功率及傾角對散熱器的影響，結(jié)果表明該散熱器均溫性良好，功率200W對應的最高溫度不超過72℃并且翅片傾角對熱管散熱器均溫性作用很小，有效的降低了LED的熱量。郭利[12]采取仿生智能優(yōu)化算法，以翅片尺寸和壁厚對散熱影響為因變量，使LED散熱器的均溫性得到改善。通過對LED在工作時所產(chǎn)生的熱效應問題，針對本文LED飛機著陸燈集成智能設(shè)計，散熱器結(jié)構(gòu)綜合整體結(jié)構(gòu)布局采用螺旋太陽花結(jié)構(gòu)，將LED芯片所產(chǎn)生的熱量通過扇葉實現(xiàn)最大效果的擴散，從而滿足其智能設(shè)計的要求。

1 LED飛機尾燈智能結(jié)構(gòu)設(shè)計組成

本裝置設(shè)計主要由LED光源、測速裝置、傳感器、控制器、散熱器、反光杯和光學透鏡等部分組成，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，通過分析 LED飛機著陸時的性能要求，對飛機安全著陸時LED光源進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，方案如下：通過速度傳感器測試飛機著陸時速度的大小，依據(jù)滑行的距離和路況，調(diào)節(jié)著陸、滑行、彎道滑行不同功能要求來控制LED的頻閃快慢，起到警示作用；通過控制LED光源串并混連的方式點亮光源，設(shè)計過程中采用非成像方法設(shè)計透鏡或反光杯的光學結(jié)構(gòu)來保證照度均勻性；散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用螺旋太陽花結(jié)構(gòu)，由中心圓臺和周圍散熱扇葉以及在圓臺上的LED芯片組成，總體結(jié)構(gòu)呈軸對稱關(guān)系，飛機著陸燈在釋放光源的同時，其熱量通過中心圓臺傳遞到周圍的扇葉上進行擴散，該散熱器結(jié)構(gòu)在盡量減小結(jié)構(gòu)體積的前提下實現(xiàn)增大散熱面積的效果，從而保證飛機著陸滑行、彎道滑行時產(chǎn)生的熱量最大通道的散熱。

圖1：LED飛機尾燈集成智能結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

散熱器中扇葉呈曲面彎曲狀，合理利用熱量流通方式，其散熱扇葉的尺寸和數(shù)量以及間隔根據(jù)整體LED飛機著陸燈結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計，有效地減小LED飛機著陸燈在工作時所受的熱應力，從而增大其散熱面積，延長使用壽命，為整體智能結(jié)構(gòu)設(shè)計提供幫助。

2 LED飛機著陸燈散熱結(jié)構(gòu)仿真分析

在對LED飛機尾燈智能設(shè)計之后，需對其散熱結(jié)構(gòu)進行熱學仿真。通過優(yōu)化設(shè)計，增加LED著陸燈的散熱性能。

2.1 LED著陸燈穩(wěn)態(tài)熱分析過程

LED著陸燈在使用中會逐漸升溫最后達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，因此本次的熱仿真過程中只考慮穩(wěn)態(tài)情況，對LED著陸燈進行穩(wěn)態(tài)分析。分析過程主要分為：前處理模塊，求解模塊和后處理及結(jié)果分析模塊。

2.1.1 模型建立

LED著陸燈模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。在SolidWorks中建立LED著陸燈模型，先分析LED著陸燈模型的各個部件的基本特征，從著陸燈模型底座建模?？紤]到散熱的均勻性，LED芯片固定在散熱器底座中間位置。

圖2：LED飛機著陸燈模型

芯片尺寸為10mm×2mm；散熱器中心底座直徑為42mm，高度為10mm，散熱扇片為18，扇葉間距20mm，厚度為1mm。

2.1.2 加載過程

LED飛機著陸燈芯片材料為Si，底座和扇葉材料為Cu。網(wǎng)格劃分采用自由網(wǎng)格劃分。

施加載荷邊界，在LED熱分析中，主要考慮熱對流傳熱方式。仿真中所用到的模型為10W型的LED，LED芯片為此結(jié)構(gòu)主要熱源，基于此飛機著陸燈LED的電熱轉(zhuǎn)換率，此處取值80%，計算芯片施加的生熱載荷為Q=P/V=10/(10×10-3×10×10-3×2×10-3×80%=4×107W/mm3·℃，即為中心熱源施加在LED芯片之上，周圍環(huán)境溫度設(shè)置為25℃，基板周圍面的對流換熱系數(shù)取值10W/mm2·℃。

2.2 結(jié)果分析

利用ANSYS穩(wěn)態(tài)進行熱分析，計算結(jié)構(gòu)的最高溫度點和溫度分布情況。LED飛機著陸燈芯片溫度場分布仿真結(jié)果如圖3所示，由此可知，最高結(jié)溫處在芯片中心位置，溫度為52.574℃。圖4為LED飛機著陸燈整體溫度場分布，熱量由芯片中心向外均勻擴散。依照美國能源之星標準燈具最高溫度要求是85℃，且LED燈的節(jié)點溫度必須控制在110度以下，才能保證LED正常工作。由此可見，該LED飛機著陸燈散熱結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

圖3：LED飛機著陸燈芯片溫度場分布

圖4：LED飛機著陸燈芯片溫度場分布

3 結(jié)論

針對飛機外部照明光源作為著陸燈時要求照度均勻性高和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求輕巧的特點，本文提出一種LED飛機著陸燈集成智能結(jié)構(gòu)設(shè)計。該裝置有LED光源、測速裝置、傳感器、控制器、散熱器、發(fā)光杯和光學透鏡組成。該散熱器的設(shè)計結(jié)構(gòu)為螺旋太陽花形式，散熱器中心底座直徑為42mm，高度為10mm，散熱扇片為18，扇葉間距20mm，厚度為1mm。仿真得到最高芯片中心位置溫度結(jié)溫為52.574℃，滿足LED飛機著陸燈的散熱需求。