LED飞机着陆灯集成智能结构设计与热分析

宋常青 刘东静 陈帅阳 陈志明 张可松

（桂林电子科技大学机电工程学院 广西壮族自治区桂林市 541004）

飞机照明是照明技术在航空飞行技术上的一个重要分支，各时期的飞机照明技术在一定程度上反映照明技术的特点，尤其是核心技术照明光源的发展。飞机照明光源经历长期的发展历程，1908年最初的飞机照明是钨丝灯，寿命约1000h，发光效率10-20lm/W；
1960年卤素灯慢慢应用于飞机照明系统，寿命约2000h，发光效率20-33lm/W；
1991年后第三代光源HID（高压疝气灯）开始应用于飞机照明系统，寿命约3000h，发光效率达80-100lm/W，具有很好的抗振动性能，成为飞机着陆灯、滑行灯、跑道转弯灯、标志灯等高光强的外部照明灯具的通用光源。然而在工作的过程中，HID采用的是高压气体放电发光，因此对光源、供电电缆和驱动电源等都要求较高，功率效率只有约40%，大部分电能转换为热辐射和紫外辐射。外部照明光源HID作为着陆灯或滑行灯时存在照度均匀性不一致的问题，灯具结构复杂，需要安装多个灯具来实现着陆功能[1]。随着照明技术的发展，第四代半导体光源LED(Light Emitting Diode)具有电压驱动低、发光效率高、显色性好、色度可调、体积小便于集成、寿命长等优点，成为先进飞机照明技术的趋势。

但LED在发展和应用过程中，也面临诸多问题。如发光效率显色性能和散热问题等。随着LED功率的不断增大，其热效应问题严重影响LED的寿命。针对LED的热效应难题，清华大学集成光电子国家重点实验室罗毅课题组针对LED灯具提出三维自由光学曲面将光线高效、均匀投射到被照明区域，线性扩展的光源模组拓扑结构可以增强总光通量，具有LED体积小、可调控光线行为的优势，同时提高照明均匀性和光能利用率，一定程度上解决LED热效应问题[2]。徐国强等[3]设计一种Y形冷板结构并对其进行散热仿真分析，研究表明该结构具有更高的散热效率和换热性能，以及更低的出入口压降，在提高LED发光功率的同时增加散热，减小热效应对器件的损坏。在封装结构上，研究者采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微泵浦结构等。

Chander[4]等提出一种高效节能的冷却异构芯片电源散热方式，通过嵌入式微结构使得热源的传热稳定，具有良好的散热效果。Deborah[5]等设计出一种树枝状的微通道结构冷板作为芯片热源的散热器，该结构在相同泵功率和散热片表面积下，具有更好的均温性，减小热效应对LED芯片的损坏。袁柳林等[6]为解决LED的高热量问题，提出了一种交错通道结构，通过仿真实验发现该结构可以降低内部流动阻力，具有较好的散热能力，芯片之间的温差也较小。万忠民等[7]提出了一种新型的多孔微通道，热流密度高达200w/cm2，其表面的最高温度竟可以小于56℃，延长了LED使用寿命。Zhang等[8]提出了一种新型的S式冷板结构，在相同流速下，通过增加传热面积的方式，避免了热量集中，使热源的最高温度比螺旋形低12C，而且针对同一-热源，该新型冷板的散热效率提高了40%。Ali等[8]研究了纳米流体在小通道散热器中的导热性，通过将Al2O3纳米颗粒放到冷却液中，发现导热率可以提高11.98%。而将TiO2纳米颗粒放到冷却液中，导热率提高了9.97%，热效果最好。Xiao 等[9]提出了一种多组合散热方式，即通过热管和风扇的组合进行冷却，基板温度仅为25℃。通过实验表明了系统冷却的LED功率为120W，而冷却系统总功耗仅为1.58W。田立新等[10]探讨传热能力和流动阻力在不同结构冷板的特点，基于场协同原理对其换热功效进行评估，发现30°直翅片热沉LED最高结温最低。李红传等[11]构造一种用于实现大功率LED散热的多通道回路热管散热器，分别研究固液比、加热功率及倾角对散热器的影响，结果表明该散热器均温性良好，功率200W对应的最高温度不超过72℃并且翅片倾角对热管散热器均温性作用很小，有效的降低了LED的热量。郭利[12]采取仿生智能优化算法，以翅片尺寸和壁厚对散热影响为因变量，使LED散热器的均温性得到改善。通过对LED在工作时所产生的热效应问题，针对本文LED飞机着陆灯集成智能设计，散热器结构综合整体结构布局采用螺旋太阳花结构，将LED芯片所产生的热量通过扇叶实现最大效果的扩散，从而满足其智能设计的要求。

本装置设计主要由LED光源、测速装置、传感器、控制器、散热器、反光杯和光学透镜等部分组成，其整体结构示意图如图1所示，通过分析 LED飞机着陆时的性能要求，对飞机安全着陆时LED光源进行结构设计，方案如下：通过速度传感器测试飞机着陆时速度的大小，依据滑行的距离和路况，调节着陆、滑行、弯道滑行不同功能要求来控制LED的频闪快慢，起到警示作用；
通过控制LED光源串并混连的方式点亮光源，设计过程中采用非成像方法设计透镜或反光杯的光学结构来保证照度均匀性；
散热器的结构设计采用螺旋太阳花结构，由中心圆台和周围散热扇叶以及在圆台上的LED芯片组成，总体结构呈轴对称关系，飞机着陆灯在释放光源的同时，其热量通过中心圆台传递到周围的扇叶上进行扩散，该散热器结构在尽量减小结构体积的前提下实现增大散热面积的效果，从而保证飞机着陆滑行、弯道滑行时产生的热量最大通道的散热。

图1：LED飞机尾灯集成智能结构设计图

散热器中扇叶呈曲面弯曲状，合理利用热量流通方式，其散热扇叶的尺寸和数量以及间隔根据整体LED飞机着陆灯结构尺寸优化设计，有效地减小LED飞机着陆灯在工作时所受的热应力，从而增大其散热面积，延长使用寿命，为整体智能结构设计提供帮助。

在对LED飞机尾灯智能设计之后，需对其散热结构进行热学仿真。通过优化设计，增加LED着陆灯的散热性能。

2.1 LED着陆灯稳态热分析过程

LED着陆灯在使用中会逐渐升温最后达到热稳定状态，因此本次的热仿真过程中只考虑稳态情况，对LED着陆灯进行稳态分析。分析过程主要分为：前处理模块，求解模块和后处理及结果分析模块。

2.1.1 模型建立

LED着陆灯模型结构如图2所示。在SolidWorks中建立LED着陆灯模型，先分析LED着陆灯模型的各个部件的基本特征，从着陆灯模型底座建模。考虑到散热的均匀性，LED芯片固定在散热器底座中间位置。

图2：LED飞机着陆灯模型

芯片尺寸为10mm×2mm；
散热器中心底座直径为42mm，高度为10mm，散热扇片为18，扇叶间距20mm，厚度为1mm。

2.1.2 加载过程

LED飞机着陆灯芯片材料为Si，底座和扇叶材料为Cu。网格划分采用自由网格划分。

施加载荷边界，在LED热分析中，主要考虑热对流传热方式。仿真中所用到的模型为10W型的LED，LED芯片为此结构主要热源，基于此飞机着陆灯LED的电热转换率，此处取值80%，计算芯片施加的生热载荷为Q=P/V=10/(10×10-3×10×10-3×2×10-3×80%=4×107W/mm3·℃，即为中心热源施加在LED芯片之上，周围环境温度设置为25℃，基板周围面的对流换热系数取值10W/mm2·℃。

2.2 结果分析

利用ANSYS稳态进行热分析，计算结构的最高温度点和温度分布情况。LED飞机着陆灯芯片温度场分布仿真结果如图3所示，由此可知，最高结温处在芯片中心位置，温度为52.574℃。图4为LED飞机着陆灯整体温度场分布，热量由芯片中心向外均匀扩散。依照美国能源之星标准灯具最高温度要求是85℃，且LED灯的节点温度必须控制在110度以下，才能保证LED正常工作。由此可见，该LED飞机着陆灯散热结构满足结构设计要求。

图3：LED飞机着陆灯芯片温度场分布

图4：LED飞机着陆灯芯片温度场分布

针对飞机外部照明光源作为着陆灯时要求照度均匀性高和结构设计要求轻巧的特点，本文提出一种LED飞机着陆灯集成智能结构设计。该装置有LED光源、测速装置、传感器、控制器、散热器、发光杯和光学透镜组成。该散热器的设计结构为螺旋太阳花形式，散热器中心底座直径为42mm，高度为10mm，散热扇片为18，扇叶间距20mm，厚度为1mm。仿真得到最高芯片中心位置温度结温为52.574℃，满足LED飞机着陆灯的散热需求。

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