CN112628687B - 一种基于3d打印的车用led灯及其液冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印的车用LED灯及其液冷系统，用于车用LED灯，涉及车用LED照明领域，其目的在于提供一种基于3D打印的车用LED灯及其液冷系统。该散热器包括壳体，壳体上开设有注液口和出液口，壳体内设置有中间射流板，中间射流板将壳体内腔分割为微喷高压进液区、换热区，换热区包括微喷冷却腔、多孔介质散热通道，微喷高压进液区、多孔介质散热通道均与注液口连通，微喷高压进液区通过中间射流板上的微喷小孔与微喷冷却腔连通，微喷冷却腔、多孔介质散热通道、出液口依次连通。该散热器显著提高车用LED灯的散热效率，提高车体前照灯的使用寿命。
Description
技术领域
一种基于3D打印的车用LED灯及其液冷系统，涉及LED照明的散热技术领域，用于车用LED灯的照明。
背景技术
LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。随着LED技术逐渐成熟，它的节能、成本低、寿命超长、耐用性好、元件体积小、响应速度快、亮度衰减低等优点开始引人注意。因此，LED灯具在各行各业的应用也越来越广泛。在汽车行业，LED在车内照明和刹车灯、应急灯、日行灯等方面的应用已经起得了显著的成效，LED在整车内外部照明光源的比重已经超过了80％。
目前传统的LED前照灯包括LED光源模块、反光杯、光源透镜、散热器等配件。LED光源模块和散热器通过连接件紧密相贴，并固定在反光杯的底部。光源透镜通过连接件固定在反光杯的前端。传统的生产方式是由工人进行流水线作业，将各个配件组装成灯具。由于工序较多，这样不仅使得生产效率偏低，还会浪费高昂的人力成本。同时，由于工人技术水平参差不齐，会使得产品的质量很难保证。返修率也会大大提高。这也在无形当中增加了企业的生产成本，因此，为了减少工序，将主要配件加工成一体化也越来越应用广泛。
LED光源处在一个相对密闭且空间较窄的环境，当汽车前照灯处于照明状态的时候。大功率LED只能将10％～20％的输入功率转化为光能,而其余80％～90％转化成了热能。如果热量不能及时有效的散出，那么LED芯片的温度将会过高，则芯片寿命也会大大降低。同时，较高的温度也会使车灯内部产生雾气，影响照明效果。还容易使车灯相邻零部件因温度过高发生变形，出现零部件的烧融现象；当夏天高温的时候，还有可能引起LED光源模块中电子线路的短路，严重影响汽车前照灯的正常使用。
随着前照灯的功率越来越大，传统应用在LED前照灯上的翅片散热、风冷散热已经无法满足器件的散热需求。由于液冷散热具有散热效率和静音方面的种种优势，使得它在工业上，如汽车、飞机引擎等得到了广泛应用。其中多孔介质微通道液冷散热方式具有较大的比表面积，局部对流换热系数显著高于普通微通道模型，使得传热能力强以及散热效率高的特点。同时，为了提高冷却液的的散热效率，采用微喷方式，将冷却液直接喷射到加热的冷板上，减少了热量传递的步骤，直接带走热量，提高了冷却液的利用率。
由于多孔介质结构较为复杂，而传统的生产模式即先机械加工流道结构，再通过焊接的方式将流道密封的方法会存在原材料浪费严重，物体形状越复杂，制造成本越高等缺点。而3D打印技术可以突破这些局限，目前3D打印已经实现微通道的制造。熔融沉积成型技术可以直接成型出接近完全致密度、力学性能良好的零件，且工艺过程简单。
石墨烯是目前最薄的二维晶体材料，具有比表面积大、载流子迁移率高、导热性极佳等优异性能，被称为“新材料之王”。通过熔融方式将石墨烯/聚合物复合材料(KNG碳塑合金)制成标准的3D打印线材，即可进行石墨烯/聚合物复合材料的熔融沉积成型。石墨烯的加入，不仅可以增强打印材料的力学性能，还可以赋予制件优异的电学、热学以及摩擦磨损性能等。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种基于3D打印的车用LED灯及其液冷系统，用于提高车用LED灯的散热效率，提高车体前照灯的使用寿命。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于3D打印的车用LED灯散热器，包括壳体，壳体上开设有注液口和出液口，壳体内设置有中间射流板，中间射流板将壳体内腔分割为上层的微喷高压进液区、下层的换热区，换热区包括位于内圈的微喷冷却腔、位于外圈的多孔介质散热通道，微喷高压进液区、多孔介质散热通道均与注液口连通，微喷高压进液区通过中间射流板上的微喷小孔与微喷冷却腔连通，微喷冷却腔、多孔介质散热通道、出液口依次连通。
多孔介质散热通道内有序堆积有若干通孔多孔介质。
通孔多孔介质为球形通孔多孔介质，通孔多孔介质的球面向多孔介质散热通道内凸起。
通孔多孔介质上开设有通孔。
多孔介质散热通道内位于通孔多孔介质之间的间隙内设置有扰流柱。
还提供一种基于3D打印的车用LED灯散热反光杯，包括杯体，杯体底面上连接有散热器，散热器采用上述的散热器。
还包括连接在杯体上的多根肋板，多根肋板沿杯体的周向均布，每根肋板均沿杯体的轴向设置。
反光杯采用石墨烯复合材料3D打印而成。
还提供一种基于3D打印的车用LED散热前照灯，包括散热反光杯、通过导热硅胶安装于散热反光杯内底部的LED光源模块、以及安装在散热反光杯杯口的光源透镜，散热反光杯采用上述的散热反光杯。
还提供一种基于3D打印的车用LED前照灯冷却系统，包括前照灯、冷却系统，前照灯采用上述的散热前照灯。
冷却系统包括微型储液箱、微型水泵、外部翅式散热器和控制器，微型储液箱、微型水泵、散热前照灯的注液口依次通过管路连通，且在微型储液箱、微型水泵之间的管路上设置有温度传感器，散热前照灯的出液口、外部翅式散热器、微型储液箱依次通过管路连通，形成冷却液循环管路；控制器依次分别与温度控制器、外部翅式散热器的散热风扇、微型储液箱的散热风扇、微型储液箱的的热电制冷片电连接。
所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中，散热方式为液冷散热，具体方式采用多孔介质强制换热和微喷散热。LED光源模块的热量通过导热硅胶传到冷板，热量密度最高的部分采用微喷散热，剩余部分采用多孔介质强制换热。这样的方式组合极大的提高了散热效率，增强了散热效果。大大延长了LED前照灯的使用寿命。同时，在多孔介质强制换热过程中，加入了圆柱形扰流柱以及通孔的圆球多孔介质，其目的是更能增强局部流体扰动，有效提高了单元换热面积上的换热率。故更能保证LED前照灯工作状态时的稳定性。
本发明中，散热反光杯的反光面采用了椭球面，这样可以很好的将经过反光面反射的光射向光源透镜的焦点，再经过透镜折射出平行光线，使得照明效果显著提高。同时，散热反光杯外侧的肋板可以很方便的安装在汽车安装架上，也增强散热反光杯的强度。同时，散热器中间部分的通孔设置为电气孔，使得接线合理且简单。
本发明中，采用了石墨烯复合材料打印而成的散热反光杯其散热能力与传统铝制合金相当，但整体重量却只有铝制合金的60％，具有实际应用性。
本发明中，作为LED前照灯的主要部分，散热反光杯采用3D打印技术一体化成型，降低了灯具的材料消耗，减少了工人的安装工序，大大提高了LED灯具的生产效率，也使得灯具的质量有了一定的保证。同时，散热器封闭腔体的内部结构一次成型，也使得冷却液不会轻易在散热过程中漏出。为散热反光杯的规模化量产提供了一种解决办法。
附图说明
图1为本发明中LED前照灯冷却系统原理示意图；
图2为本发明中散热反光一体化LED前照灯爆炸分解结构示意图；
图3为本发明中散热反光杯前侧结构示意图；
图4为本发明中散热反光杯后侧结构示意图；
图5为本发明中散热反光杯俯视图；
图6为本发明中散热器部分结构示意图；
图7为本发明中散热器半剖示意图；
图8为本发明中微喷区域结构示意图；
图9为本发明中三维球形通孔多孔介质散热结构示意图；
附图标记为：1-散热反光杯、2-导热硅胶、3-LED光源模块、4-光源透镜、11-杯体、12-散热器、13-肋板、14-透镜安装孔、15-布线孔、16-LED光源安装孔、121-注液口、122-出液口、123-灯具固定安装孔、124-微喷高压进液区、125-微喷冷却腔、126-中间射流板、127-微喷小孔、128-底层冷板、129-通孔多孔介质、1210-顶层盖板、1211-扰流柱、1212-多孔介质散热通道、1213-多孔介质注液区、1214-冷却液出液区。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
实施例一
一种基于3D打印的车用LED灯散热器，包括壳体、注液口121、出液口122、灯具固定安装孔123、微喷高压进液区124、微喷冷却腔125、中间射流板126、微喷小孔127、底层冷板128、球形通孔多孔介质129、顶层盖板1210、扰流柱1211、多孔介质散热通道1212、多孔介质注液区1213、冷却液出液区1214。
壳体上开设有灯具固定安装孔123，散热器12通过灯具固定安装孔123安装在反光杯的外底面上。壳体中部还轴向还开设有布线孔15，前照灯所需的部分线缆可通过布线孔15穿进、穿出。壳体包括底层冷板128和顶层盖板1210，通过底层冷板128、顶层盖板1210及壳体侧板在壳体内部形成冷却腔室。壳体的顶层盖板1210上开设有注液口121、出液口122，注液口121、出液口122对称分布在布线孔15的两侧。在壳体内部设置有中间射流板126，中间射流板126垂直于壳体的轴线。中间射流板126在对应注液口121的位置与壳体内壁之间形成多孔介质注液区1213。中间射流板126将壳体的内腔分割为微喷高压进液区124、换热区，微喷高压进液区124位于换热区上方，换热区位于微喷高压进液区124下方。微喷高压进液区124在对应注液口121的一侧与注液口121连通，微喷高压进液区124的另一端沿壳体的周向并未与出液口122连通。换热区内设置有隔板，通过隔板将换热区的内腔划分为微喷冷却腔125、多孔介质散热通道1212，微喷冷却腔125、多孔介质散热通道1212均为环形通道，微喷冷却腔125在内圈，多孔介质散热通道1212在外圈。中间射流板126上对应微喷冷却腔125的位置开设有微喷小孔127，微喷高压进液区124通过微喷小孔127与微喷冷却腔125连通，微喷冷却腔125、多孔介质散热通道1212在对应出液口122的一侧连通，多孔介质散热通道1212与出液口122连通；多孔介质散热通道1212通过多孔介质注液区1213与微喷高压进液区124、注液口121连通。
另外，多孔介质散热通道1212内有序堆积有若干通孔多孔介质129，通孔多孔介质129为球形通孔多孔介质129，通孔多孔介质129的球面向多孔介质散热通道1212内凸起，通孔多孔介质129上开设有通孔。
针对某一部位的热量密度比较高的情况下，可以适当调整三维有序球形多孔介质散热和微喷散热的范围比例，进行不同方式的组合。冷却液通过注液口121流入散热器12，在球形多孔介质和底层冷板128的作用下完成热传导。最后从出液口122流出，完成对LED前照灯的一轮散热。
本实施例的散热器12部分中的球形通孔多孔介质129和中间射流结构层由于空间结构较小，传统加工无法完成，所以采用3D打印却能制造，在同时保证了流道良好的密封性，具备优异的散热性能。
多孔介质散热通道1212内位于通孔多孔介质129之间的间隙内设置有扰流柱1211。把圆柱针制作成扰流柱1211，均匀固定在热量增加最明显区域的三个部分。其目的是使冷却液形成涡流，增强流体的局部扰动，使高度方向上的温度更加均匀，对热换热系数有明显改善。
当LED前照灯处于照明状态时，前照灯温度急剧升高并释放出大量热量，其中以芯片周围热量密度最高。绝大部分热量将传递到散热器12的底层冷板128上。冷却系统的微型储液箱中的冷却液通过管道连接进入注液口121。由于散热器12是垂直于地面安装的。由于重力作用，冷却液首先进入微喷高压进液区124，由于微喷高压进液区124腔体体积很小，在冷却液充足的情况下，腔体很快注满，所花时间几乎可以不计。所以，两种散热方式几乎可以同时进入工作。冷却液通过微喷小孔127射到底层冷板128上，形成雾状的小液滴直接吸收底层冷板128上的热量密度最高区域的热量。很大部分的冷却液进入到多孔介质注液区1213中，冷却液在多孔介质散热通道1212流动中，遇上扰流柱1211产生扰流，增强对流换热系数。期间冷却液与球形通孔多孔介质129和底层冷板128进行热传导，吸收剩余部分的热量并由冷却液带走。两股冷却液最后在冷却液出液区1214混合，并由出液口122最终排出。完成一轮在散热器12中的流动，且通过这种液冷散热方式，有效避免了因LED前照灯温度升高而造成损坏，延长了LED前照灯的使用寿命。
散热器12采用循环的冷却液进行散热，从注液口121流入，同时流入多孔介质注液区1213和微喷注液区开始冷却。最后在冷却液出液口122混合并流出。同时采用两种新型实用高效的液冷散热，使得散热效率大大提高，满足了散热需求。
实施例二
本实施例还提供一种基于3D打印的车用LED灯散热反光杯，包括杯体11，杯体11底面上连接有散热器12，散热器12采用实施例一种的散热器12。
还包括连接在杯体11上的多根肋板13，多根肋板13沿杯体11的周向均布，每根肋板13均沿杯体11的轴向设置。安装时，肋板13镶嵌进入汽车安装架对应的卡槽中，该肋板13的是定位和加强作用，使反光杯的整体嵌入在汽车安装结构对应的卡槽中，防止汽车行驶过程中反光杯因发生抖动而影响照明效果，同时提高反光杯的强度。
另外，反光杯采用石墨烯复合材料3D打印而成，尤其可以采用基于熔融沉积成型的3D打印技打印前照灯的反光杯，利用石墨烯复合材料制作而成的标准3D打印线材。即可运用3D打印技术实现这种封闭腔体结构的一体化成型。该石墨烯复合材料可采用具体型号为厦门凯纳公司生产的KNG碳塑合金，它的散热性能与传统铝合金相当。但是重量却只有铝合金的60％，且制作工艺简单。反光杯杯体11内部的反射面为椭球面结构的凹面镜，并喷涂高反光材料。
在3D打印时，由于反光杯体11积较大，故首先完成反光杯的打印，然后依次完成底层冷板128、球型通孔多孔介质129、中间射流结构层、顶层盖板1210的打印以及各部分安装孔的打印。最后，通过连接螺栓与各个模块完成组装成LED前照灯。
该反光杯采用3D打印技术中的熔融沉积成型技术。这是最常见的一种3D打印技术。该方法需要将聚合物制备成标准直径的线材，而后通过步进电机将线材输送至喷头处，加热熔融挤出，在基板上根据所需形状层层堆叠粘连，冷却固化后得到所需成型件。在打印之前，我们需要通过熔融混合的方式将石墨烯复合材料制作成标准的打印线材，然后才能进行3D打印。在同等程度上，石墨烯符合材料制作而成的散热器12比铝制合金的散热器12重量低40％。
3D打印工艺流程主要分为三维模型建立、分层切片处理、逐层堆积至粗坯成型、强化热处理、表面处理、无损检测等。首先通过Solidworks、UG等软件进行建模，绘制出打印零件的三维CAD模型，根据3D打印工艺特点对模型进行相应的结构调整。将设计好的三维模型按照一定的厚度分成多层结构，设计打印路径，将切片后的文件储存成.gcode格式，通过控制软件把文件发送给3D打印机并控制打印参数。启动3D打印机，装入打印材料，调试打印平台，设定打印参数。开始工作后，材料经分层打印，层层粘合，逐层堆砌，至粗坯成型。3D打印初成型的产品一般都存在致密度不高、局部缺陷等问题，在这种情况下，还需要进行热等静压的热处理方式来强化机械性能，从而消除内部缺陷，改善力学性能。另外，还可以改善材料的韧性和抗疲劳裂纹扩展能力。热等静压前还要考虑防止变形措施。除此之外，3D打印初成型的产品表面都较粗糙，还需要进行抛光处理。对于本次主要申请的反光杯，在进行抛光处理过后，还需要在反光杯的内侧面喷涂高反光材料才能使用。
实施例三
本实施例还提供一种基于3D打印的车用LED散热前照灯，包括散热反光杯1、通过导热硅胶2安装于散热反光杯1内底部的LED光源模块3、以及安装在散热反光杯1杯口的光源透镜4，散热反光杯1采用上述实施例二的散热反光杯1。
散热反光杯1的靠近光源透镜4一侧的端面上开设有透镜安装孔14，光源透镜4通过透镜安装孔14安装在散热反光杯1上。
散热反光杯1的内底部上开设有LED光源安装孔16，LED光源模块3通过LED光源安装孔16安装在散热反光杯1的内底部上。
前照灯通过灯具固定安装孔123安装在汽车安装架上。LED光源模块3发出的光经反光杯内侧的反光面反射到光源透镜4上，经光源透镜4折射出光。冷却液通过多孔介质散热通道1212和微喷冷却腔125两部分对LED光源模块3进行散热。
实施例四
本实施例还提供一种基于3D打印的车用LED前照灯冷却系统，包括前照灯、冷却系统，前照灯采用上述实施例三的散热前照灯。
冷却系统包括微型储液箱、微型水泵、外部翅式散热器12和控制器，微型储液箱、微型水泵、散热前照灯的注液口121依次通过管路连通，且在微型储液箱、微型水泵之间的管路上设置有温度传感器，散热前照灯的出液口122、外部翅式散热器12、微型储液箱依次通过管路连通，形成冷却液循环管路；控制器依次分别与温度控制器、外部翅式散热器12的散热风扇、微型储液箱的散热风扇、微型储液箱的的热电制冷片电连接。
工作时，微型水泵产生动力将微型储液箱中的冷却液压入管道。冷却液将以“微型水泵—LED前照灯—外部翅式散热器12—微型储液箱—微型水泵”完成一轮LED前照灯的散热。当温度传感器检测到冷却液的温度达到设定值时，便启动热电制冷以及散热风扇，加大冷却液的外部散热效果。当温度降到设定值时，关闭热电制冷和散热风扇。
Claims (5)
1.一种基于3D打印的车用LED灯散热反光杯，包括杯体(11)，其特征在于：杯体(11)底面上连接有散热器(12)，散热器(12)包括壳体，壳体上开设有注液口(121)和出液口(122)，壳体内设置有中间射流板(126)，中间射流板(126)将壳体内腔分割为上层的微喷高压进液区(124)、下层的换热区，换热区包括位于内圈的微喷冷却腔(125)、位于外圈的多孔介质散热通道(1212)，微喷高压进液区(124)、多孔介质散热通道(1212)均与注液口(121)连通，微喷高压进液区(124)通过中间射流板(126)上的微喷小孔(127)与微喷冷却腔(125)连通，微喷冷却腔(125)、多孔介质散热通道(1212)、出液口(122)依次连通；
多孔介质散热通道(1212)内有序堆积有若干通孔多孔介质(129)，通孔多孔介质(129)为球形通孔多孔介质(129)，通孔多孔介质(129)的球面向多孔介质散热通道(1212)内凸起；
所述多孔介质散热通道(1212)内位于通孔多孔介质(129)之间的间隙内设置有扰流柱(1211)；
反光杯采用石墨烯复合材料3D打印一体化成型，通过熔融混合的方式将石墨烯复合材料制作成标准的打印线材；对热处理后的成型粗坯进行抛光处理，在反光杯的内侧面喷涂高反光材料。
2.如权利要求1所述的一种基于3D打印的车用LED灯散热反光杯，其特征在于：还包括连接在杯体(11)上的多根肋板(13)，多根肋板(13)沿杯体(11)的周向均布，每根肋板(13)均沿杯体(11)的轴向设置。
3.一种基于3D打印的车用LED散热前照灯，包括散热反光杯(1)、通过导热硅胶(2)安装于散热反光杯(1)内底部的LED光源模块(3)、以及安装在散热反光杯(1)杯口的光源透镜(4)，壳体中部还轴向还开设有布线孔(15)，其特征在于：散热反光杯(1)采用权利要求1-2中任一项所述的基于3D打印的车用LED灯散热反光杯。
4.一种基于3D打印的车用LED前照灯冷却系统，包括前照灯、冷却系统，其特征在于：前照灯采用权利要求3所述的基于3D打印的车用LED散热前照灯。
5.如权利要求4所述的一种基于3D打印的车用LED前照灯冷却系统，其特征在于：冷却系统包括微型储液箱、微型水泵、外部翅式散热器和控制器，微型储液箱、微型水泵、散热前照灯的注液口依次通过管路连通，且在微型储液箱、微型水泵之间的管路上设置有温度传感器，散热前照灯的出液口、外部翅式散热器、微型储液箱依次通过管路连通，形成冷却液循环管路；控制器依次分别与温度控制器、外部翅式散热器的散热风扇、微型储液箱的散热风扇、微型储液箱的热电制冷片电连接。
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