要想降低LED前照燈的耗電量,，只通過第一回中提到的配光控制來減少白色LED的光損失,，并在少數(shù)幾個(gè)地方獲得所期望的配光特性是不夠的。此外還必須能夠在高效狀態(tài)下使用白色LED。而其中的關(guān)鍵就在于如何使白色LED產(chǎn)生的熱量釋放出去的散熱設(shè)計(jì),。其實(shí),，輸入白色LED的功率大都變成了熱能。如果這些熱量使白色LED的溫度上升,，則發(fā)光效率就會(huì)下降,，導(dǎo)致發(fā)熱量增加。這樣一來,，就會(huì)陷入發(fā)光效率進(jìn)一步下降,、發(fā)熱量變得更大的惡性循環(huán)。

　　此次市光工業(yè)在LED前照燈的散熱設(shè)計(jì)中使用了熱流體解析模擬技術(shù),。在前照燈散熱設(shè)計(jì)中使用熱流體解析模擬的情況并不少見,，不過，此次是在更上游的設(shè)計(jì)過程,，也就是樹脂等材料的耐熱性,、對(duì)流、部件布局及散熱片的設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用了該模擬技術(shù),，由此高效推進(jìn)了散熱設(shè)計(jì),。

　　前照燈的熱設(shè)計(jì)經(jīng)過基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì),、試制試驗(yàn)以及設(shè)計(jì)變更這四大過程后應(yīng)用于產(chǎn)品（圖1）,。據(jù)市光工業(yè)負(fù)責(zé)散熱設(shè)計(jì)的菊池和重（開發(fā)本部核心工程部模擬課資深專家、解析技術(shù)高級(jí)工程師）介紹,，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,，雖然模擬用模型的建模難度并不高，所花工時(shí)并不多,，但通過計(jì)算獲得的信息卻占到了整個(gè)設(shè)計(jì)的60％之多（圖2）。此次LED前照燈通過在這一基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用模擬技術(shù),，獲得了顯著效果,。

圖1：前照燈熱設(shè)計(jì)的定位（圖片由市光工業(yè)提供）

　　圖2：LED前照燈的建模（圖片由市光工業(yè)提供）

　　由于能夠分離光和熱，可應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中

　　那么,，此次為何能夠在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中使用模擬呢,？其答案就在于LED前照燈中的熱量的流動(dòng)特點(diǎn)。從白色LED為起點(diǎn)的散熱路徑來看,，其流動(dòng)途徑為：

　　作為發(fā)熱源的LED芯片

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　　配備LED芯片封裝的安裝基板

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　　使安裝基板的熱量向整個(gè)封裝底面擴(kuò)散的熱擴(kuò)散器

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　　散熱裝置（散熱片等）的連接部

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　　散熱裝置（散熱片等）

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　　外部空氣

　　可以說,，從白色LED到外部空氣的整個(gè)路徑均為串聯(lián)狀態(tài)（圖3）。而鹵燈及HID燈等已有光源的散熱路徑頗為復(fù)雜,。原因在于燈源本身同時(shí)向外部空氣放射光與熱,。也就是說無法以簡(jiǎn)單的串聯(lián)狀態(tài)體現(xiàn)出來。因此，其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的散熱模型較為復(fù)雜,，只能在試制試驗(yàn)及設(shè)計(jì)變更的過程中使用模擬,。

圖3：前照燈用白色LED和散熱路徑（圖片由市光工業(yè)提供）

　　LED的光線是從表面向外部空氣放射，而熱量是從背面向前照燈的外殼放射,，光與熱處于分離狀態(tài),。由于LED表面的熱放射可忽略不計(jì)，因此熱量的流動(dòng)途徑便如上所述,。所以,，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的建模變得簡(jiǎn)單，能夠?qū)嵤崃黧w解析模擬,。憑借模擬效果,，此次LED前照燈的熱解析實(shí)現(xiàn)了±2℃的計(jì)算精度，只用兩天時(shí)間就完成了散熱設(shè)計(jì),。

　　利用模擬對(duì)散熱片等部分進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)并掌握大致形狀及基本性能后,，市光工業(yè)試制了1次產(chǎn)品。然后經(jīng)過最佳形狀和細(xì)微部分的設(shè)計(jì),，進(jìn)入了對(duì)最終形狀下的散熱性能進(jìn)行確認(rèn)的量產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì),。由于計(jì)算精度較高，因此還有可能在下次及以后不試制產(chǎn)品便使用于量產(chǎn),。此次是市光工業(yè)首次量產(chǎn)LED前照燈,，因此還是試制了實(shí)際產(chǎn)品。另外,，散熱片及配光控制用反光鏡等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的熱模擬耗時(shí)約2個(gè)半小時(shí),，而白色LED到散熱片只需1個(gè)半小時(shí)。此次將散熱片等部分劃分為約70萬個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行了計(jì)算,。

　　降低散熱片和連接部的熱阻

　　據(jù)市光工業(yè)介紹,，此次進(jìn)行LED前照燈的散熱設(shè)計(jì)時(shí)，還探討了散熱路徑中的散熱片連接部及散熱片本身的設(shè)計(jì),。其原因在于,，LED產(chǎn)品是在LED芯片乃至熱擴(kuò)散器都收放在白色LED封裝內(nèi)的狀態(tài)下從LED廠商采購(gòu)的，前照燈廠商無法變更,。

　　在散熱片連接部及散熱片方面,，要解決的問題是如何降低連接部和散熱片本身的熱阻。要想降低連接部的熱阻,，尤為重要的是：（1）使用線夾,、彈簧及螺釘?shù)葋肀３謱咨獿ED按壓在散熱片上的壓力及均勻的接觸面積；（2）考慮采用散熱膏及導(dǎo)熱片,，并對(duì)其伴隨時(shí)間的劣化以及面積,、厚度進(jìn)行管理,。在散熱片方面，需要在不組合冷卻扇,、且不影響前照燈設(shè)計(jì)的大小及形狀上下工夫,。此次進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)前提是向每個(gè)白色LED輸入的10W功率中會(huì)有9W變成熱量,。由于所配白色LED的最大額定值為130℃（白色LED的表面溫度）,，因此是按照任何用途都不會(huì)達(dá)到130℃進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

　　市光工業(yè)提出了新一代LED前照燈的目標(biāo),，這便是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)光燈和近光燈的光源一體化,，每個(gè)前照燈只使用1個(gè)LED等。目的是降低耗電量并通過減少部件數(shù)量來推進(jìn)低成本化,、小型化及輕量化,。目前該公司正在朝著這一目標(biāo)推進(jìn)開發(fā)。此次推出的LED前照燈在遠(yuǎn)光燈時(shí)使用鹵燈,，在近光燈時(shí)使用了2個(gè)白色LED,。

　　如何才能將這些光源減為1個(gè)呢？簡(jiǎn)單地說,，可以考慮將白色LED安裝的LED芯片從目前的4個(gè)增加到8個(gè),，或者將輸入白色LED的電流增加到2倍。但這些都不能算上策,。增加LED芯片數(shù)量,，成本就會(huì)上升。而增加輸入電流的話,，LED芯片上的熱密度就會(huì)上升,，進(jìn)一步使得LED芯片結(jié)溫上升，從而導(dǎo)致發(fā)光效率下降,。而且這樣做,，白色LED上也容易蓄熱。

　　不過,，白色LED技術(shù)目前也在逐年進(jìn)步,，市光工業(yè)預(yù)計(jì)2～3年后便可獲得亮度達(dá)到目前2倍以上、超過1000lm的白色LED,。即使結(jié)溫升高，今后也會(huì)開發(fā)出發(fā)光效率高的白色LED,，并且通過降低熱阻,、提高散熱性，發(fā)光效率還會(huì)比目前進(jìn)一步提高,。開發(fā)出此次使用的白色LED的飛利浦流明（Philips Lumileds Lighting）在2010年11月舉行的“Green Device 2010”上發(fā)表主題演講時(shí),，就曾宣布正在開發(fā)亮度可達(dá)到1000lm以上的白色LED,。

　　亮度超過1000lm的話，便能夠以1個(gè)白色LED實(shí)現(xiàn)LED前照燈,。市光工業(yè)正在研發(fā)僅使用1個(gè)白色LED的LED前照燈,，雖然尚未公布相關(guān)細(xì)節(jié)，但表示“在研究層面上很快會(huì)制作出來”（市光工業(yè)開發(fā)本部研究開發(fā)部P2P3第一項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人村橋克廣）,。該公司并未明確提出使用1個(gè)白色LED的LED前照燈何時(shí)達(dá)到實(shí)用水平,，但技術(shù)上來看，“5年后在市面普及也不足為奇”（村橋）,。

　　在市光工業(yè)2005年著手共同開發(fā)此次的LED前照燈時(shí),，以2個(gè)白色LED來獲取足夠亮度還“是非常困難的事”（村橋）。不過,，鑒于白色LED在技術(shù)上的不斷進(jìn)步,，該公司仍對(duì)使用2個(gè)白色LED的設(shè)計(jì)展開了攻關(guān)。目前該公司正基于白色LED技術(shù)進(jìn)步的設(shè)想,，展開僅使用1個(gè)白色LED的設(shè)計(jì),。

　　1個(gè)白色LED是新的起點(diǎn)

　　市光工業(yè)表示，LED前照燈配備1個(gè)白色LED并不是終點(diǎn),。雖然白色LED通常要采用多個(gè)LED芯片來獲得足夠的亮度,，但是該公司還打算隨著LED芯片的性能提高，為進(jìn)一步降低成本而削減LED芯片的數(shù)量,。這一目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)的話,，便有望使白色LED實(shí)現(xiàn)小型化。而白色LED變得既小又便宜的話,，就有可能使用多個(gè)白色LED來推進(jìn)可變配光系統(tǒng)的進(jìn)步,。

　　市光工業(yè)介紹說，該公司還考慮將半導(dǎo)體激光器作為繼LED之后的新一代光源,。半導(dǎo)體激光器通過連接光纖,，可使光的發(fā)射部和發(fā)熱部（半導(dǎo)體激光器）實(shí)現(xiàn)分離。也就是說,，這樣便可將散熱設(shè)計(jì)所需要的部分從前照燈中拿出來,，從而在無需考慮前照燈形狀的情況下實(shí)施散熱設(shè)計(jì)。不過,，LED前照燈今后還有很大的進(jìn)步空間,，因此利用半導(dǎo)體激光器需要有長(zhǎng)遠(yuǎn)的考慮。（記者：大久保 聰）

　　參與LED前照燈開發(fā)的技術(shù)人員,。

中央為統(tǒng)管市光工業(yè)LED前照燈開發(fā)業(yè)務(wù)的村橋克廣（市光工業(yè)開發(fā)本部研究開發(fā)部P2P3第1項(xiàng)目組負(fù)責(zé)人）,、左為菊池和重（市光工業(yè)開發(fā)本部核心工程部模擬課資深專家（解析技術(shù)）高級(jí)工程師）、右為巖崎和則（市光工業(yè)開發(fā)本部核心工程部模擬課主管）,。