液态金属散热器传热模型与理论分析

典型的高功率密度LED液态金属散热系统如图11-1（a）所示，其基本传热路径的温度分布可用图11-1（b）表示。根据热量的流动方向，液态金属散热系统的传热温差ΔTsys主要由4部分组成［1，5］：界面接触温差ΔTTIM、液态金属对流传热温差ΔTconv、液态金属热容热阻温差ΔTc以及散热器空气侧传热温差ΔTradiator。由于LED和LED冷板的体积较小，可假设其具有均一的温度分布，分别为TLED和Tcold＿plate。环境温度为Ta，同时假定散热器外侧空气温度恒定，LED、冷板及环境空气温度均匀一致，但液态金属在不同的传热环节中温度存在明显变化。

图11-1　液态金属散热

（a）典型散热器示意；（b）散热器传热路径温度分布。

如图11-1所示，根据各传热过程的传热机理，可定义系统各环节热阻如下：

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其中，Tf＿cold＿plate和Tf＿radiator分别为LED冷板内和散热器内的液态金属平均温度。上述式（11-1）到式（11-5）具有明确的物理意义。其中，系统总热阻表征了液态金属散热器的整体散热性能；界面接触热阻体现了LED基板和冷板之间的热接触状况，主要取决于热界面材料的热物性、润湿性以及二者之间的压强；液态金属对流热阻代表了冷板内液态金属对流能力的强弱，而液态金属该热阻较小。热容热阻反映了流体自身的温升对散热器性能的影响，在流量和工质热容均较大的情况下，该热阻可忽略。为简化计算，当液态金属质量流量较大时，可近似认为Tf＿radiator≈Tin［1］。因此，式（11-4）和（11-6）可近似计算为：

因此，液态金属散热器的热容温差可近似计算为：

空气侧的传热温差主要取决于对流传热系数h和散热器裸露在空气中的表面积A。如下，考虑到散热系统的稳定性，并不采用风扇等运动元件，仅考虑自然对流情况，因此对流传热系数h为5～10 W／（m2·K）。