传热设计核算技巧详解

就500 W高功率密度LED的应用，首先需要对基于液态金属电磁泵驱动且远端采用自然对流的散热器的传热设计作初步核算。在笔者实验室研究的一个具体案例中［1］，由项目需求可知，给定的冷板面积为80 mm×100 mm，冷板尺寸可定为：80 mm×100 mm×16 mm。根据热阻模型，液态金属散热器理论计算过程如下：

假定LED最大发热功率为400 W（实际情况一般功效为80%，即400 W左右），为了留足散热能力余量，按照最大发热功率核算，一般按每个U型液态金属管路150 W的散热能力计算，则散热器需要3根液态金属管路（外径10 mm、内径8 mm）。

根据经验参数，LED基板与冷板之间接触热阻温差1～2℃，选取1℃。因为液态金属的对流换热系数较高，液态金属在冷板中的对流热阻一般较小。根据经验数据，本案例中液态金属在冷板内的对流热阻温差约2℃。

热容热阻的大小由液态金属的体积流量决定，在流量为22.8 ml／s的情况下，液态金属流动产生的热容热阻温差约8℃。计算可采用q=c·m·（Tout-Tin），代入式（11-10）可得，则液态金属质量流量为m=400／（0.365×16×3）=22.8 ml／s。此时，假设远端翅片空气对流热阻的温差ΔTa约16℃。(www.xing528.com)

综合上述传热温差，在环境温度25℃情况下，LED灯基板的温度可计算为25+1+2+8+16=52℃，所得LED灯基板温度到环境的温升为27℃，散热效果显著。

由此可得出，远端翅片散热的空气对流热阻主要由翅片散热面积决定，在微弱的自然对流情况下，h=5 W／（m2·K），Q=h×A×ΔTa，ΔTa=16℃，对流换热面积A=5 m2，若采用翅片尺寸为240 mm×120 mm，则翅片数量86片。给定20%的余量，约104片翅片，总翅片面积为6 m2。翅片材质选取6063铝合金，每个翅片厚度选取0.8 mm。