11.4.1.1 LED高杆灯液态金属散热器及其测试实验平台
结合上述热设计，笔者实验室梅生福等采用Solidworks制图软件设计了一款新型的高功率密度LED高杆灯散热器系统［1］，如图11-10所示。其具体结构尺寸如图11-11所示。为满足单杆12盏灯的最大装配量，该系统基本结构呈梯形，两梯形斜边夹角为30°。高功率密度LED灯可以安装在80 mm×100 mm×16 mm的冷板上，热量被流过冷板的液态金属吸收，经翅片组1降温后，再经过电磁泵驱动加速，再次经过翅片组2进一步降低温度，而后如此不断循环。该散热器中，翅片为6063铝合金材料，该材料密度较小，热导率高。冷板采用T2纯铜，保证了热量有效地传导到液态金属中。由于高杆灯运行于高空，为保证其支架有足够的结构强度，采用15 mm厚度铝合金板材制作上下两块夹板，并采用不锈钢螺栓将翅片组1和翅片组2固定。为保证自然对流散热，翅片的节距（含有一个翅片厚度）为8 mm，厚度0.8 mm。为了维持翅片结构稳定以及保持翅片间距，采用翅片折片工艺，即：在翅片上下两侧折弯宽度为20 mm翅片部分，并横置于两翅片之间。整个散热器灌装液态金属后净重16.4 Kg。
图11-10 LED高杆灯液态金属散热器及单杆12盏的高杆灯示意
图11-11 液态金属散热器的结构尺寸（mm）
如图11-12所示，为验证所设计液态金属散热器能否满足500 W LED高杆灯的散热需求，可借助如下液态金属散热器性能测试系统进行［1］。其中，主要包括Agilent 34970A数据采集器、T型热电偶若干、PC笔记本、电磁泵直流电源、液态金属散热器、500 W LED、LED直流供电电源。实验中，为保证给予自然对流充足的空间，液态金属散热器被放置在0.5 m高度，LED发光面正对于地面。同时，在较为密闭、无风的房间内进行实验，保证没有外来空气扰动的影响，以此近似模拟实际的使用情况。当然，与实验条件不同的是，在实际使用中LED灯及散热器需要安置在15 m以上的高空。在高空之中，风速和风向目前皆无法确定。为保证LED灯具的安全运行，实验中采用了较为恶劣的散热条件，由此可验证液态金属散热器应对极端情况的能力。
图11-12 液态金属散热器散热性能测试平台
11.4.1.2 温度分布及热电偶布置
为精确监测整个散热器中的温度状态，可沿液态金属流动方向，分别布置8个T型热电偶，如图11-13所示。其中，T1为电磁泵出口温度，T2、T3、T4为LED冷板入口温度，T5为LED基板温度，T6、T7、T8为LED冷板出口温度。为便于分析，定义液态金属散热系统的4个特征温度：LED基板温度TLED=T5，冷板出口平均温度Tout=（T6+T7+T8）／3，电磁泵出口平均温度Tpump=T1，冷板入口平均温度Tinlet=（T2+T3+T4）／3。此处，Tpump可近似认为是散热器内部液态金属的算数平均温度。(www.xing528.com)
为准确获得监测数据，在布置热电偶时，需要在热电偶头部涂抹少许导热硅脂以此减少接触热阻，同时在测点外围紧密包裹厚度约1 mm的胶带，使得测点温度尽可能接近管道内部的温度。此外，由于液态金属经过电磁泵后，已经过充分混合，温度均一，因此电磁泵出口处仅设置了1根热电偶。
11.4.1.3 LED灯片参数及结构尺寸
这里采用的LED灯片为500 W高功率密度白光LED模组，如图11-14所示。其结构尺寸为65 mm×82 mm×6 mm。该LED模组采用20串25并的排列模式，单一LED芯片的功率为1 W。该LED模组额定电压为60～68 V。色温大小为5 500～6 000 K，亮度为57 500～60 000 cd／m2。LED的基板材料为红铜，有利于LED芯片的热展开。为了测量LED模组的LED基板温度，在LED基板底部进行开槽，开槽深度约为0.5 mm，长度约为15 mm，用于布置T型热电偶。
11.4.1.4 驱动电源及驱动参数
图11-13 热电偶分布
图11-14 500 W LED灯片实物
这里，LED灯片以及液态金属电磁泵采用斯姆德电气SKX-60-67A-Ⅲ直流稳压电源进行供电［11］。SKX-60-67A-Ⅲ直流稳压电源是一款高精度高可靠性恒压恒流电源，具有限流降压、短路保护、过温保护、过压保护及带负载能力强等特点。如电源出现过热运行状态时，将在输出回路截止输出，当机内温度恢复正常时，电源输出恢复预设状态。该机型具有完善的保护功能，可避免用户设备烧毁风险。输出电压从0～60 V之间连续可调；输出电流从0～67 A之间连续可调；电压、电流和数字显示的精确度均为±0.5%。根据500 W LED的项目需求，LED灯片的电源参数如表11-2所示，分别为60.2 V、8.4 A。电磁泵的电源参数分别为0.35 V、10.2 A。由此可知，在该液态金属散热器中，采用功率为3.5 W的电磁泵驱动液态金属，可为500 W的LED灯具提供散热支持。
表11-2 LED灯及电磁泵的驱动电源参数
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