热学性能实验与结果分析

11.4.2.1　纯自然对流散热情况

图11-15　500 W LED点亮效果

图11-16　500 W LED高杆灯液态金属散热系统各监测点温度随时间的变化

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；驱动电流10.2 A。

图11-15所示为500 W LED点亮后的实际效果图［1］。在加载LED电源时，首先将电压调高至60.2 V，然后调节电流至8.4 A。如图11-16所示为500 W LED液态金属散热系统各监测点温度随时间的变化。由图可知，当开始点亮LED时，各测点温度随即上升，在30 min时，各温度达到平衡，仅发生轻微涨落，温度数值约为54℃。由此，在10.2 A直流电流驱动下，液态金属散热系统完全满足500 W LED灯具的项目散热需求。从图11-16中，还可看出冷板的入口温度约为38℃，LED冷板出口温度约为52℃。若忽略LED基板与冷板之间的界面热阻，冷板内最小对流传热温差约为2℃。根据式（11-10），可知液态金属热容温差约为7℃。整个散热过程可以描述如下：低温的液态金属经过冷板后，吸收由500 W LED产生的热量，温度升高到52℃，此后经过翅片组1，部分热量经自然对流被排放到空气中，温度由52℃降低至42℃。此后，液态金属进入电磁泵，经电磁泵驱动后，再进入翅片组2进一步降温。经过翅片组2后，液态金属由42℃降至38℃。整个实验过程，室温环境曲线如图内T9温度所示，基本不发生变化。此外，从图11-16中，还可以看出3根液态金属管路的进出口温度较为一致，说明液态金属流量分配较为均匀。

以上通过温度曲线获得的信息，也可借助红外图像更加直观地展示整个散热器的温度分布情况，如图11-17所示。这里，红外图像均采用FILR SC620红外摄像仪拍摄，由于散热器大部分为铝材结构，故而设置发射率为0.83（weathered Al），拍摄距离为2 m。在整个实验过程中，环境温度恒定在25℃附近，仅发生轻微变动。在启动LED之前，液态金属散热器也与环境处于热平衡状态。在启动LED并待之稳定后，液态金属散热器整体温度升高，左侧的翅片组1的整体温度明显高于右侧翅片组2。

图11-17　500 W LED高杆灯液态金属散热系统点亮前后的红外图

11.4.2.2　空气扰动对散热的影响

以上仅考虑在纯粹的自然对流情况下，液态金属散热器的散热性能。在实际安装使用期间，高杆灯将被安装在15 m以上的高空之中。由于此处空间较为开阔，风的阻力较小，由自然风引起的强迫对流换热十分可观。针对这一情况，还可研究不同风向对液态金属散热性能的影响［1］。实验中采用交流风机作为风源，来尽可能模拟微弱的自然风，风机摆放位置距离散热器中心约4 m，具体风向如图11-18所示。

图11-18　风机摆放位置示意

经实验测量，液态金属散热器周围的风速为0.8～1.2 m／s，风温25.5℃。测试设备为BENETECH数字风速仪GM8901，风速测量精度＜5%［12］。根据风力分级［13］，风速在0.3～1.5 m／s时，风力等级为1级，此时为软风，风力在所有风力等级中最低。实验主要考察1级微风对液态金属散热器性能的影响。根据图11-18的风机摆放位置进行实验，考虑3种不同情况：①无空气扰动情况，散热器仅仅依靠自然对流排放热量；②风向沿着X轴正方向，风向近似垂直于翅片，呈60°角；③风向沿着Y轴正方向，风向与翅片呈30°角。

图11-19　3种空气扰动情况下（纯自然对流、X方向空气扰动、Y方向空气扰动），液态金属散热系统的特征温度

3种不同空气扰动情况下的特征温度分布如图11-19所示。其中，X方向空气流动时，LED基板温度最高为48℃，比纯自然对流的情况降低了约6℃。其原因在于：由于空气扰动，翅片空气侧的温差减小，如图11-19所示，纯自然对流时，空气侧平均对流换热温差约为16℃。而在X方向存在风机时，空气侧温差仅8.9℃。此外，Y方向上的空气扰动，LED基板温度最高仅为44.6℃，其散热强化能力高于X方向空气扰动，原因在于相对于X方向，Y方向的空气流动更能大幅度提升翅片之间的空气流动。以上获得的温度数据，可从红外影像中更直观获取，如图11-20所示。由图可知，空气的扰动使得散热器整机的温度降低，Y方向上的空气扰动强化散热能力尤为明显。

(www.xing528.com)

图11-20　X方向空气扰动和Y方向空气扰动液态金属散热器的红外温度分布

11.4.2.3　安装角度对散热的影响

在自然对流散热过程之中，空气的流动是由空气的浮力引起的。由于受高温翅片和液态金属管路的加热影响，翅片之间的空气温度升高，导致密度降低，故而发生向上运动，将热量从翅片带走。一般而言，在实际安装过程中，根据不同的光照需求，可能会采用不同的安装角度。而安装角度直接影响空气在重力方向上的运动。因此，散热器的安装角度对液态金属散热器性能有很大影响。在实验中，通过改变LED灯具侧的高度，实现了0°、30°、60°、90°4种不同的安装角度［1］，实验环境温度为25.5℃。此时，由于环境中无风，忽略LED灯片的高度变化引起的影响。由图11-21可知，随着安装角度的增大，自然对流被不断削弱，空气的传热温差不断增高。当然，由于散热器本身给予了较大的散热面积余量以及翅片方向呈150°夹角。当安装角度为90°时，重力仍能发生一定的强化自然对流的作用，LED基板的温度仅为61.8℃。因此，上述液态金属散热器可满足500 W LED在不同安装角度下的使用要求。

图11-21　不同安装角度下，液态金属散热器的特征温度

11.4.2.4　有效面积对散热的影响

从红外温度图上看出，右侧散热器2的整体温度较为接近空气的温度，此处散热器的翅片有效率较低。因此，考虑若将左侧散热器整体包裹，使其失效，观察液态金属散热器温度分布的变化。此实验的目的在于［1］：考证当散热器因落灰、杂物覆盖等因素引起散热面积减小时，散热器能否继续胜任项目需求。考虑无自然风的纯自然对流的情况下，LED电功率为505 W，电磁泵电流为10.2 A。从图11-22之中可看出，由于散热面积减半，LED基板的温度上升至61.5℃，相对于正常工况下的53.8℃升高了7.7℃。从LED基板到环境温度的温升为36℃，略微超出了总温差为35℃以内的项目要求。此外，从图11-22还可知，实验中散热器1绝热性良好、基本未发生散热作用，其表现在于电磁泵出口温度（T1）与LED冷板入口温度之间温差仅为0.8℃。

图11-22　当液态金属散热器翅片组1失效后，500 W LED灯的温升曲线

11.4.2.5　管径对散热性能的影响

在以上液态金属散热系统之中，由于环路管内径为8 mm，液态金属填充量较大，材料成本较高。因此，实验考虑适量地减小管径，观察管径的变化对散热性能的影响。实验中，采用6 mm内径的铜管制作了另外一套液态金属散热器。除管径不同之外，6 mm内径散热器整体结构与8 mm内径液态金属散热器完全相同。为了准确地进行对比，实验中采用相同的电磁泵驱动电流、相同的LED灯电功率［1］。实验环境温度与前述实验基本一致，皆为26±0.5℃。图11-23为6 mm管径液态金属散热器500 W LED灯的温升曲线（电磁泵电流10.2 A）。从图中可知，在30 min时，LED灯的基板温度T5达到平衡，最高温度约为69.3℃。因此，从LED基板到环境的温升约为43℃，远超过项目设计参数。综合分析考虑，减小液态金属管路的直径会带来3个因素的变化：①液态金属在管内的沿程流动阻力增大；②由于管径减小，冷板内对流换热面积减小；③液态金属填充量减少约44%，材料成本大幅度降低。然而，由于流动阻力变大，在电磁泵电流为恒定10 A的条件下，液态金属的流动速度将减少，由此造成液态金属热容温升为15.9℃，远超出设计参数。单位时间内，由高功率密度LED产生的热量无法由液态金属全部带出冷板，导致LED基板温度升高。同时，由于质量流量较小，液态金属所携带的热量在散热器的前段已经降低接近室温，翅片散热效率低。因此，在使用小管径（6 mm内径）时，需要考虑采用较大的电磁泵驱动电流。

图11-23　6 mm内径液态金属散热器500 W LED灯的温升曲线（电磁泵电流10.2 A）

11.4.2.6　电磁泵驱动电流对散热性能的影响

由上可知，采用较大的电磁泵驱动电流是提升6 mm内径散热器散热效果的一个途径。为此，如下进一步考察采用不同电流进行测试的情况［1］。从安全角度出发，输出电流I的范围选取为0～20 A。首先，采用10 A驱动电流进行实验，待LED基板温度T5达到70℃（LED安全温度）左右时，将驱动电流增加至15 A并维持20 min恒定不变，此后再将驱动电流增加至20 A并维持20 min恒定不变。图11-24所示为电磁泵驱动电流对液态金属散热器性能的影响，3个阶段的电流分别为10 A、15 A、20 A。如图11-24所示，当驱动电流为10 A时，环境温度恒定在28℃左右，LED基板温度在30 min左右上升至74℃，冷板的出口温度约70℃，并趋于恒定不变。此时，LED冷板的液态金属入口温度较低，仅约为37℃。

图11-24　电磁泵驱动电流对液态金属散热器性能的影响

可以看出，在低驱动电流条件下，液态金属在冷板内的进出口温差较大，这是因为较慢的流速会引起热容热阻值偏高。为此，在40 min时，将电磁泵驱动电流提升至15 A，此时LED基板温度在很短时间内即降低至68℃。同时，液态金属冷板入口温度也提升至40℃左右。此后，进一步提高电磁泵驱动电流至20 A，液态金属在冷板内的进出口温差进一步减小，同时由于冷板内液态金属质量流量增大，出口温度降低至60℃。综上所述，随着增大电磁泵驱动电流，液态金属的进出口温差不断减小，整个散热器的热容热阻也随之降低，有效地降低了LED基板的温度［1］。需要指出的是，在上述实验中，最大电磁泵驱动电流仅设置为20 A。原因在于：在实际使用中，随着电流的升高，电磁泵供电电源产生的焦耳热也随之升高，从而导致系统有一定的安全隐患，不适宜在户外LED灯具产品中长期使用。