崔　超　肖玉麒　王　曉　呂　玲　熊玉亭

(1.浙江省計量科學研究院，杭州 310013；2.浙江大學熱工與動力系統(tǒng)研究所，杭州 310027)

0　引言

一些電子設備，例如筆記本電腦、移動電話、快速充電器等在不同的工作條件下，其功率不同，散熱量也不同。在非正常情況下，突然增加的電流將導致大量的熱量產生，如果這些熱量得不到及時散發(fā)，將致使整個電子設備溫度升高，甚至燒壞。目前，空冷和液冷是最為常用的熱管理方式，但這樣的熱管理系統(tǒng)需要風機、泵等附件，會增加系統(tǒng)的體積，同時也存在額外的能量消耗。因此，我們需要尋求更為完善的熱管理方式。

相變儲能是利用相變材料在物態(tài)發(fā)生變化(固-液，固-固或氣-液)時，吸收或放出大量的相變潛熱而進行的。其具有儲能密度高，吸、放熱過程近似等溫，易與電子設備運行系統(tǒng)匹配等優(yōu)點；另外，相變儲能材料在電子設備熱管理系統(tǒng)中也具有降低整個設備系統(tǒng)體積，不需要耗費額外能量等優(yōu)勢。因此，隨著相變儲能技術的發(fā)展，相變儲能式熱管理在電子設備上的應用研究越來越多。

1　相變儲能式熱管理原理及相變儲能材料

1.1　相變儲能式熱管理原理

相變儲能式熱管理的原理是當被控溫物體表面溫度上升到上限溫度時，相變材料(PCM)發(fā)生相變吸收熱量，延緩表面溫度上升；當溫度下降到下限溫度時，PCM發(fā)生反向相變釋放熱量，延緩表面溫度下降。這樣可有效提高電子器件抗高負荷熱沖擊的能力，保證電子設備運行的可靠性和穩(wěn)定性；另外，在低溫環(huán)境中，電子器件可不經過預熱便能正常工作。不同類型的熱管理，相變溫控也不同：具有短時高發(fā)熱特性的電子設備(如圖1所示的脈沖式和周期性電流)，其相變溫控是當電子設備在短時間內產生大量熱量時，PCM通過相變儲熱，使電子設備的溫度在短時間內維持恒定或維持在規(guī)定的范圍內。當電子設備不發(fā)熱時，PCM有足夠長的時間反向相變釋放熱量以恢復其原始狀態(tài)，為下一次的相變儲熱做好準備；具有間歇發(fā)熱特性或處于波動溫度環(huán)境下的電子設備，其相變溫控是當電子設備處于高發(fā)熱或高溫環(huán)境下，PCM通過相變儲熱，維持電子設備在某一溫度以下；而當電子設備處于低發(fā)熱或低溫環(huán)境下，PCM反向相變釋放熱量，維持電子設備在某一溫度以上[3]。

圖1　脈沖式和周期性電流

美國國家可再生能源實驗室(NREL)，將相變材料應用于Optima電池組塊的熱管理，如圖2所示。通過熱管理，使電池在適宜的溫度區(qū)間內工作，同時減少了電池組件中各電池溫度分布的不均勻，提高了2％～5％的使用效率。

圖2　NREL實驗的電池模塊

1.2　相變儲能材料

相變潛熱一般較大，不同物質間的相變潛熱差別也很大。例如有機物的相變潛熱約為200 kJ/kg，金屬的在400～500 kJ/kg之間[1]，有的無機物可高達1000 kJ/kg以上。常見的潛熱儲熱材料的性質如表1所示。

由表1可以看出，相變材料具有較高的單位質量相變潛熱，具有大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的價值。但是，其導熱系數(如液態(tài)石蠟約為0.15W/m·K)遠遠低于組成散熱器的金屬、半導體、陶瓷等材料，嚴重影響了能量儲存和釋放的速率。因此，有必要對相變材料進行有效改造。

表1　潛熱儲熱材料的性質[2-3]

2　相變儲能式熱管理的應用現狀

2.1　航天熱控

1962年，Cryo-Therm公司率先研究了相變材料散熱器在慣性導航系統(tǒng)中的應用[4]；1964年，由馬歇爾空間中心贊助的Northrup空間實驗室開始將PCM儲熱技術應用于電子器件的封裝、航天器溫度的調節(jié)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的儲熱等方面；相變材料在導彈電子系統(tǒng)[5]的應用作用尤為突出，因為導彈的巡航時間較短，相變材料能在極短的時間內充分放電(凝固)，而且導彈的電子系統(tǒng)為周期性工作，正好符合相變的特性。

2.2　動力電池熱管理

對于大多數類型的電池來講，電池使用的最佳溫度為10～50℃，并能在此溫度范圍內獲得性能和壽命的最佳平衡。張國慶，張海燕[5]分析了動力型電池組在運行中的熱問題對電動車在各種環(huán)境下服役性能的重要影響，文中著重總結了采用相變材料(PCM)的熱管理系統(tǒng)原理、設計和PCM的主要參數；沈云飛等人[6]分析了鋰離子電池(特別是LiFePO4電池)高功率、長壽命、安全性好的特點，期待其在電動汽車上有很好的應用前景；Rao和Wang[7]指出應用于電池組件的理想熱管理系統(tǒng)應該具有體積小，重量輕，成本低的特點。相對強制風冷和液冷的熱管理(由于鼓風機、引風機、泵等配件的加入，使整個系統(tǒng)過于龐大、復雜和昂貴)，相變材料的被動熱管理，不需要移動部件，簡潔輕便，能使電池組件的溫度分布均勻。

2.3　民用電子器件熱管理

如今，人們的生活已經離不開電，各種電子器件也豐富了人們的生活。電子器件的溫度過高將嚴重影響其使用壽命。對于周期性或脈沖性功率輸入的電子器件芯片，通過相變材料與散熱器的結合，利用相變材料吸收的潛熱起到 “移峰填谷”的作用，使電子器件的溫度波動趨于均勻。洪榮華等[9]在電梯制動單元上運用相變儲能式散熱器，電梯制動單元在制動時，將會在短時間內產生大量的熱量，相變材料通過熔化將這些熱量吸收，保護電梯的制動單元。

3　相變儲能式熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化

相變儲能式熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化主要是基于相變材料本身和散熱器兩方面的研究，包括相變材料的熔化溫度、翅片、組合相變材料、復合相變材料以及散熱器的傾斜角度五個方面。

3.1　相變材料熔化溫度

Leoni和Amon[9]采用樹脂模擬的方法研究了有機相變材料在便攜式電腦暫態(tài)熱管理中的應用，數值模擬結果顯示選擇較高熔化溫度的相變材料來進行熱管理效果較好；Hodes[10]等人用實驗方法研究了通話設備模型的暫態(tài)熱管理的效果，他們得出結論，加入適量的PCM能極大的提高通話設備的服務時間。但他們只是簡單的比較了兩種相變材料的熱管理效果，沒有具體分析相變溫度對散熱的影響。未來可以采用實驗方法研究不同熔化溫度的相變材料對于散熱器性能的影響，以指導適宜熔化溫度的相變材料的選擇。

3.2　翅片

翅片能大大增加散熱器的表面積，這方面的研究成果較多。Hosseinizadeh等人[11]研究了不同功率下，相變材料散熱器結構的幾種參數對散熱器溫度的影響和相變材料在散熱器中的熔化過程。研究結果顯示：翅片數的增加和翅片高度的增加能大大提高散熱器的整體性能，而翅片厚度的增加對散熱器性能提升很??；Setoh等人[12]針對手機的散熱，用二十烷作為相變材料，設計了三種含有不同翅片數的散熱器。研究結果顯示：翅片的加入降低了實驗裝置的最高溫度，使用相變材料能使手機溫度穩(wěn)定的時間更長，這樣能延長手機的使用壽命。

3.3　組合相變材料

Gong和Mujumdar[14-15]用熱力學方法分析了使用多種相變材料的潛熱系統(tǒng)中的能量充放過程。研究分析指出：使用多種相變材料的系統(tǒng)與使用單一相變材料的系統(tǒng)相比，火用效率得到很大的提高。隨后，他們提出了使用組合相變材料的模型，數值模擬結果顯示：使用不同熔化溫度的組合相變材料能大大增強換熱器充放能量的速率，而且使用組合相變材料能大大減小傳熱流體出口溫度的波動；Shaikh和Lafdi[16-18]用數值模擬和實驗證明了Gong和Mujumdar的理論。他們設計了一種抽屜式的盒子，三層抽屜可分別放三種相變材料，通過測量接觸面溫度和加熱片溫度，比較了一種相變材料和三種相變材料組成的容器的儲熱和散熱效果。結果顯示：三種相變材料比一種相變材料的容器能儲存更多熱量，并有效的將這些熱量散走；Cui等人[19]用數值模擬方法研究了三種相變材料的儲熱器，與單一相變材料相比，前者不僅增強了傳熱能力，同時大大減小了排氣溫度的波動。

3.4　復合相變材料

絕大多數無機物相變材料具有腐蝕性，相變過程中存在過冷和相分離的缺點，而有機物相變材料導熱系數較低，相變過程中的傳熱性能差。近年來，復合相變儲能材料應運而生，它既能有效克服單一的無機物或有機物相變儲能材料存在的缺點，又可以改善相變材料的應用效果以及拓展其應用范圍。

張正國等人[20]以石蠟為相變材料、膨脹石墨為支撐結構，利用膨脹石墨的多孔吸附特性，制備出了石蠟含量分別為50 ％(質量分數，下同)，60 ％，70 ％和80 ％的石蠟/膨脹石墨復合相變儲熱材料。儲(放)熱性能測試結果表明：含80 ％石蠟的復合相變儲熱材料儲熱時間比石蠟減少69.7 ％，放熱時間減少80.2 ％；Shaikh和Lafdi 在石蠟基液中加入碳納米管來提高整體導熱系數；Fleischer等人[21]研究了碳纖維復合相變材料的散熱器，結果顯示：碳纖維的加入大大減小了散熱器的運行溫度。通過不同相變材料的組合將會得到不同的散熱效果，同時不同相變材料的組合將會得到不同的熔化溫度，用實驗方法研究不同熔化溫度的組合相變材料對散熱器散熱性能的影響，能為前人所做的理論推導和數值模擬研究進行實驗驗證。

3.5　散熱器不同傾角

熱量通過導熱和自然對流從熱源傳遞到相變材料，在相變材料的熔化過程中，熱量的傳遞主要是自然對流，傾斜角度是影響自然對流的重要因素。

Kandasamy等人[22]使用一種塑料模塊研究了不同的輸入功率、封裝方向，在周期性的加熱情況下，不同的熔化/凝固時間，并用二維數值模擬方法進行模擬與實驗結果進行對比：在水平、45°和垂直方向，塑料模塊的最高溫度依次降低。這是由于熱量從底部加熱，水平方向時，溫度梯度方向與重力方向一致，自然對流最強，因此熱量傳遞最快。而垂直方向時，溫度梯度與重力方向垂直，自然對流幾乎為零，相變材料內部的傳熱幾乎完全是導熱，所以熱量傳遞最慢；Wang[23]和Yang[24]等人用數值模擬方法研究了不同角度對散熱器的影響。得到的結果與Kandasamy等人實驗的結果基本一致。他們還研究了溫度梯度與重力方向相反的極端情況，這時的自然對流完全為零，熱量完全靠導熱傳遞，因此熱量傳遞最慢。對于角度前人已有較多的相關研究，但是實驗研究的數據比較少，并且通常是在較低的加熱功率下(12W)開展的，對應的熱流密度(0.5W/cm2)也很小。因此研究人員可以通過在實驗中采用較大的角度變化范圍和較高的熱流密度來研究散熱器的傾斜角度對于散熱性能的影響。

4　結論

相變儲能式熱管理系統(tǒng)通過相變材料在相變過程中吸收或放出大量的相變潛熱而進行的電子設備溫度控制。隨著相變儲能式熱管理技術的發(fā)展，在航空熱控、動力電池熱管理以及民用電子器件熱管理等領域都有了廣泛的應用。本文對于相變儲能式熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化進行了展望，可以從相變材料的熔化溫度，翅片，組合相變材料，復合相變材料以及散熱器的傾斜角度這五個方面開展。

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