相變儲(chǔ)能式熱管理在電子設(shè)備上的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)化方向*

崔　超　肖玉麒　王　曉　呂　玲　熊玉亭

(1.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310013；2.浙江大學(xué)熱工與動(dòng)力系統(tǒng)研究所，杭州 310027)

0　引言

一些電子設(shè)備，例如筆記本電腦、移動(dòng)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(dǎo)致大量的熱量產(chǎn)生，如果這些熱量得不到及時(shí)散發(fā)，將致使整個(gè)電子設(shè)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(fēng)機(jī)、泵等附件，會(huì)增加系統(tǒng)的體積，同時(shí)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(chǔ)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(shí)，吸收或放出大量的相變潛熱而進(jìn)行的。其具有儲(chǔ)能密度高，吸、放熱過(guò)程近似等溫，易與電子設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)匹配等優(yōu)點(diǎn)；另外，相變儲(chǔ)能材料在電子設(shè)備熱管理系統(tǒng)中也具有降低整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)體積，不需要耗費(fèi)額外能量等優(yōu)勢(shì)。因此，隨著相變儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，相變儲(chǔ)能式熱管理在電子設(shè)備上的應(yīng)用研究越來(lái)越多。

1　相變儲(chǔ)能式熱管理原理及相變儲(chǔ)能材料

1.1　相變儲(chǔ)能式熱管理原理

相變儲(chǔ)能式熱管理的原理是當(dāng)被控溫物體表面溫度上升到上限溫度時(shí)，相變材料(PCM)發(fā)生相變吸收熱量，延緩表面溫度上升；當(dāng)溫度下降到下限溫度時(shí)，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(fù)荷熱沖擊的能力，保證電子設(shè)備運(yùn)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(jīng)過(guò)預(yù)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(shí)高發(fā)熱特性的電子設(shè)備(如圖1所示的脈沖式和周期性電流)，其相變溫控是當(dāng)電子設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量時(shí)，PCM通過(guò)相變儲(chǔ)熱，使電子設(shè)備的溫度在短時(shí)間內(nèi)維持恒定或維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。當(dāng)電子設(shè)備不發(fā)熱時(shí)，PCM有足夠長(zhǎng)的時(shí)間反向相變釋放熱量以恢復(fù)其原始狀態(tài)，為下一次的相變儲(chǔ)熱做好準(zhǔn)備；具有間歇發(fā)熱特性或處于波動(dòng)溫度環(huán)境下的電子設(shè)備，其相變溫控是當(dāng)電子設(shè)備處于高發(fā)熱或高溫環(huán)境下，PCM通過(guò)相變儲(chǔ)熱，維持電子設(shè)備在某一溫度以下；而當(dāng)電子設(shè)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(shè)備在某一溫度以上[3]。

圖1　脈沖式和周期性電流

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)，將相變材料應(yīng)用于Optima電池組塊的熱管理，如圖2所示。通過(guò)熱管理，使電池在適宜的溫度區(qū)間內(nèi)工作，同時(shí)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(shí)驗(yàn)的電池模塊

1.2　相變儲(chǔ)能材料

相變潛熱一般較大，不同物質(zhì)間的相變潛熱差別也很大。例如有機(jī)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(wú)機(jī)物可高達(dá)1000 kJ/kg以上。常見(jiàn)的潛熱儲(chǔ)熱材料的性質(zhì)如表1所示。

由表1可以看出，相變材料具有較高的單位質(zhì)量相變潛熱，具有大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)的價(jià)值。但是，其導(dǎo)熱系數(shù)(如液態(tài)石蠟約為0.15W/m·K)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于組成散熱器的金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等材料，嚴(yán)重影響了能量?jī)?chǔ)存和釋放的速率。因此，有必要對(duì)相變材料進(jìn)行有效改造。

表1　潛熱儲(chǔ)熱材料的性質(zhì)[2-3]

2　相變儲(chǔ)能式熱管理的應(yīng)用現(xiàn)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(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[4]；1964年，由馬歇爾空間中心贊助的Northrup空間實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始將PCM儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用于電子器件的封裝、航天器溫度的調(diào)節(jié)、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)熱等方面；相變材料在導(dǎo)彈電子系統(tǒng)[5]的應(yīng)用作用尤為突出，因?yàn)閷?dǎo)彈的巡航時(shí)間較短，相變材料能在極短的時(shí)間內(nèi)充分放電(凝固)，而且導(dǎo)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(dòng)力電池?zé)峁芾?/h3>

對(duì)于大多數(shù)類型的電池來(lái)講，電池使用的最佳溫度為10～50℃，并能在此溫度范圍內(nèi)獲得性能和壽命的最佳平衡。張國(guó)慶，張海燕[5]分析了動(dòng)力型電池組在運(yùn)行中的熱問(wèn)題對(duì)電動(dòng)車在各種環(huán)境下服役性能的重要影響，文中著重總結(jié)了采用相變材料(PCM)的熱管理系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)和PCM的主要參數(shù)；沈云飛等人[6]分析了鋰離子電池(特別是LiFePO4電池)高功率、長(zhǎng)壽命、安全性好的特點(diǎn)，期待其在電動(dòng)汽車上有很好的應(yīng)用前景；Rao和Wang[7]指出應(yīng)用于電池組件的理想熱管理系統(tǒng)應(yīng)該具有體積小，重量輕，成本低的特點(diǎn)。相對(duì)強(qiáng)制風(fēng)冷和液冷的熱管理(由于鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、泵等配件的加入，使整個(gè)系統(tǒng)過(guò)于龐大、復(fù)雜和昂貴)，相變材料的被動(dòng)熱管理，不需要移動(dòng)部件，簡(jiǎn)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(jīng)離不開(kāi)電，各種電子器件也豐富了人們的生活。電子器件的溫度過(guò)高將嚴(yán)重影響其使用壽命。對(duì)于周期性或脈沖性功率輸入的電子器件芯片，通過(guò)相變材料與散熱器的結(jié)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(dòng)趨于均勻。洪榮華等[9]在電梯制動(dòng)單元上運(yùn)用相變儲(chǔ)能式散熱器，電梯制動(dòng)單元在制動(dòng)時(shí)，將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，相變材料通過(guò)熔化將這些熱量吸收，保護(hù)電梯的制動(dòng)單元。

3　相變儲(chǔ)能式熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化

相變儲(chǔ)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(fù)合相變材料以及散熱器的傾斜角度五個(gè)方面。

3.1　相變材料熔化溫度

Leoni和Amon[9]采用樹(shù)脂模擬的方法研究了有機(jī)相變材料在便攜式電腦暫態(tài)熱管理中的應(yīng)用，數(shù)值模擬結(jié)果顯示選擇較高熔化溫度的相變材料來(lái)進(jìn)行熱管理效果較好；Hodes[10]等人用實(shí)驗(yàn)方法研究了通話設(shè)備模型的暫態(tài)熱管理的效果，他們得出結(jié)論，加入適量的PCM能極大的提高通話設(shè)備的服務(wù)時(shí)間。但他們只是簡(jiǎn)單的比較了兩種相變材料的熱管理效果，沒(méi)有具體分析相變溫度對(duì)散熱的影響。未來(lái)可以采用實(shí)驗(yàn)方法研究不同熔化溫度的相變材料對(duì)于散熱器性能的影響，以指導(dǎo)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(jié)構(gòu)的幾種參數(shù)對(duì)散熱器溫度的影響和相變材料在散熱器中的熔化過(guò)程。研究結(jié)果顯示：翅片數(shù)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(duì)散熱器性能提升很??；Setoh等人[12]針對(duì)手機(jī)的散熱，用二十烷作為相變材料，設(shè)計(jì)了三種含有不同翅片數(shù)的散熱器。研究結(jié)果顯示：翅片的加入降低了實(shí)驗(yàn)裝置的最高溫度，使用相變材料能使手機(jī)溫度穩(wěn)定的時(shí)間更長(zhǎng)，這樣能延長(zhǎng)手機(jī)的使用壽命。

3.3　組合相變材料

Gong和Mujumdar[14-15]用熱力學(xué)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(guò)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(shù)值模擬結(jié)果顯示：使用不同熔化溫度的組合相變材料能大大增強(qiáng)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(dòng)；Shaikh和Lafdi[16-18]用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)證明了Gong和Mujumdar的理論。他們?cè)O(shè)計(jì)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(guò)測(cè)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(chǔ)熱和散熱效果。結(jié)果顯示：三種相變材料比一種相變材料的容器能儲(chǔ)存更多熱量，并有效的將這些熱量散走；Cui等人[19]用數(shù)值模擬方法研究了三種相變材料的儲(chǔ)熱器，與單一相變材料相比，前者不僅增強(qiáng)了傳熱能力，同時(shí)大大減小了排氣溫度的波動(dòng)。

3.4　復(fù)合相變材料

絕大多數(shù)無(wú)機(jī)物相變材料具有腐蝕性，相變過(guò)程中存在過(guò)冷和相分離的缺點(diǎn)，而有機(jī)物相變材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，相變過(guò)程中的傳熱性能差。近年來(lái)，復(fù)合相變儲(chǔ)能材料應(yīng)運(yùn)而生，它既能有效克服單一的無(wú)機(jī)物或有機(jī)物相變儲(chǔ)能材料存在的缺點(diǎn)，又可以改善相變材料的應(yīng)用效果以及拓展其應(yīng)用范圍。

張正國(guó)等人[20]以石蠟為相變材料、膨脹石墨為支撐結(jié)構(gòu)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，60 ％，70 ％和80 ％的石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料。儲(chǔ)(放)熱性能測(cè)試結(jié)果表明：含80 ％石蠟的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料儲(chǔ)熱時(shí)間比石蠟減少69.7 ％，放熱時(shí)間減少80.2 ％；Shaikh和Lafdi 在石蠟基液中加入碳納米管來(lái)提高整體導(dǎo)熱系數(shù)；Fleischer等人[21]研究了碳纖維復(fù)合相變材料的散熱器，結(jié)果顯示：碳纖維的加入大大減小了散熱器的運(yùn)行溫度。通過(guò)不同相變材料的組合將會(huì)得到不同的散熱效果，同時(shí)不同相變材料的組合將會(huì)得到不同的熔化溫度，用實(shí)驗(yàn)方法研究不同熔化溫度的組合相變材料對(duì)散熱器散熱性能的影響，能為前人所做的理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬研究進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.5　散熱器不同傾角

熱量通過(guò)導(dǎo)熱和自然對(duì)流從熱源傳遞到相變材料，在相變材料的熔化過(guò)程中，熱量的傳遞主要是自然對(duì)流，傾斜角度是影響自然對(duì)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(shí)間，并用二維數(shù)值模擬方法進(jìn)行模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shí)，溫度梯度方向與重力方向一致，自然對(duì)流最強(qiáng)，因此熱量傳遞最快。而垂直方向時(shí)，溫度梯度與重力方向垂直，自然對(duì)流幾乎為零，相變材料內(nèi)部的傳熱幾乎完全是導(dǎo)熱，所以熱量傳遞最慢；Wang[23]和Yang[24]等人用數(shù)值模擬方法研究了不同角度對(duì)散熱器的影響。得到的結(jié)果與Kandasamy等人實(shí)驗(yàn)的結(jié)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(shí)的自然對(duì)流完全為零，熱量完全靠導(dǎo)熱傳遞，因此熱量傳遞最慢。對(duì)于角度前人已有較多的相關(guān)研究，但是實(shí)驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)比較少，并且通常是在較低的加熱功率下(12W)開(kāi)展的，對(duì)應(yīng)的熱流密度(0.5W/cm2)也很小。因此研究人員可以通過(guò)在實(shí)驗(yàn)中采用較大的角度變化范圍和較高的熱流密度來(lái)研究散熱器的傾斜角度對(duì)于散熱性能的影響。

4　結(jié)論

相變儲(chǔ)能式熱管理系統(tǒng)通過(guò)相變材料在相變過(guò)程中吸收或放出大量的相變潛熱而進(jìn)行的電子設(shè)備溫度控制。隨著相變儲(chǔ)能式熱管理技術(shù)的發(fā)展，在航空熱控、動(dòng)力電池?zé)峁芾硪约懊裼秒娮悠骷峁芾淼阮I(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)于相變儲(chǔ)能式熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)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(fù)合相變材料以及散熱器的傾斜角度這五個(gè)方面開(kāi)展。

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