泡沫石墨基復(fù)合相變材料儲(chǔ)熱過程的數(shù)值研究

賈艾蘭，邢玉明（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191）

泡沫石墨基復(fù)合相變材料儲(chǔ)熱過程的數(shù)值研究

賈艾蘭*，邢玉明
（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191）

采用數(shù)值仿真的方法，對(duì)填充單一相變材料（石蠟、Cerrolow-136合金（49%Bi-21%In-18%Pb-12%Sn））和泡沫石墨基復(fù)合相變材料的相變溫控裝置PTCC（Phase change thermal control component）的儲(chǔ)熱性能進(jìn)行研究，對(duì)比分析兩類溫控裝置對(duì)電子發(fā)熱元件表面溫度的控制效果。結(jié)果表明：在芯片功率為25W、工作時(shí)長(zhǎng)30min條件下，含泡沫石墨基復(fù)合相變材料的PTCC對(duì)芯片表面的溫度控制比含有單一相變材料的控制溫度更低，并且對(duì)于芯片到達(dá)溫度上限（75℃）的控制時(shí)間也有所延長(zhǎng)。泡沫石墨材料的應(yīng)用提高了相變材料的儲(chǔ)熱性能，同時(shí)也滿足了電子設(shè)備的溫控要求。

電子器件；泡沫石墨；數(shù)值仿真；相變溫控技術(shù)

隨著航空航天電子設(shè)備、高能激光武器等電子散熱部件趨向高集成化、小型化和高頻化，熱環(huán)境條件變得更加惡劣和復(fù)雜，這勢(shì)必會(huì)對(duì)電子元器件性能提出更高的要求。有研究者曾提出，未來高熱流密度器件平均散熱需求將達(dá)120W/cm2。對(duì)于現(xiàn)階段和未來的高熱流密度器件，傳統(tǒng)的散熱技術(shù)很難滿足其熱控需求。因此尋找新型強(qiáng)化散熱技術(shù)以滿足電子設(shè)備散熱的要求至關(guān)重要［1～3］。相變溫控技術(shù)是一種被動(dòng)式散熱技術(shù)。它利用相變材料PCM（Phase Change Material）發(fā)生相變時(shí)吸收或釋放能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件的溫度控制［4-5］。選擇一種合適的相變材料對(duì)于相變溫控技術(shù)有重要影響，它將影響到相變溫控效果甚至溫控的成敗。

在相變熱控技術(shù)中應(yīng)用較普遍的相變材料為固-液相變材料，但傳統(tǒng)的低熔點(diǎn)相變材料均存在導(dǎo)熱率低的問題，這將會(huì)影響相變熱控技術(shù)的儲(chǔ)能效率。提高相變材料導(dǎo)熱率的方法主要有：添加高導(dǎo)熱納米顆粒、添加多孔介質(zhì)材料如泡沫金屬、泡沫石墨等。Hoogendoorn［6］等人研究了太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用的相變材料，在采用體積分?jǐn)?shù)為1%～5%的鋁基體之后，強(qiáng)化因子提高了2%。尹輝斌［7］等人實(shí)驗(yàn)研究了含導(dǎo)熱系數(shù)為4.676W/（m·K）的石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料的散熱裝置對(duì)電子芯片的散熱效果，最后研究結(jié)果表明石蠟/膨脹石墨復(fù)合相變材料有效地提高了電子元器件的抗高負(fù)荷沖擊，系統(tǒng)的表觀傳熱系數(shù)比傳統(tǒng)散熱系數(shù)提高了1.36倍～2.98倍。

金屬相變材料是一種導(dǎo)熱率較高、單位體積儲(chǔ)能密度大，化學(xué)性能穩(wěn)定的一種較理想相變材料。潘艾剛［8］研究了 Cerrolow-136合金（49 Bi/21 In/ 18Pb/12 Sn）的熱物理性能，他以張芳［9］等人的溫控實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，將Cerrolow-136合金替代石蠟作為相變材料，同樣對(duì)相變溫控裝置的溫控效果進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Cerrolow-136合金材料的體積僅為石蠟的12%的情況下，試驗(yàn)溫控裝置達(dá)到溫度標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間相比之前更長(zhǎng)。但金屬材料存在密度大、溫控單元重量增加的問題，這不滿足航空航天領(lǐng)域的減重要求。為保留金屬材料高導(dǎo)熱、單位體積儲(chǔ)能密度大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能盡量減輕重量，人們開始對(duì)密度小同時(shí)導(dǎo)熱性好的基體材料進(jìn)行探索和研究。

泡沫石墨是一種新型的多孔碳材料，具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，沿蜂窩壁面的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1 700 W/（m·K），容積導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)180W/（m·K），密度小于0.55 g/cm3，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性能，與絕大多數(shù)相變材料具有相容性。同時(shí)它具有普通石墨材料所沒有的吸附性［10］。利用泡沫石墨材料的吸附性和高導(dǎo)熱性制備出泡沫石墨基復(fù)合相變材料，將會(huì)具有很好的儲(chǔ)熱性能。因此它在相變熱控制領(lǐng)域中成為一種較理想的多孔介質(zhì)材料。Zhong Y［11-12］等人以中間相瀝青基泡沫石墨作為PCM載體材料，在真空環(huán)境80℃浸滲5 h、3 h熔融浸滲工藝制備了Wood's alloy（50 Bi27 Pb-13 Sn-10 Cd）（熔點(diǎn)為71℃）和石蠟（熔點(diǎn)為58℃）的復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，并對(duì)兩種復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的熱性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的潛熱值隨石蠟含量的增加而增加；相比泡沫石墨和Wood'salloy的導(dǎo)熱率，復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的導(dǎo)熱率均升高兩倍多。

本文通過數(shù)值仿真的方法，以泡沫石墨材料為基體材料，研究泡沫石墨/Cerrolow-136復(fù)合相變材料、Cerrolow-136合金、泡沫石墨/石蠟復(fù)合相變材料以及石蠟對(duì)熱載荷為25W的熱源表面溫度的控制效果。通過計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析泡沫石墨基復(fù)合相變材料的控溫優(yōu)勢(shì)。

1　仿真模型建立和邊界條件

1.1物理模型

為便于建模及數(shù)值仿真，計(jì)算模型采用圓柱體，裝置底部為模擬芯片熱源，施加均勻的熱流密度。具體如圖1所示。三維模型外腔尺寸直徑為70mm，高40mm，內(nèi)部腔體尺寸直徑64mm，高35 mm。內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖1　相變儲(chǔ)能裝置模型結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　模型結(jié)構(gòu)尺寸

1.2邊界條件

（1）整個(gè)相變控溫裝置的初始溫度為25℃，重力加速度9.8m/s2。

（2）裝置下表面以薄膜加熱片形式受熱，熱流密度均勻。模擬芯片熱源發(fā)熱功率25W，加熱時(shí)長(zhǎng)30min。

（3）芯片熱源表面溫度的上限定為75℃。

1.3物性參數(shù)

Cerrolow-136合金屬于低熔點(diǎn)合金，它的單位體積潛熱大，無毒，穩(wěn)定性好，而石蠟為傳統(tǒng)相變材料，導(dǎo)熱率較低。泡沫石墨材料導(dǎo)熱率高，密度小，熱膨脹系數(shù)低。在選擇相變溫控裝置封裝材料時(shí)，考慮到Cerrolow-136合金的相容性問題，外殼材料選用不銹鋼材料。具體物性參數(shù)見表1～表3。

表1　兩種相變材料物性參數(shù)

表2　泡沫石墨材料物性參數(shù)

表3　不銹鋼材料物性參數(shù)

2　數(shù)學(xué)模型及數(shù)值求解

Fluent中采用熔化/凝固模型處理相變問題，并引入焓-多孔理論，將熱焓與溫度作為待求函數(shù)，建立統(tǒng)一的能量方程。假設(shè)固-液兩相區(qū)的液相體積分?jǐn)?shù)與溫度變化呈線性關(guān)系，通過不斷對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的單元的液相體積分?jǐn)?shù)來跟蹤固-液兩相界面的變化［13］。為方便分析和計(jì)算，過程中作出4點(diǎn)假設(shè)：

（1）相變材料各向同性，初始溫度均勻，在一定的溫度范圍內(nèi)發(fā)生相變；

（2）熔化后的液態(tài)相變材料為不可壓流體，作層流流動(dòng)，無粘性耗散；

（3）相變材料密度滿足Boussinesq假設(shè)，忽略壓強(qiáng)的變化對(duì)材料密度的影響；

（4）忽略相變材料發(fā)生相變時(shí)空穴的產(chǎn)生對(duì)PCM傳熱的影響。

3　仿真結(jié)果

3.1熱源表面的控溫效果

圖3表示從熱源開始發(fā)熱到結(jié)束供熱的30min時(shí)間內(nèi)，含兩種相變材料、兩種復(fù)合相變材料的PTCC分別對(duì)于熱源表面溫度控制效果隨時(shí)間的變化曲線。

圖3　熱源面平均溫度隨加熱時(shí)間的變化曲線

（1）對(duì)于純石蠟的控溫結(jié)果：在熱源功率為25 W，供熱30 min結(jié)束時(shí)刻，熱源面溫度已經(jīng)達(dá)到108℃，超出允許的溫度上限，熱源面達(dá)到溫度上限75℃的時(shí)間為852 s。

（2）對(duì)于泡沫石墨/石蠟復(fù)合相變材料的控溫結(jié)果：至加熱結(jié)束時(shí)刻，熱源面溫度達(dá)到97℃，比純石蠟的控制溫度108℃低了11℃；而熱源表面的溫度達(dá)到上限75℃的時(shí)間為1 256 s，相比純石蠟的控溫時(shí)間延長(zhǎng)了404 s。這表明泡沫石墨材料能夠增強(qiáng)石蠟的儲(chǔ)熱性能，將發(fā)熱元件表面的溫度控制的更低，熱源面維持在合理溫度范圍內(nèi)的時(shí)間更長(zhǎng)。

（3）對(duì)于純Cerrolow136合金的控溫結(jié)果：在熱源功率為25W，供熱30min結(jié)束時(shí)刻，熱源溫度達(dá)到69℃，完全滿足溫度的最大限制要求。

（4）對(duì)于泡沫石墨/Cerolow-136復(fù)合相變材料的控溫結(jié)果：至熱源供熱結(jié)束時(shí)刻，熱源溫度達(dá)到64℃，完全滿足溫度的限制要求，相比Cerrolow-136合金控制的溫度降低了5℃。

3.2相變溫控裝置的溫控效果

3.2.1不同時(shí)刻的溫度分布

以下將針對(duì)Cerrolow-136合金、泡沫石墨/Cerrolow-136復(fù)合相變材料對(duì)相變溫控裝置的溫控效果進(jìn)行討論，并驗(yàn)證泡沫石墨/Cerrolow-136復(fù)合相變材料的控溫優(yōu)勢(shì)。

圖4～圖6分別為600 s、1200 s及1 800 s時(shí)刻，含Cerrolow-136合金和泡沫石墨/Cerrolow-136復(fù)合相變材料的儲(chǔ)能裝置中心截面處的溫度分布圖。從圖3可以看出，在600 s時(shí)刻，兩者均存在固-液兩相區(qū)，由于泡沫石墨/Cerrolow-136復(fù)合相變材料導(dǎo)熱率較高，芯片熱源發(fā)熱量很快傳遞至相變溫控裝置內(nèi)部，因此含復(fù)合相變材料的PTCC中的溫度等值線比含有Cerrolow-136合金的溫度等值線要陡峭些。隨著加熱時(shí)間增長(zhǎng)，底部溫度較高，上部溫度較低，裝置整體溫度沿縱軸方向逐漸升高，而熱源的發(fā)熱量沿縱向持續(xù)而均勻的傳遞給儲(chǔ)能裝置，從3個(gè)時(shí)刻的溫度分布結(jié)果可以看出，兩者均出現(xiàn)非常均勻的溫度帶。在1 800 s時(shí)刻，含泡沫石墨/Cerrolow-136復(fù)合相變材料的溫控裝置整體的溫度要比含Cerrolow-136合金的溫控裝置的溫度低一些，這是由于泡沫石墨材料有效地增強(qiáng)了Cerrolow-136合金的導(dǎo)熱率，增大了傳熱效率，使得合金熔化速率加快，能更快地吸收熱源的散熱量，從而使溫控裝置的溫度更低、內(nèi)部分布更均勻。

圖4　600 s時(shí)刻溫度分布圖

圖5　1 200 s時(shí)刻溫度分布

圖6　1 800 s時(shí)刻溫度分布圖

3.2.2不同時(shí)刻的液相體積分?jǐn)?shù)分布

圖7～圖9分別為600 s、1200 s及18 00 s時(shí)刻，含Cerrolow-136和泡沫石墨/Cerrolow-136復(fù)合相變材料的相變儲(chǔ)能裝置中心截面處的液相體積分?jǐn)?shù)分布圖。圖中亮白色條帶為固-液共存區(qū)，其以下區(qū)域代表液相區(qū)，以上區(qū)域則為固相區(qū)。隨加熱時(shí)間的增長(zhǎng)，液相體積分?jǐn)?shù)沿縱軸方向從熱源處逐漸開始增大。在600 s時(shí)刻，含Cerrolow-136合金的裝置底部，出現(xiàn)很小一部分液相區(qū)，而含泡沫石墨/Cerrolow-136復(fù)合相變材料的裝置底部，已明顯出現(xiàn)液相區(qū)。在1 200 s時(shí)刻，兩者均已出現(xiàn)較大范圍的液相區(qū)。到達(dá)1 800 s時(shí)刻，含泡沫石墨/Cerrolow-136復(fù)合相變材料的裝置的液相區(qū)范圍達(dá)到一半比例。從液相區(qū)范圍隨時(shí)間的變化趨勢(shì)可以看出，含泡沫石墨/Cerrolow-136復(fù)合相變材料裝置的液相區(qū)范圍比含Cerrolow-136合金裝置的液相區(qū)范圍更大、范圍更寬。這表明泡沫石墨/ Cerrolow-136復(fù)合相變材料裝置中的相變材料的熔化比例更大，吸收熱源散出的熱量更多。

圖7　600 s時(shí)刻液相分?jǐn)?shù)分布圖

圖8　1 200 s時(shí)刻液相體積分?jǐn)?shù)分布圖

圖9　1 800 s時(shí)刻液相體積分?jǐn)?shù)分布圖

4　結(jié)論

（1）在熱源功率為25W，供熱時(shí)長(zhǎng)為30min的條件下，含泡沫石墨基復(fù)合相變材料的控溫裝置比含有單一相變材料的控溫裝置能更有效地控制發(fā)熱元件的表面溫度，并且使得發(fā)熱元件的溫度維持在合理溫度的時(shí)間更加長(zhǎng)久。

（2）泡沫石墨材料是一種高導(dǎo)熱性能好的導(dǎo)熱增強(qiáng)材料，它對(duì)相變材料的儲(chǔ)熱效果有增強(qiáng)作用，在相同輸入功率的條件下增加了相變材料的熔化率；同時(shí)能夠改善相變溫控裝置內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布，使得溫度分布更加均勻。

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賈艾蘭（1990-），女，研究生在讀；主要研究領(lǐng)域?yàn)楣?液相變材料的在電子相變溫控技術(shù)上的應(yīng)用，leiwanzi66@sina.com；

邢玉明（1966-），男，教授，博士研究生導(dǎo)師；主要研究領(lǐng)域?yàn)楦邷叵嘧儍?chǔ)能材料與技術(shù)研究，高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備技術(shù)及基礎(chǔ)研究等。

Numerical Simulation of Thermal Storage Processo f Composite Phase Change Material with Graphite Foam

JIA Ailan*，XING Yuming
（School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang Uniυersity，Beijing 100191，China）

The investigation is taken to research the thermal control performance of Phase-Change Thermal Control Component（PTCC）filled with composite phase changematerialsand pure phase changematerials（paraffin and Cerrolow-136 alloy），and study their thermal controleffect for the surface temperature of heat source.The results show that under 25W heating power and after 30 minutes of heating，the surface temperature of the heat source controlled by Phase change thermal control componentwith graphite foam compositematerials is lower than that PTCC with pure phase changematerials controlled，and under graphite foam composite PCMs'thermal control，the spending time of heating that the temperature arrived to limit（75℃）is extended longer than that PTCCwith pure phase changematerials.The graphite foam material improves the thermal storage properties of the phase changematerials andmeets the requirementofelectronic equipment thermal control.

electronic component；graphite foam；numericalsimulation；phase change thermal control technology

TB333

A

1005-9490（2016）04-0759-05

2015-08-01修改日期：2015-09-06

EEACC:055010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.002