熱風(fēng)式相變陶瓷散熱器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王龍平 ，李強(qiáng) ，蔡有杰 ，杜國軍 ，聞全意 ，高愛麗

（1.齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.齊齊哈爾巴虎植物種苗開發(fā)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

目前，隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，能源的利用已是一個(gè)全球性的問題。能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)。但是由于能源的供應(yīng)與需求都有較強(qiáng)的時(shí)間性，在許多情況下人們還不能做到合理利用能源。例如，在不需要熱時(shí)卻有大量的熱產(chǎn)生，有時(shí)供應(yīng)的熱有很大余量而被損失掉等。這需要類似儲(chǔ)水池儲(chǔ)水一種將熱量進(jìn)行儲(chǔ)存，在需要時(shí)再把它釋放出來的物質(zhì)，這種物質(zhì)叫熱能儲(chǔ)存材料。蓄熱材料是一種能夠儲(chǔ)存熱能的新型化學(xué)材料，它在特定的溫度（如相變溫度）下發(fā)生生物相變化，并伴隨吸收或放出熱量，可用來控制環(huán)境的溫度，或用以儲(chǔ)存熱能。它把熱量儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)進(jìn)行釋放，從而提高能源的利用率。

1 總體結(jié)構(gòu)

散熱裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括內(nèi)管、外管、相變蓄熱材料及引風(fēng)管；內(nèi)管同軸固定套裝在外管內(nèi)，內(nèi)管設(shè)有封閉腔，相變蓄熱材料填充在內(nèi)管的封閉腔內(nèi)，引風(fēng)管的管壁上開設(shè)有熱風(fēng)口，外管下端套裝在熱風(fēng)口處并與引風(fēng)管密閉連接，外管與引風(fēng)管相互垂直設(shè)置，外管和內(nèi)管之間的間隙為風(fēng)道。外管頂端為封閉端，該封閉端中部開設(shè)有出風(fēng)口。相較于外管直徑，出風(fēng)口縮小了面積，降低了熱風(fēng)排出的速度，便于熱風(fēng)內(nèi)熱量的有效吸收。

錐形管正對內(nèi)管下端設(shè)置，引風(fēng)管引入溫室內(nèi)的熱風(fēng)，引風(fēng)管引入的部分熱風(fēng)從熱風(fēng)口和錐形管5進(jìn)入內(nèi)管下端處并與內(nèi)管封裝的相變蓄熱材料接觸，熱風(fēng)沿著內(nèi)管和外管之間的風(fēng)道流通并從外管的出風(fēng)口排出，在此過程中，相變蓄熱材料吸收熱風(fēng)中的熱量。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，相變蓄熱材料放出熱量。

外管和內(nèi)管之間通過多個(gè)連接桿固定連接。連接桿不影響熱風(fēng)的流通。內(nèi)管管壁延其徑向開設(shè)有兩個(gè)通道并通過多個(gè)封閉板將整個(gè)封閉腔分隔為三個(gè)封閉分腔，每個(gè)通道內(nèi)均固定設(shè)有導(dǎo)流板。導(dǎo)流板將熱風(fēng)引入通道下端內(nèi)，然后再繞過導(dǎo)流板從通道上端流出，增大與相變蓄熱材料的接觸面積。并減小相變蓄熱材料蓄熱和散熱的時(shí)間。

圖1 散熱器的總體結(jié)構(gòu)

2 相變材料

相變蓄熱材料3由石蠟、石墨烯、乳化劑復(fù)合而成。石蠟作為一種潛熱儲(chǔ)能材料，具有相變潛熱大，固一液相變過程容積變化小，熱穩(wěn)定性好，無過冷現(xiàn)象，價(jià)格較低廉等優(yōu)點(diǎn)。且航空、航天、微電子及光電子技術(shù)的發(fā)展，往往要求大功率組件工作時(shí)產(chǎn)生的大量耗散熱只能在有限的散熱面積和極短時(shí)間內(nèi)排散掉，而低熔點(diǎn)的相變材料相對高熔點(diǎn)相變材料能快速達(dá)到熔點(diǎn)，充分利用潛熱實(shí)現(xiàn)溫控，熱響應(yīng)時(shí)間相對較短，石蠟眾多的優(yōu)點(diǎn)使之在航空、航天、微電子等高科技系統(tǒng)以及房屋節(jié)能等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

石墨烯具有非常好的熱傳導(dǎo)性能。純的無缺陷的單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK，是目前為止導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料，高于單壁碳納米管（3500W/mK）和多壁碳納米管（3000W/mK）。當(dāng)它作為載體時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)也可達(dá)600W/mK。

乳化劑是能夠改善乳濁液中各種構(gòu)成相之間的表面張力，使之形成均勻穩(wěn)定的分散體系或乳濁液的物質(zhì)。乳化劑是表面活性物質(zhì)，分子中同時(shí)具有親水基和親油基，它聚集在油/水界面上，可以降低界面張力和減少形成乳狀液所需要的能量，從而提高乳狀液的能量。乳化劑是能夠改善乳濁液中各種構(gòu)成相之間的表面張力，使之形成均勻穩(wěn)定的分散體系或乳濁液的物質(zhì)。乳化劑是表面活性物質(zhì)，分子中同時(shí)具有親水基和親油基，它聚集在油/水界面上，可以降低界面張力和減少形成乳狀液所需要的能量，從而提高乳狀液的能量。

3 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，相變材料清潔、無污染，能夠最大化解決溫室多余熱能的儲(chǔ)存和釋放，并通過套管的形式，增加了接觸面積，對溫室的熱能有一定的可控性。配合熱風(fēng)控制系統(tǒng)對熱風(fēng)源的打開時(shí)間計(jì)算熱量，并調(diào)節(jié)出熱量，適用范圍廣泛，在未來現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中并且可以實(shí)現(xiàn)智能化控制，實(shí)現(xiàn)溫室熱能的可控、節(jié)能，極大地使熱效率提高。