趙亮， 邢玉明， 劉鑫， 羅葉剛， 芮州峰

(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083)

隨著電子設(shè)備集成度的不斷提高，其溫控問題越來(lái)越突出，美國(guó)空軍研究結(jié)果表明，因?yàn)殡娮釉O(shè)備過(guò)熱而引起的系統(tǒng)故障問題約占總故障的55%[1]。因此，為保障電子設(shè)備的運(yùn)行可靠性、性能穩(wěn)定性和使用壽命，需要研究更加高效的電子設(shè)備溫控技術(shù)。

相比于主動(dòng)溫控技術(shù)[2]，基于相變儲(chǔ)能材料的被動(dòng)式溫控裝置具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、無(wú)功耗等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事裝備等領(lǐng)域[3]。但是大部分相變材料導(dǎo)熱性能差制約了相變熱沉的應(yīng)用[4]，為了提高其導(dǎo)熱性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用金屬翅片、泡沫金屬、高導(dǎo)熱納米材料和泡沫石墨等強(qiáng)化相變材料[5-6]。Baby和Balaji[7]對(duì)比了相變熱沉中添加針翅、板翅和不添加翅片的相變溫控效果，結(jié)果表明，添加翅片能夠有效降低模擬芯片的升溫速率，而且同體積組分情況下，添加針翅的控溫效果最佳。Arshad等[8]研究發(fā)現(xiàn)相比于截面邊長(zhǎng)為1 mm和3 mm的方形針翅，采用截面邊長(zhǎng)為2 mm的方形針翅的相變熱沉綜合控溫效果最佳。呂又付等[9]在相變材料中添加納米二氧化硅能夠有效提高相變材料對(duì)鋰電池的控溫效果。遲蓬濤等[10]提出翅片-泡沫銅復(fù)合結(jié)構(gòu)作為導(dǎo)熱增強(qiáng)介質(zhì)的概念，并通過(guò)試驗(yàn)研究提出了翅片-泡沫銅/石蠟相變過(guò)程的無(wú)量綱數(shù)關(guān)系式。施尚等[11]制備了3種不同孔隙率泡沫銅/石蠟復(fù)合相變材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于復(fù)合相變材料的熱管理系統(tǒng)性能優(yōu)越于自然對(duì)流風(fēng)冷系統(tǒng)。Li等[12]采用泡沫銅強(qiáng)化改性三水醋酸鈉的導(dǎo)熱性能，測(cè)試結(jié)果表明泡沫銅能夠?qū)⑵鋵?dǎo)熱性能提高11倍。Alshaer等[13]對(duì)比研究了純石蠟、石蠟/泡沫石墨和石蠟+泡沫石墨+碳納米管3種復(fù)合相變材料的溫控效果。Wu等[14]研究了多種工況下基于石蠟/泡沫石墨的相變熱沉的溫控效果，并對(duì)溫控過(guò)程中熱沉的接觸熱阻進(jìn)行了分析。Li等[15-16]以硬脂酸為相變材料，采用多壁碳納米管、石墨烯納米片、納米石墨片等作為導(dǎo)熱增強(qiáng)體制備了一系列復(fù)合相變材料，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)熱增強(qiáng)體的體積組分相同時(shí)，添加納米石墨片的復(fù)合相變材料儲(chǔ)能/釋能速率最大。

相變溫控技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，但是目前大多集中在相變材料制備、性能測(cè)試、相變過(guò)程傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象及某一特定復(fù)合相變材料的應(yīng)用研究[17-19]，對(duì)泡沫金屬?gòu)?qiáng)化相變材料的數(shù)值模擬方法對(duì)比研究少見報(bào)道，對(duì)不同導(dǎo)熱強(qiáng)化方式的復(fù)合相變材料溫控效果研究較少。本文采用硬脂酸作為相變材料，分析了單溫度數(shù)值模擬和雙溫度數(shù)值模擬2種方法的優(yōu)劣，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果采用較為準(zhǔn)確的雙溫度數(shù)值模擬方法討論了不同導(dǎo)熱強(qiáng)化方式對(duì)相變熱沉的控溫性能的影響，并研究了環(huán)境溫度對(duì)相變熱沉控溫過(guò)程的影響。研究結(jié)果可為相變熱沉的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 模 型

1.1 物理模型

為了研究基于硬脂酸的復(fù)合相變材料溫控性能，建立如圖1所示的物理模型,g為重力加速度。相變熱沉中填充體積為100 mm×100 mm×21 mm的復(fù)合相變材料，熱沉殼體采用2 mm厚的5052鋁合金材料，熱沉底部采用100 mm×100 mm的薄膜加熱片作為模擬均勻熱流。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用焓-多孔介質(zhì)模型模擬相變熱沉中復(fù)合相變材料的熔化控溫過(guò)程。對(duì)于石墨烯納米片(GnP)強(qiáng)化的復(fù)合相變材料采用基于Maxwell-Garnett模型的EMT建立其物性參數(shù)。對(duì)于泡沫銅/硬脂酸復(fù)合相變材料分別采用單溫度數(shù)值模擬和雙溫度數(shù)值模擬建立能量方程對(duì)比研究溫控過(guò)程。同時(shí)在模型建立中做如下假設(shè)：①泡沫銅材料為均勻的各向同性材料；②GnP在相變材料中均勻分布；③GnP與相變材料之間無(wú)溫差；④液相的相變材料因重力和密度差引起的對(duì)流效應(yīng)采用Boussinesq假設(shè)，且流動(dòng)為層流。

1.2.1 焓-多孔介質(zhì)模型與熔化-凝固模型

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程x方向：

(2)

動(dòng)量方程y方向：

(3)

動(dòng)量方程z方向：

(ρfβ)g(T-Tint)

(4)

單溫度能量方程：

(5)

單溫度能量方程中的泡沫金屬基復(fù)合相變材料等效導(dǎo)熱系數(shù)keff1通常采用基于等效導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量結(jié)果所得的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)文獻(xiàn)[20-23]，本文采用經(jīng)驗(yàn)公式為

(6)

雙溫度能量方程：

(7)

(8)

式中：V為速度矢量；u、v、w分別為x、y、z的速度分量；T為溫度；t為時(shí)間；下標(biāo)f和s分別表示相變材料與泡沫銅；k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；下標(biāo)int表示初始值；ρ為密度；ε為泡沫銅的孔隙率；μ為相變材料的動(dòng)力黏度；P為壓力；K與Cg分別為泡沫銅材料對(duì)液相相變材料流動(dòng)產(chǎn)生的慣性阻尼與黏性阻尼系數(shù)；cp為比熱；L為相變材料潛熱；Asf是泡沫銅與相變材料換熱面積；hsf是泡沫銅與相變材料之間的換熱系數(shù)；Am為相變材料混合相常數(shù)，一般取值范圍為104～107[20-23]，本文中取值為105；δ=0.001是為了避免分母為0；β為材料的熱膨脹系數(shù)；液相組分λ的定義如下：

(9)

動(dòng)量方程中的K與Cg定義如下[24]：

dp=0.025 4/(PPI)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：PPI為泡沫銅材料的孔密度；dl與dp為泡沫銅的微孔結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。

雙溫度能量方程中的泡沫銅與相變材料換熱面積Asf和換熱系數(shù)hsf定義如下[24]：

(14)

(15)

(16)

式中：Re為雷諾數(shù)，下標(biāo)d表示特征值為直徑；Pr為普朗特?cái)?shù)。

1.2.2 EMT模型

EMT模型被證明在考慮不同形狀因素的納米粒子與周圍相變材料的接觸熱阻情況下能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)納米復(fù)合相變材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)[25-27]，基于EMT模型和硬脂酸物性參數(shù)建立GnP與硬脂酸復(fù)合后的等效導(dǎo)熱系數(shù)。

等效導(dǎo)熱系數(shù)模型為

(17)

式中：

(18)

(19)

(20)

L33=1-2L11

(21)

as=l/d

(22)

(23)

(24)

式中：RBd為納米粒子與相變材料的接觸熱阻；kg為納米粒子的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[25-27]，其值一般為10-8m2/(K·W)量級(jí)，在本文中，其值為根據(jù)文獻(xiàn)[28]所列參數(shù)反算得出。

1.2.3 納米復(fù)合相變材料其他物性參數(shù)

對(duì)于基于硬脂酸的納米復(fù)合相變材料，其密度、顯熱、潛熱、熱膨脹系數(shù)根據(jù)以下公式計(jì)算得出：

ρ2=(1-φ)ρf+φρg

(25)

cp=(1-φ)(cp)f+φ(cp)g

(26)

L=(1-φ)(L)f

(27)

β=(1-φ)(β)f+φ(β)g

(28)

動(dòng)力黏度根據(jù)Krieger-Dougherty模型為

(29)

式中：φmax與Q分別為最大填充因子和材料的特性黏度[26,29]，最大填充因子為0.632，特性黏度為2.5。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

在相變熱沉中采用的相變材料為分析純度的硬脂酸，采用差示掃描量熱法(Differential Scanning Calorimeter，DSC)(DSC214，德國(guó)耐馳)在氮?dú)鈿夥障乱? K/min的升溫速率測(cè)試其潛熱值如圖2所示，導(dǎo)熱增強(qiáng)體泡沫銅的孔密度為20 PPI，孔隙率為95%，相變材料硬脂酸的潛熱值為212.2 J/g。采用微過(guò)盈配合將其嵌入壁厚為2 mm的5052鋁合金殼體中，再采用真空浸漬法將硬脂酸填充進(jìn)泡沫銅中，最后利用真空電子束焊接進(jìn)行封裝。

根據(jù)EMT等模型所得出的復(fù)合相變材料及實(shí)驗(yàn)中所用的相關(guān)材料物性參數(shù)如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖3，為減少外界環(huán)境對(duì)相變溫控過(guò)程的影響及簡(jiǎn)化溫控過(guò)程數(shù)學(xué)模型邊界條件，用2 cm厚的玻璃棉(k=0.049～0.042 W/(m·K))包裹熱沉，實(shí)現(xiàn)絕熱條件；相變熱沉底部粘貼如圖4所示的100 mm×100 mm的薄膜電加熱片作為模擬均勻發(fā)熱的芯片。利用9個(gè)PT100熱電阻測(cè)試控溫過(guò)程中模擬芯片的溫度變化情況，測(cè)溫點(diǎn)分布如圖4所示。模擬芯片的溫度為9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度的平均值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(研華科技ADAM-4015溫度采集模塊)以2 s一次的頻率采集溫度數(shù)據(jù)。

圖2 硬脂酸的DSC測(cè)試結(jié)果Fig.2 DSC measurement result of stearic acid

表1 材料物性參數(shù)Table 1 Physical property parameters of materials

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental system

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

在數(shù)值模擬過(guò)程中，采用用戶定義函數(shù)(User-Defined Function，UDF)編譯泡沫銅等效導(dǎo)熱系數(shù)及雙溫度能量方程中相變材料與泡沫銅之間的換熱系數(shù)及換熱面積。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證之前，首先對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性和時(shí)間步進(jìn)行討論，為減少計(jì)算量，選用模型對(duì)稱的四分之一作為研究對(duì)象，網(wǎng)格量分別為64 424、207 515、488 988和1 041 880，時(shí)間步長(zhǎng)為0.1、0.2、0.5和1 s。綜合考慮計(jì)算效率和模擬精度，選用網(wǎng)格量為207 515，時(shí)間步長(zhǎng)為0.2 s。

在對(duì)2種數(shù)值模擬方法進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，熱流分別設(shè)定為2 000、3 000和4 000 W/m2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比圖5所示。

圖5 不同熱流下模擬芯片溫升Fig.5 Temperature rise of analogue chip at different heat fluxes

如圖5所示，相變溫控過(guò)程一般可以分為3個(gè)階段：預(yù)熱階段、相變階段和過(guò)熱階段。模擬芯片的熱量主要由相變材料的相變潛熱吸收，如圖5(a)所示，在2 kW/m2的熱流下，2種數(shù)值模擬方法得到的芯片溫度變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，而隨著熱流密度的增加，在3 kW/m2和4 kW/m2熱流下，如圖5(b)和5(c)所示，單溫度數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在相變階段的誤差逐漸變大，其誤差明顯大于雙溫度數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差。相比于雙溫度數(shù)值模擬方法，單溫度數(shù)值模擬方法將泡沫銅/硬脂酸復(fù)合相變材料假設(shè)為一種均勻介質(zhì)，泡沫銅與硬脂酸之間溫度相同，不存在熱量交換。而隨著熱流的增加，單溫度數(shù)值模擬方法的誤差增大體現(xiàn)出泡沫銅與硬脂酸之間無(wú)溫差假設(shè)局限性，而且隨著熱流逐漸增加，其溫差更不可忽略。因此相比單溫度數(shù)值模擬方法，雙溫度數(shù)值模擬方法能夠更精確地模擬泡沫金屬基復(fù)合相變材料的溫控過(guò)程。

在不同熱流下，雙溫度數(shù)值模擬方法所得到的相變熱沉控溫過(guò)程溫度變化結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間依舊存在一定的誤差，這主要由4方面的原因引起：①雙溫度數(shù)值模擬方法中的絕熱邊界條件假設(shè)、同時(shí)忽略模擬芯片與熱沉、熱沉殼體與復(fù)合相變材料之間的熱阻；②實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量誤差；③泡沫銅與硬脂酸的實(shí)際物性與數(shù)值模擬中所用參數(shù)之間的誤差；④泡沫銅與硬脂酸復(fù)合過(guò)程中存在填充不充分、不均勻等制備問題。

在3種熱流密度下，2種數(shù)值模擬方法得到的相變溫控過(guò)程中相變材料的液相組分變化如圖6所示。由圖6可知，在同一熱流密度下，2種數(shù)值模擬方法所得的相變材料液相組分變化曲線幾乎完全重合，通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，在相同熱流密度下，單溫度數(shù)值模擬的相變材料熔化起始時(shí)間要稍早于雙溫度數(shù)值模擬的相變材料熔化起始時(shí)間20 s左右，但2種模擬方法所得到的相變材料熔程相同。這主要是因?yàn)槌四M芯片的均勻熱流密度加熱外，相變熱沉與外界環(huán)境無(wú)其他熱量交換，熱量?jī)H由復(fù)合相變材料吸收，因此，這種情況下泡沫金屬與相變材料之間的熱阻對(duì)相變溫控過(guò)程中相變材料的液相組分變化幾乎無(wú)影響。同時(shí)，這也說(shuō)明對(duì)于泡沫金屬?gòu)?qiáng)化相變材料采用瞬態(tài)平面熱源法等方法測(cè)定的等效導(dǎo)熱系數(shù)僅適用于低熱流密度下的單溫度數(shù)值模擬計(jì)算及復(fù)合相變材料熱物性的對(duì)比分析。

“垃圾食物！垃圾食物！”也喜歡一邊吃大餐一邊攝影的MAC說(shuō)：“為了你的健康，把它從生活中除去，永絕后患?！?/p>

圖6 不同熱流下復(fù)合相變材料液相組分變化Fig. 6 Liquid phase fraction change of composite phase change materials at different heat fluxes

3.2 不同導(dǎo)熱強(qiáng)化方式對(duì)溫控性能的影響

根據(jù)3.1節(jié)對(duì)泡沫銅/硬脂酸復(fù)合相變材料溫控性能的數(shù)值模擬驗(yàn)證可知，雙溫度數(shù)值模擬方法對(duì)泡沫金屬基復(fù)合相變材料的溫控過(guò)程模擬更為準(zhǔn)確，在較高的熱流情況下，泡沫銅與相變材料之間的換熱熱阻不可忽略。根據(jù)雙溫度數(shù)值模擬方法中關(guān)于泡沫金屬與相變材料的換熱面積與換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式可知，換熱面積與泡沫金屬結(jié)構(gòu)相關(guān)，換熱系數(shù)與相變材料物性相關(guān)，因此采用雙溫度數(shù)值模擬方法討論同體積組分(同孔隙率)下不同PPI泡沫銅對(duì)溫控性能的影響，再結(jié)合EMT模型討論采用不同導(dǎo)熱增強(qiáng)體的復(fù)合相變材料溫控性能。

3.2.1 泡沫銅孔密度對(duì)溫控性能的影響

當(dāng)模擬芯片的熱流較高時(shí)，泡沫銅與相變材料之間的溫度差比較明顯。當(dāng)泡沫銅的體積組分(孔隙率)為定值時(shí)，根據(jù)雙溫度數(shù)值模擬中的換熱面積和換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式可知，增加泡沫銅的孔密度能夠有效擴(kuò)展泡沫銅與相變材料的有效換熱面積。當(dāng)PPI成倍增加時(shí)，根據(jù)式(14)可知換熱面積也以相同的倍數(shù)增加。因此，分別設(shè)定模擬芯片的熱流密度為4、6和8 kW/m2，當(dāng)孔密度為10、20、40和60 PPI時(shí)，相變熱沉溫控過(guò)程溫度變化如圖7所示。

由圖7(a)可知，在熱流為4 kW/m2情況下，4種PPI泡沫銅強(qiáng)化相變材料的熱沉控溫過(guò)程中溫度變化曲線在預(yù)熱階段和過(guò)熱階段幾乎完全重合，在相變階段有細(xì)微的差異，說(shuō)明在4 kW/m2熱流情況下，增加孔密度對(duì)相變熱沉的溫控效果無(wú)明顯的改善效果。如圖7(b)所示，當(dāng)熱流增加到6 kW/m2時(shí)，4種PPI泡沫銅強(qiáng)化相變材料的熱沉控溫過(guò)程溫度變化有一定差異，尤其在相變階段，10 PPI泡沫銅強(qiáng)化相變材料的熱沉在控溫過(guò)程中的模擬芯片溫度稍高于其他3種PPI泡沫銅強(qiáng)化的相變材料被動(dòng)熱沉。但是整個(gè)控溫過(guò)程中最大溫差不超過(guò)3℃。如圖7(c)所示，當(dāng)熱流增加為8 kW/m2時(shí)，高PPI的泡沫銅強(qiáng)化效果逐漸明顯，但是效果依舊有限，最大溫差不超過(guò)3.3℃。因此在強(qiáng)化相變材料采用同體積組分(孔隙率)泡沫銅時(shí)，通過(guò)提高PPI擴(kuò)展泡沫材料與相變材料之間的換熱面積，使其增加到原來(lái)的2倍、4倍和6倍對(duì)基于復(fù)合相變材料的被動(dòng)熱沉控溫效果提升十分有限。

通過(guò)對(duì)比圖7中相變階段起始點(diǎn)的溫度可知，隨著熱流密度的增加，相變起始點(diǎn)的溫度逐漸提高，過(guò)熱度從4 kW/m2熱流下的7.3℃增加到6 kW/m2熱流下的10.68℃和8 kW/m2熱流下的14.38℃，說(shuō)明在較高熱流的相變溫控過(guò)程中需要充分考慮相變熱沉控溫過(guò)程的熱阻，選用相變點(diǎn)較低的相變材料。

圖7 不同PPI泡沫銅強(qiáng)化相變材料熱沉的模擬芯片溫升Fig.7 Temperature rise of analogue chip with phase change materials based heat sink enhanced by different PPI copper foam

3.2.2 3種不同導(dǎo)熱強(qiáng)化方式對(duì)溫控性能的影響

圖8 不同復(fù)合相變材料熱沉的模擬芯片溫升Fig.8 Temperature rise of film heater with different composite phase change materials based heat sink

由圖8控溫過(guò)程溫度變化曲線可知，98%泡沫銅+5%GnP的組合溫控效果最佳，在整個(gè)溫控的3個(gè)階段，其模擬芯片的平均溫度均低于95%泡沫銅+硬脂酸的復(fù)合相變材料的控溫溫度。根據(jù)式(14)、式(15)及EMT模型可知，雖然泡沫銅的孔隙率提高后降低了泡沫銅與復(fù)合相變材料的換熱面積，但是添加3%GnP將硬脂酸的導(dǎo)熱系數(shù)提高了5.6倍，使得泡沫銅與相變材料之間的換熱系數(shù)能夠成倍提高。因此在溫控過(guò)程中，98%泡沫銅+3%GnP的組合能夠具有更高的熱擴(kuò)散效率，進(jìn)而能夠?qū)⒛M芯片的溫度控制的更低。而添加5%GnP的復(fù)合相變材料也顯示出較好的控溫效果，但是在相變階段，模擬芯片的溫度出現(xiàn)上下波動(dòng)，這是由于添加體積分?jǐn)?shù)5%GnP雖然增強(qiáng)了硬脂酸的導(dǎo)熱系數(shù)，提高了黏度，但是液相的相變材料對(duì)流效應(yīng)對(duì)相變溫度分布仍具有較強(qiáng)的影響作用。圖9為控溫過(guò)程相變階段3種相變溫控裝置中心截面上的溫度分布，對(duì)比3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度云圖可知，98%泡沫銅+3%GnP的組合其溫度梯度最小，同時(shí)熱沉底部模擬芯片的溫度最低；而5%GnP的復(fù)合相變材料其溫度分別受對(duì)流效應(yīng)影響較大，隨著控溫過(guò)程的推進(jìn)，復(fù)合相變材料溫度分布出現(xiàn)數(shù)個(gè)高溫的渦。95%泡沫銅+硬脂酸的復(fù)合相變材料熱沉在控溫過(guò)程中其模擬芯片的溫度明顯高于前2種，其殼體與相變材料之間具有較大的溫度梯度。

需要指出的是，添加5%GnP的復(fù)合相變材料其體積膨脹率與純硬脂酸接近，因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要對(duì)熱沉預(yù)留一定空隙防止熱沉因相變材料固液體積差引起殼體變形，空穴效應(yīng)會(huì)較為明顯，空穴導(dǎo)致的熱阻會(huì)使得其溫控效果差于仿真結(jié)果。因此，3種同體積組分導(dǎo)熱增強(qiáng)體的組合中，98%泡沫銅+3%GnP的溫控效果最佳。

圖10為3種復(fù)合相變材料在溫控過(guò)程中的液相組分變化，其變化趨勢(shì)相同，曲線部分重合，主要區(qū)別為如圖中所示放大的兩部分，在相變溫控過(guò)程中，添加體積組分為5%GnP的復(fù)合相變材料最先開始熔化，而95%泡沫銅的復(fù)合相變材料熔化起始點(diǎn)最晚；通過(guò)對(duì)比3種復(fù)合相變材料的熔化起始和結(jié)束時(shí)間可知3種復(fù)合相變材料的熔程長(zhǎng)短幾乎相同。這主要是由于相變溫控裝置除加熱面外其他邊界均為絕熱邊界條件，相同熱流密度下，熱量只能由復(fù)合相變材料的顯熱和潛熱吸收。而熱量主要由潛熱吸收，因此熔化速率幾乎相同，熔程長(zhǎng)度也相同。液相組分變化的細(xì)微差異主要來(lái)自3種復(fù)合相變材料的物性差異。

圖10 不同復(fù)合相變材料的液相組分變化Fig.10 Liquid phase fraction change of different composite phase change materials

綜合以上分析可知，對(duì)于同體積的相變溫控裝置，應(yīng)該從擴(kuò)展相變材料與導(dǎo)熱增強(qiáng)體的傳熱面積和提高相變材料自身導(dǎo)熱系數(shù)兩方面綜合考慮，優(yōu)先采用如3.2.2節(jié)中所述的泡沫金屬和納米粒子同時(shí)強(qiáng)化的復(fù)合方式來(lái)提高溫控效果。

3.3 環(huán)境溫度對(duì)相變熱沉溫控效果的影響

環(huán)境溫度變化是電子設(shè)備應(yīng)用過(guò)程中常見的工況，將相變熱沉試驗(yàn)件外部包裹的玻璃棉去掉后放置于高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱(上海一恒 BPH-120B)中，通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱溫度實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度20、29、38和46℃，得到4 kW/m2熱流下相變熱沉的溫控效果如圖11所示。

由圖11的相變熱沉溫控曲線可知，環(huán)境溫度對(duì)相變熱沉的控溫時(shí)間和模擬芯片溫度均能產(chǎn)生影響，圖中以環(huán)境溫度為20℃時(shí)控溫曲線為例標(biāo)出了相變溫控過(guò)程的3個(gè)階段，可見隨著環(huán)境溫度的提高，相變階段逐漸提前發(fā)生，而且相變階段的起始溫度也逐漸提高，整個(gè)相變階段隨著環(huán)境溫度的變化逐漸縮短。這是由于相變熱沉采用5052鋁合金進(jìn)行封裝，而且內(nèi)部采用95%泡沫銅進(jìn)行強(qiáng)化，參考如圖9所示的相變過(guò)程溫度云圖分布可知，在溫控過(guò)程中整個(gè)裝置的最大溫差小于10℃，使得相變溫控裝置能夠與外部環(huán)境產(chǎn)生充分的自然對(duì)流換熱。因此，雖然自然對(duì)流換熱系數(shù)較小，但是環(huán)境溫度的劇烈變化仍能夠?qū)ο嘧儨乜匮b置的溫控過(guò)程產(chǎn)生一定的影響。

圖11 環(huán)境溫度對(duì)模擬芯片溫升的影響Fig.11 Influence of ambient temperature on temperature rise of analogue chip

4 結(jié) 論

本文對(duì)基于泡沫銅/硬脂酸復(fù)合相變材料溫控裝置在較高熱流溫控過(guò)程中的控溫效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 當(dāng)模擬芯片發(fā)熱熱流較大時(shí)，相比于單溫度數(shù)值模擬方法，雙溫度數(shù)值模擬方法的誤差更小，能夠更準(zhǔn)確地模擬基于泡沫銅/硬脂酸復(fù)合相變材料控溫過(guò)程的溫度變化。

2) 對(duì)于泡沫銅強(qiáng)化硬脂酸的復(fù)合相變材料，當(dāng)其體積潛熱值為定值時(shí)，應(yīng)該從擴(kuò)展相變材料與導(dǎo)熱增強(qiáng)體的傳熱面積和強(qiáng)化相變材料導(dǎo)熱性能兩方面綜合考慮，但是增大泡沫銅PPI對(duì)溫控效果提升有限。同時(shí)采用泡沫銅和納米強(qiáng)化的復(fù)合強(qiáng)化方式溫控效果較好。

3) 基于相變材料的被動(dòng)熱沉在控溫過(guò)程中，雖然自然對(duì)流換熱系數(shù)較小，但是劇烈變化的環(huán)境溫度會(huì)對(duì)被動(dòng)熱沉的控溫效果產(chǎn)生影響。因此，在實(shí)際中需充分考慮相變熱沉的應(yīng)用工況。