相变储能式电子器件散热器的瞬态性能及其优化研究

本文针对影响相变储能式散热器性能的因素,在较高热流密度条件下,从相变材料的热物性、散热器的倾斜角度以及内十字翅片等因素入手进行了系统的实验研究。 首先用月桂酸(熔点为43℃)作为加载的相变材料,比较了散热器在加载月桂酸和不加载(即传统散热器)情况下的性能。在瞬态(加热时间为11～30min)热流密度为5.3～10.3W/cm2的加热条件下,结果表明采用相变储能式散热器可以将冷却目标的温度降低约40℃(从140℃到100℃),而且相变储能式散热器的平均等效热阻(0.73℃/W)比传统散热器降低34.2%(100W时),体现了明显的优势。 然后,研究了相变材料熔化温度对散热器性能的影响,以指导适宜温度相变材料的选择。本文选取了二十烷和十六醇两种热物性接近(k≈0.15W/m·k,Cp≈1.7kJ/kg·K,L≈230kJ/kg)的相变材料,但熔化温度不同(分别为36.2℃和46.8℃)。在瞬态(加热时间为11～30min)热流密度为5.3～10.3W/cm2的加热条件下,结果表明使用十六醇的散热性能较好,因为十六醇在发生相变时,与环境的温差较大,能提供较大的温度驱动力。而二十烷适用于短时间发热的电子器件,提供瞬态热保护。 接着,研究了热流密度为1.22～2.46W/cm2,相变储能式散热器的倾斜角度从0°到90°变化(以15°为间隔)时的性能。发现倾斜的散热器能使自然对流得到加强,从而加速了熔化过程,使熔化初期的温度上升很大程度上得到了抑制。对于加热功率为40W,节点温度为75℃时,电子器件的最大运行时间相对于水平工况可延长67%(从480到800s)。 最后,以十六醇为基液,制备了质量分数为0.3%、1%和3%的碳纳米管复合相变材料,对其进行了热物性表征。发现在添加碳纳米管之后导热系数有所提升(从0.25到0.33W/m·k),但同时也伴随着粘度的大幅增长(从6.37到>2000kg/m·s)。粘度的急剧增长使得相变材料熔化过程中的自然对流效应严重削弱甚至消失,完全抵消了导热系数提升所带来的强化效果,使得散热器的性能反而随着碳纳米管添加量的增加而降低。在热流密度为3.5～7.0W/cm2的加热条件下,冷却目标的温度至少要高5～10℃,热阻也增长约17.0%(从1.12到1.31℃/W)。