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相变材料耦合热管传热性能分析 | 题目
陈忱，孙俊俊，朱庆勇* | 作者
中山大学 | 单位
摘要：将不同的相变材料 （PCM） 与热管结合，在热管绝热段耦合不同相变材料，分析不同工况下热管各部分的温度。与普通热管对比，得出相变材料耦合热管的传热性能。根据不同工作温度下的降温效率，分析相变温度对散热系统的影响。结果表明，相变材料耦合热管可以有效地降低热管温度，在被动散热的情况下蒸发段降温幅度可达22%；在有风机散热的情况下，降温幅度可达7.9%。由于相变材料具备蓄热能力与控温能力，在一定条件下，相变材料的蓄热量可达热源输入功率的34.1%，能够有效节省风机能耗。相变材料耦合热管系统的温差下降幅度可达32%，系统运行过程中，温度变化更平稳，可将加热峰值的热负荷转移至其他时刻缓慢释放。
关键词：热管；相变材料；蓄热；电子器件散热
01 概述
随着电子器件的不断发展，发热量也随之增加，电子器件的稳定性与可靠性和温度密切相关，需要采取各种高效的冷却手段。Mithal通过研究发现，当电子芯片运作于正常工况温度范围时，随着温度每下降 1 ℃芯片发生故障的概率下降约4%。热管理的主要内容是保证电子器件内部的温度场保持稳定与均匀，并在合理的温度区间内工作。
热管作为一种高效的换热元件，广泛地应用于电子器件散热领域，一般由冷凝段、绝热段和蒸发段组成。热管绝热段也在向外传热，影响导热效率，破坏电子器件内部温度场的稳定性与均匀性，影响设备的运行。Weng等在热管绝热段覆盖相变材料，并与不蓄热情况下的热管进行比较，得出传热性能与风机能耗的变化，使用正二十三烷时，风扇能耗甚至可节省46%。Krishna等通过混入不同百分比纳米氧化铝颗粒制备增强型正二十三烷在绝热段与热管进行耦合，结果表明，导热率最大增强 32%，可节省 53% 风机能耗。田东民等通过在月桂酸中加入氧化铝，使导热性能得到增强，与普通热管在绝热段耦合后，可以有效降低温度及风机能耗。
考虑到许多相变材料自身导热性能较低，而热管本身具备高效的传热性能，开展使用热管与相变材料进行不同方式耦合的研究。Liu等提出一种新型重力辅助热管热储存单元，利用传热介质的蒸发和冷凝代替材料间的传导和对流，避免相变材料导热系数低的问题，使蓄热单元的性能更加突出。Zhao等通过使用石蜡与闭式振荡热管耦合，在不同加热功率下进行研究，发现加热过程中有更好的动态热性能和静态热性能。
相较于使用热管提升相变材料的导热效率，以前的研究更加倾向于使用纳米材料、多孔介质和微胶囊，而这些材料较为昂贵，且在使用复合相变材料时，制备过程复杂，化学稳定性及热稳定性不佳，对于实际应用与工程推广使用产生了一定的限制。相变材料的相变温度是散热系统的关键参数之一，Wu等总结出相变温度为 40~42 ℃的石蜡最为常用；而 Ling等使用发热棒在不同发热功率下进行试验，得出石蜡相变温度为44 ℃时能提供最佳工作温度；Alshaer等在研究中选择相变温度为65 ℃的石蜡。
本研究主要选取适用于不同工况的多种相变温度的相变材料，且成本相对较低，与热管耦合组成散热模块。多种工况下分析传热性能与使用价值，并依据不同工作温度下的降温效率，分析相变温度对散热系统的影响。
02 试验装置与相变材料
2.1 试验装置
本研究的试验器材主要包括热管、电源、变压器、风机、陶瓷发热片、有机玻璃容器、玻璃胶等，测温设备采用红外测温仪器FLIR T540。选择-20~120 ℃的测温模式，测温精度为±0.5 ℃，辐射率取值为0.95，反射温度取值为20 ℃。
采用支架于试验装置上方记录数据，可以获得区域内的温度分布。选取某一特定的被石墨烯覆盖的区域进行测温，取区域内温度的最高值为试验记录值，以此减小随机误差。测温装置示意图如图 1 所示，主要试验装置如图2所示。
图1 测温装置示意图
图2 主要试验装置
热管为烧结型铜水热管，蒸发段长度 60 mm，绝热段长度 80 mm，冷凝段长度 50 mm，弯曲处角度为 90°，半径13 mm，横截面积约24 mm2，壁厚约3 mm。蒸发段处焊接边长 20 mm 的正方形铜片，用以与陶瓷发热片结合模拟电子器件发热。冷凝段处焊接长度为 50 mm 的翅片，总冷却面积约0.0032 m2，采用风冷散热。用于装入相变材料的容器为亚克力材质，容器的尺寸为 76 mm×44 mm×44 mm，内部体积115 cm3。
2.2 相变材料
试验主要采用 3 种相变材料，分别为癸酸、月桂酸和硬脂酸。相变材料的物性参数如表 1 所示，其中密度和导热系数均在40 ℃时测量。相较于正二十三烷等相变材料，癸酸、月桂酸和硬脂酸成本低、蓄热能力好、保存较为简便，只需要避免强氧化剂或者强还原剂等与之接触，同时相变温度涵盖范围较大，有利于工程应用推广。
表1 相变材料物性参数
03 结果与讨论
3.1 无风扇散热时相变材料耦合热管的传热能力
加热功率选取20 W，采用被动散热时相变材料耦合热管系统的温度响应如图3所示。相变材料填充约100 cm3。由图 3 可知，随着输入热量的增加，相变材料耦合热管系统温度不断增加。月桂酸耦合热管系统的温度相较于原始热管温度降低 16.2 ℃，降温幅度达到 22%，使用癸酸与硬脂酸的降温幅度分别为 17% 与 15%。当发生明显相变时，蒸发段温度稍低于对应相变材料的相变温度，这与热管与相变材料接触面积热有一定关系，局部温度将先于蒸发段到达相变温度。对于同一热管的蒸发段与冷凝段，温度响应存在一定差异，但各分段趋势相同。
图3 不同相变材料温度响应图
蒸发段温度主要影响电子器件的散热，因此试验主要考虑蒸发段温度的变化。相变材料耦合热管系统的蒸发段温度上升存在一定的温度波动，最明显的是癸酸，其次是月桂酸，最不明显的是硬脂酸，原因是癸酸相变温度低，且相变焓低，熔融最快。但由于存在的孔隙结构等影响了整个熔融过程，整体与热管接触换热不充分，从而产生温度波动。对于相变温度更高且相变焓更高的月桂酸与硬脂酸，其波动范围明显低于癸酸，发生波动的时间延后。
综合以上结论得出，月桂酸耦合热管系统降温效果更好。相较于癸酸，月桂酸的相变焓高出 16%，耦合系统最终温度相较于癸酸耦合系统降低6%，而硬脂酸在相变焓高于月桂酸 14% 的情况下，耦合系统降温效果并不理想，原因是硬脂酸相变温度过高，尚未充分熔融，说明相变材料耦合热管传热性能与相变材料熔融温度和过程密切相关。
3.2 有风扇散热时相变材料耦合热管的传热能力
热源输入分别为20 W和24 W，辅以输入电压为5 V的风机散热，得到不同相变材料耦合热管的温度响应，输入热源20 W时系统动态温度响应如图4所示，输入热源24 W时系统动态温度响应如图5所示，相变材料填充体积约100 cm3。
图4 输入热源20 W时系统动态温度响应
从图 4 可以看出，当输入热源功率为 20 W 时，普通热管在180 s后温度达到34.3 ℃；而在同等条件下，相变材料为癸酸时，热管蒸发段温度为 31.7 ℃，温度下降7.5%；相变材料为月桂酸与硬脂酸时，分别下降4.9%与2.6%。癸酸耦合热管系统发生明显熔融现象前，温度略高于月桂酸耦合热管系统，但在温度达到约30 ℃后，癸酸耦合热管系统的散热效果比月桂酸耦合热管系统更为明显。
图5 输入热源24 W时系统动态温度响应
从图 5 可以看出，当输入热源功率为 24 W 时，原始热管在180 s后温度达到39.1 ℃；相变材料为癸酸时，热管蒸发段温度为36 ℃，温度下降7.9%；相变材料为月桂酸与硬脂酸时则分别下降7.6%与4.3%。输入热源功率为24 W 时，蒸发段的温度响应与输入功率为 20 W 时的温度响应有一定差别。除癸酸与月桂酸外不同相变材料耦合热管系统间的温度差距增大；癸酸耦合热管系统的降温效果提升0.4%，月桂酸耦合热管系统的降温效果提升2.7%，与癸酸耦合热管系统降温效果相似。随着温度的升高，相变材料耦合热管系统的效果也在提升，且达到相变温度附近时相变材料的蓄热熔融效果更为显著，若蒸发段温度低于相变温度，则绝热段处相变材料熔融需要一定时间积热，导致熔融过程较为缓慢。
上述两个试验都是基于恒定功率下的热源加热，但实际生活中诸如芯片等电子器件一般不会在恒定功率下运作，而是随着负载上下波动。为使试验模拟更具一般性，以 30 W 输入功率加热 1 min 后，再将功率降至 5 W持续 20 s，以此为一个循环。模拟实际电子器件正常工作时辅以输入电压为5 V的风机散热，变工况时不同相变材料耦合热管的温度响应如图 6 所示，相变材料填充体积约100 cm3。
图6 变工况时系统的动态温度响应
从图 6 可以看出，各相变材料温度变化趋势一致，分布略有差异。相变材料耦合热管系统的温度变化出现了延时效应，当温度到达最高峰后逐步下降，部分相变材料耦合热管系统的温度高于原始热管温度，这是由于相变材料具备蓄热能力，温度下降时将延缓温降过程。随着试验时间延长，不断输入热量，相变材料耦合热管系统的温度波动也在变大，降温能力相对减弱，达到动态平衡后保持相对稳定。普通热管蒸发段的最高温度为44.7 ℃，而月桂酸耦合热管系统蒸发段的最高温度为41.1 ℃，温度下降 8.1%。选取各循环中的最高温度与最低温度，得到普通热管的平均温差为6.5 ℃，而癸酸、月桂酸和硬脂酸的平均温差分别为 4.4 ℃、5.4 ℃与5.2 ℃，相较于普通热管，分别下降32%、17%与20%。
3.3 相变材料耦合热管蓄热能力与降温效率
对于相变材料耦合热管系统模型，做出以下假设：
（1） 热管表面传热系数一致，铜热水管及相变材料热物理性质为常数。
（2） 相变材料为连续介质，忽略其存在的热分散以及孔隙。
（3） 相变材料熔融后为牛顿不可压缩层流，无黏性耗散。
能量平衡方程为：
Q= Qe + Qp + Qs (1)
式中：Q—系统的总能量，W；Qe—输入系统的热能，由加热片提供，W；Qp—变材料吸收的热能，即其储存的能量，W；Qs—系统向外损失的能量，主要损失于热管及相变材料容器，W。
根据各相变材料的比热容、体积与温差，假设相变
材料完全熔融，得出理想情况下变工况时各相变材料耦
合热管系统的蓄热能力。
式中 ：Qp—相变材料系统蓄热量，包含相变焓，J；cp—定压比热容，J/(kg·K)；M—相变材料的质量，kg；∆T—相变材料的平均温差，即将各循环温差求和后进行平均，K。
将蓄热量与所用时间相除，得到相变材料蓄热能力，如表2所示。
表2 相变材料蓄热能力 /W
由表2可以看出，平均输入功率约为24 W的情况下，各相变材料的蓄热能力基本能达到输入功率的三分之一。硬脂酸蓄热量甚至能达到输入功率的34.1%，对于整个系统的热负荷来说相当可观，能够有效节省风机能耗。实际情况中，由于各种因素的影响，相变材料很难完全熔融，实际蓄热量相较于理论值必然有所下降，但仍具备较为可观的蓄热能力。
相变材料的引入不仅可以分担热管的散热压力，而且可以避免电子器件热负荷高峰时散热压力过大，使得散热系统可以在热负荷较低时缓慢释放高峰时的热量，转移器件负载高峰时的热负荷，减小整个过程中的温度波动，有利于电子器件的平稳运行。
相变材料在不同工作温度下的降温幅度如表 3所示。其中工作温度为 39.2 ℃的数据来源于变工况时，输入热源功率为30 W时系统的温度响应。
表3 相变材料在不同工作温度下的降温幅度
癸酸与月桂酸的相变焓、密度、导热系数差别较小，相变温度是两者的主要区别。在癸酸的相变温度附近，降温效率较高，且在温度大于相变温度时，其降温效率的变化趋势为先增大后减小，当工作温度大于相变温度较多时，降温效率反而将降低。这是由于相变材料的导热系数较低，当温度较高时，局部熔融速度快，形成液膜，局限于导热系数，热量将产生一定程度的累积。
月桂酸因为较高的相变温度，在工作温度为 39.2 ℃时将有更好的表现，但同样局限于较低的导热系数，相较于 4.9%~7.6% 的降温提升，降温幅度增长趋势放缓。硬脂酸得益于较高的导热系数与较高的相变焓，降温效率随着温度的增长而增加。
04 结语
研究使用常见的较为廉价的相变材料与热管的绝热段进行耦合，分析相变材料的传热性能，并对相变材料相变温度与降温效率关系进行分析。试验证明，通过相变材料与热管的绝热段进行耦合，能取得较好的效果，基本结论如下：
（1）相变材料耦合热管系统在被动散热的情况，蒸发段温度下降幅度可达 22%，在有风机散热的情况下可达 7.9%，且由于相变材料具备控温作用，温差更小，工作环境更平稳，温差下降幅度可达 32%。相变材料耦合热管系统的蒸发段温度上升存在一定的温度波动，若相变材料相变温度与相变焓较低，容易产生较大的温度波动。
（2）相变材料耦合热管系统具备一定的蓄热能力，在变工况、平均输入热源功率为23.75 W情况下，理想情况下蓄热量可达34.1%，证明相变材料耦合热管能有效分担高峰期热负荷，在热负荷水平较低时缓慢释放，能够有效节省风机能耗，有利于系统的平稳运行。
（3）相变材料耦合热管系统降温效率受相变温度、相变焓等多种因素影响，与熔融过程密切相关。在未达到相变温度前，随着工作温度的升高，相变材料耦合热管系统降温效率也随之升高，在相变材料相变温度附近将取得更好的效果。通常效率极值出现在相变温度之后，但当工作温度过高时，局限于材料导热系数其降温效率反而降低，总体呈现抛物线形状。工作温度低于相变材料的相变温度时，由于局部积热，相变材料仍发生一定程度的熔融，意味着相变材料的适用温度范围并不完全局限于相变温度。
参考文献 略 原文信息 DOI：10.3969/j.issn.1004-7948.2021.11.011
