相变储能式热管理在电子设备上的应用现状及优化方向*

崔　超　肖玉麒　王　晓　吕　玲　熊玉亭

(1.浙江省计量科学研究院，杭州 310013；2.浙江大学热工与动力系统研究所，杭州 310027)

0　引言

一些电子设备，例如笔记本电脑、移动电话、快速充电器等在不同的工作条件下，其功率不同，散热量也不同。在非正常情况下，突然增加的电流将导致大量的热量产生，如果这些热量得不到及时散发，将致使整个电子设备温度升高，甚至烧坏。目前，空冷和液冷是最为常用的热管理方式，但这样的热管理系统需要风机、泵等附件，会增加系统的体积，同时也存在额外的能量消耗。因此，我们需要寻求更为完善的热管理方式。

相变储能是利用相变材料在物态发生变化(固-液，固-固或气-液)时，吸收或放出大量的相变潜热而进行的。其具有储能密度高，吸、放热过程近似等温，易与电子设备运行系统匹配等优点；另外，相变储能材料在电子设备热管理系统中也具有降低整个设备系统体积，不需要耗费额外能量等优势。因此，随着相变储能技术的发展，相变储能式热管理在电子设备上的应用研究越来越多。

1　相变储能式热管理原理及相变储能材料

1.1　相变储能式热管理原理

相变储能式热管理的原理是当被控温物体表面温度上升到上限温度时，相变材料(PCM)发生相变吸收热量，延缓表面温度上升；当温度下降到下限温度时，PCM发生反向相变释放热量，延缓表面温度下降。这样可有效提高电子器件抗高负荷热冲击的能力，保证电子设备运行的可靠性和稳定性；另外，在低温环境中，电子器件可不经过预热便能正常工作。不同类型的热管理，相变温控也不同：具有短时高发热特性的电子设备(如图1所示的脉冲式和周期性电流)，其相变温控是当电子设备在短时间内产生大量热量时，PCM通过相变储热，使电子设备的温度在短时间内维持恒定或维持在规定的范围内。当电子设备不发热时，PCM有足够长的时间反向相变释放热量以恢复其原始状态，为下一次的相变储热做好准备；具有间歇发热特性或处于波动温度环境下的电子设备，其相变温控是当电子设备处于高发热或高温环境下，PCM通过相变储热，维持电子设备在某一温度以下；而当电子设备处于低发热或低温环境下，PCM反向相变释放热量，维持电子设备在某一温度以上[3]。

图1　脉冲式和周期性电流

美国国家可再生能源实验室(NREL)，将相变材料应用于Optima电池组块的热管理，如图2所示。通过热管理，使电池在适宜的温度区间内工作，同时减少了电池组件中各电池温度分布的不均匀，提高了2％～5％的使用效率。

图2　NREL实验的电池模块

1.2　相变储能材料

相变潜热一般较大，不同物质间的相变潜热差别也很大。例如有机物的相变潜热约为200 kJ/kg，金属的在400～500 kJ/kg之间[1]，有的无机物可高达1000 kJ/kg以上。常见的潜热储热材料的性质如表1所示。

由表1可以看出，相变材料具有较高的单位质量相变潜热，具有大规模商业开发的价值。但是，其导热系数(如液态石蜡约为0.15W/m·K)远远低于组成散热器的金属、半导体、陶瓷等材料，严重影响了能量储存和释放的速率。因此，有必要对相变材料进行有效改造。

表1　潜热储热材料的性质[2-3]

2　相变储能式热管理的应用现状

2.1　航天热控

1962年，Cryo-Therm公司率先研究了相变材料散热器在惯性导航系统中的应用[4]；1964年，由马歇尔空间中心赞助的Northrup空间实验室开始将PCM储热技术应用于电子器件的封装、航天器温度的调节、太阳能发电系统的储热等方面；相变材料在导弹电子系统[5]的应用作用尤为突出，因为导弹的巡航时间较短，相变材料能在极短的时间内充分放电(凝固)，而且导弹的电子系统为周期性工作，正好符合相变的特性。

2.2　动力电池热管理

对于大多数类型的电池来讲，电池使用的最佳温度为10～50℃，并能在此温度范围内获得性能和寿命的最佳平衡。张国庆，张海燕[5]分析了动力型电池组在运行中的热问题对电动车在各种环境下服役性能的重要影响，文中着重总结了采用相变材料(PCM)的热管理系统原理、设计和PCM的主要参数；沈云飞等人[6]分析了锂离子电池(特别是LiFePO4电池)高功率、长寿命、安全性好的特点，期待其在电动汽车上有很好的应用前景；Rao和Wang[7]指出应用于电池组件的理想热管理系统应该具有体积小，重量轻，成本低的特点。相对强制风冷和液冷的热管理(由于鼓风机、引风机、泵等配件的加入，使整个系统过于庞大、复杂和昂贵)，相变材料的被动热管理，不需要移动部件，简洁轻便，能使电池组件的温度分布均匀。

2.3　民用电子器件热管理

如今，人们的生活已经离不开电，各种电子器件也丰富了人们的生活。电子器件的温度过高将严重影响其使用寿命。对于周期性或脉冲性功率输入的电子器件芯片，通过相变材料与散热器的结合，利用相变材料吸收的潜热起到 “移峰填谷”的作用，使电子器件的温度波动趋于均匀。洪荣华等[9]在电梯制动单元上运用相变储能式散热器，电梯制动单元在制动时，将会在短时间内产生大量的热量，相变材料通过熔化将这些热量吸收，保护电梯的制动单元。

3　相变储能式热管理系统的优化

相变储能式热管理系统的优化主要是基于相变材料本身和散热器两方面的研究，包括相变材料的熔化温度、翅片、组合相变材料、复合相变材料以及散热器的倾斜角度五个方面。

3.1　相变材料熔化温度

Leoni和Amon[9]采用树脂模拟的方法研究了有机相变材料在便携式电脑暂态热管理中的应用，数值模拟结果显示选择较高熔化温度的相变材料来进行热管理效果较好；Hodes[10]等人用实验方法研究了通话设备模型的暂态热管理的效果，他们得出结论，加入适量的PCM能极大的提高通话设备的服务时间。但他们只是简单的比较了两种相变材料的热管理效果，没有具体分析相变温度对散热的影响。未来可以采用实验方法研究不同熔化温度的相变材料对于散热器性能的影响，以指导适宜熔化温度的相变材料的选择。

3.2　翅片

翅片能大大增加散热器的表面积，这方面的研究成果较多。Hosseinizadeh等人[11]研究了不同功率下，相变材料散热器结构的几种参数对散热器温度的影响和相变材料在散热器中的熔化过程。研究结果显示：翅片数的增加和翅片高度的增加能大大提高散热器的整体性能，而翅片厚度的增加对散热器性能提升很小；Setoh等人[12]针对手机的散热，用二十烷作为相变材料，设计了三种含有不同翅片数的散热器。研究结果显示：翅片的加入降低了实验装置的最高温度，使用相变材料能使手机温度稳定的时间更长，这样能延长手机的使用寿命。

3.3　组合相变材料

Gong和Mujumdar[14-15]用热力学方法分析了使用多种相变材料的潜热系统中的能量充放过程。研究分析指出：使用多种相变材料的系统与使用单一相变材料的系统相比，火用效率得到很大的提高。随后，他们提出了使用组合相变材料的模型，数值模拟结果显示：使用不同熔化温度的组合相变材料能大大增强换热器充放能量的速率，而且使用组合相变材料能大大减小传热流体出口温度的波动；Shaikh和Lafdi[16-18]用数值模拟和实验证明了Gong和Mujumdar的理论。他们设计了一种抽屉式的盒子，三层抽屉可分别放三种相变材料，通过测量接触面温度和加热片温度，比较了一种相变材料和三种相变材料组成的容器的储热和散热效果。结果显示：三种相变材料比一种相变材料的容器能储存更多热量，并有效的将这些热量散走；Cui等人[19]用数值模拟方法研究了三种相变材料的储热器，与单一相变材料相比，前者不仅增强了传热能力，同时大大减小了排气温度的波动。

3.4　复合相变材料

绝大多数无机物相变材料具有腐蚀性，相变过程中存在过冷和相分离的缺点，而有机物相变材料导热系数较低，相变过程中的传热性能差。近年来，复合相变储能材料应运而生，它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储能材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。

张正国等人[20]以石蜡为相变材料、膨胀石墨为支撑结构，利用膨胀石墨的多孔吸附特性，制备出了石蜡含量分别为50 ％(质量分数，下同)，60 ％，70 ％和80 ％的石蜡/膨胀石墨复合相变储热材料。储(放)热性能测试结果表明：含80 ％石蜡的复合相变储热材料储热时间比石蜡减少69.7 ％，放热时间减少80.2 ％；Shaikh和Lafdi 在石蜡基液中加入碳纳米管来提高整体导热系数；Fleischer等人[21]研究了碳纤维复合相变材料的散热器，结果显示：碳纤维的加入大大减小了散热器的运行温度。通过不同相变材料的组合将会得到不同的散热效果，同时不同相变材料的组合将会得到不同的熔化温度，用实验方法研究不同熔化温度的组合相变材料对散热器散热性能的影响，能为前人所做的理论推导和数值模拟研究进行实验验证。

3.5　散热器不同倾角

热量通过导热和自然对流从热源传递到相变材料，在相变材料的熔化过程中，热量的传递主要是自然对流，倾斜角度是影响自然对流的重要因素。

Kandasamy等人[22]使用一种塑料模块研究了不同的输入功率、封装方向，在周期性的加热情况下，不同的熔化/凝固时间，并用二维数值模拟方法进行模拟与实验结果进行对比：在水平、45°和垂直方向，塑料模块的最高温度依次降低。这是由于热量从底部加热，水平方向时，温度梯度方向与重力方向一致，自然对流最强，因此热量传递最快。而垂直方向时，温度梯度与重力方向垂直，自然对流几乎为零，相变材料内部的传热几乎完全是导热，所以热量传递最慢；Wang[23]和Yang[24]等人用数值模拟方法研究了不同角度对散热器的影响。得到的结果与Kandasamy等人实验的结果基本一致。他们还研究了温度梯度与重力方向相反的极端情况，这时的自然对流完全为零，热量完全靠导热传递，因此热量传递最慢。对于角度前人已有较多的相关研究，但是实验研究的数据比较少，并且通常是在较低的加热功率下(12W)开展的，对应的热流密度(0.5W/cm2)也很小。因此研究人员可以通过在实验中采用较大的角度变化范围和较高的热流密度来研究散热器的倾斜角度对于散热性能的影响。

4　结论

相变储能式热管理系统通过相变材料在相变过程中吸收或放出大量的相变潜热而进行的电子设备温度控制。随着相变储能式热管理技术的发展，在航空热控、动力电池热管理以及民用电子器件热管理等领域都有了广泛的应用。本文对于相变储能式热管理系统的优化进行了展望，可以从相变材料的熔化温度，翅片，组合相变材料，复合相变材料以及散热器的倾斜角度这五个方面开展。

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