相变材料和瞬态载荷
相变材料和瞬态载荷
在热管理领域，相变材料（PCMs）因其独特的相变特性和熔变潜热特性而备受关注。本文将深入探讨相变材料在热界面材料和热能储存中的应用，并介绍为解决其低导热率问题而采用的技术方案。
在热管理领域，相变材料（PCMs）已经被研究多年，并得到了多种应用。它们被用作热界面材料（TIMs），它们的相变特性允许它们在加热时“湿”一个表面，符合不完美的匹配表面。这使得它们作为TIM的性能，尽管材料本身具有相对较差的导热性。
相变材料也长期用于热能储存。这种应用依赖于相变材料的一个完全不同的性质：它的熔变潜热。当能量被固体物质吸收时，它的温度呈线性上升，直到达到熔点。
为了将相变为液体，需要额外的能量输入，当材料吸收这种能量时，它的温度保持不变。从热管理的角度来看，这是很好的，因为能量可以消散在一个相变材料中，而被冷却的物体保持在一个恒定的温度。
在许多方面，相变材料是电子学中的电容器。
当然，只要有固体物质要熔化，这才会持续。而且，由于许多常用的相变材料的热传导性较差，因此固体材料需要接近热界面才能有效地使用。
在本研究中，使用了每侧约70mm体积的石蜡PCM。侧面被绝缘，底部使用热源，顶部被保持在5ºC的冷板覆盖。在这个设置中，热流通过PCM从底部转移到顶部。
图1-PCM中热电偶的排列
在PCM中嵌入了5个热电偶，以监测沿热通量方向的温度，如图1所示。热电偶3号在底部，1号在顶部，2号、4号、5号在中间。
当应用热通量为7W时，PCM上出现一个大的温度梯度，在顶部和底部热电偶之间约30 mm的距离上在38ºC处达到峰值。
这个梯度可以在图2中的5000秒点附近看到。还可以看到，熔体前端需要超过3个小时（12000秒）才能到达所有的热平衡。此时，我们发现在液体PCM中仍有循环的PCM固体块，这说明了PCM的低导热系数是如何导致局部温差的。
图2-施加7W功率时的PCM温度
解决低导热率的一种方法是将PCM嵌入导热率较高的基板中，如铝。NASA研究了使用填充PCM的铝泡沫（见图3），为宇航服上的LED头盔灯提供冷却。
选择一种特殊的碳氢化合物家族（包括石蜡），以保证其低毒性和与铝等金属的相容性。结果发现，铝泡沫可以有效地通过PCM传播热量，所需的工作温度可以保持到7小时。
图3-带有嵌入式PCM的铝质泡沫材料
使用封装的PCM的缺点之一是价格高，这意味着目前它的使用仅限于在外层空间冷却led等要求很高的应用。然而，未来的发展可能会看到更广泛地使用封装的pcm用于储能用途的热管理。
另一种处理PCM低导热率的策略是在PCM中嵌入一个热扩展器。使用一个由碳纤维制成的散热器，并将其嵌入到前面讨论过的同一体积中。
如下图4所示，散热器的电导率是定向的，沿翅片方向为500 W/mK。这比铜好大约25%，其他外来材料，如石墨片也可以是优秀的散热器，导热率高达1500 W/mK。
图4：PCM中的碳纤维散热器
当7W的功率再次加载到体积的底部时，散热器的有效性是明显的。热电偶侦测的温度表明，PCM的温度是均匀的（见图5），并且远低于熔点。
图5-带嵌入式散热器的PCM，7W施加功率
这代表了稳态温度的大约20ºC的差异，这将大大增加电子设备在现实应用中的寿命。
在最低热电偶下的温升速率也降低了，这表明散热器提高了PCM在瞬态热负荷期间调节温度的能力。关于相变材料的其他新研究也在进行中，PCM在电子学热管理中的新应用预计将在未来几年内出现。
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本文原文来自CSDN