翅片參數(shù)與PCM材料對散熱器傳熱影響實驗研究

吳 煒，李守成，謝緯安

（1南通職業(yè)大學汽車與交通工程學院，南通市新能源汽車重點實驗室，江蘇南通 226007；2南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

為了有效地防止熱引起的失效，電源設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的熱量必須通過適當?shù)睦鋮s技術(shù)轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，例如傳統(tǒng)的空氣冷卻、沖擊射流及帶有單相冷卻劑的熱交換器等。將相變材料(PCM)應(yīng)用于控制器的冷卻是一種有效的解決方案，它既考慮了器件的壽命、性能和安全性，又兼顧了質(zhì)量、體積、功耗、噪聲等。因此，基于PCM 的冷卻系統(tǒng)通常用于軍事裝備、電力電子設(shè)備、電池熱管理、計算和通信設(shè)備等[1-5]。

盡管PCM具有許多優(yōu)點，但大多數(shù)PCM都存在導熱系數(shù)低的問題。為了克服這一缺點，相關(guān)研究中提出了各種技術(shù)手段，包括使用翅片、石墨/金屬泡沫基質(zhì)和高導電性納米顆粒等。在這些技術(shù)手段中，使用翅片是最常見的，許多研究致力于改善翅片式PCM散熱器的熱性能，包括功率負載條件、功率水平、幾何參數(shù)以及PCM 類型和數(shù)量的影響[6-10]。Nayak等[11]提出了一種通用的數(shù)學公式和數(shù)值模型來評估PCM 基散熱器的熱性能，并在不同功率水平下進行了仿真。分析表明，與基體翅片和板式翅片相比，板式翅片布置使系統(tǒng)的熱點溫度保持較低，溫度分布更加均勻。Akhilesh 等[12]數(shù)值評估了帶板式散熱片的復合PCM基散熱器的熱性能，他們提出了熱沉臨界尺寸與相變材料數(shù)量的經(jīng)驗關(guān)系式。Kandasamy等[13]在恒定功率水平下，對基于PCM 的板式翅片散熱器的各種設(shè)計進行了實驗和數(shù)值研究，研究結(jié)果顯示PCM 的加入增強了散熱器的熱性能。Wang等[14-15]運用數(shù)值研究方法評估了傾斜角度、PCM體積分數(shù)和PCM類型對循環(huán)和恒定熱負荷下翅片散熱器冷卻性能的影響。結(jié)果表明，在散熱片空腔中加入相變材料可以顯著改善系統(tǒng)的冷卻性能，而傾斜角度對系統(tǒng)的冷卻性能影響不大。Adeel 等[16]在穩(wěn)定熱密度下對移動電子設(shè)備的圓針翅片散熱器進行了參數(shù)分析，探討了PCM體積分數(shù)、熱密度、圓針直徑等對運行時間、比熱容和熱導率的影響，結(jié)果表明直徑3 mm的圓針散熱器具有最佳的熱性能。Hosseinizadeh 等[17]對PCM 熱敏水槽在熱管理方面的應(yīng)用進行了實驗和數(shù)值研究。對有和沒有相變材料的散熱器進行了比較，研究了功率水平、翅片數(shù)、翅片高度和翅片厚度等各種參數(shù)對散熱效果的影響，結(jié)果表明，翅片數(shù)和翅片高度的增加導致整體熱性能明顯提高，自由對流在促進PCM 熔化方面發(fā)揮了更為關(guān)鍵的作用。Rohit 等[18]通過實驗研究了便攜式電子設(shè)備冷卻過程中各種基于相變材料的散熱器的熱性能。結(jié)果表明基于金屬泡沫和PCM 的散熱器更有利于提高輸入熱通量值，且三翅片散熱器能提供更高的熱導率。Janwade 等[19]研究了含有PCM、翅片和銅顆粒的不同散熱片基體。對比熱容和熱導率的分析表明，用銅顆粒填充翅片相變材料的熱沉具有最大的比熱容和熱導率。

前述文獻在PCM基散熱器熱管理方面的研究主要體現(xiàn)在翅片數(shù)量、添加發(fā)泡材料和金屬顆粒、功率水平、翅片高度與厚度等方面。本文在恒定熱負荷條件下，針對散熱器熱性能受翅片數(shù)量、翅片傾角以及PCM等因素的影響，對散熱器傳熱特性進行了進一步的實驗研究，分析了不同翅片數(shù)、翅片傾斜角度及PCM的添加對散熱器傳熱過程中溫度變化率、溫度分布、固液界面變化以及工作時間等方面的影響。

1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要由實驗段、可調(diào)節(jié)傾斜機構(gòu)、直流電源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)組成與裝置Fig.1 Composition and device of experimental system

實驗段為矩形外殼，內(nèi)腔尺寸為48mm×34mm×100 mm。散熱器外殼的左側(cè)壁由1.5 mm 厚的鋁(Al-6082)制成，其他壁由10 mm厚的聚碳酸酯透明材料制成，以便觀察外殼內(nèi)部的相變。散熱器采用鋁板電火花加工技術(shù)制造，以保證翅片與底板之間無熱接觸電阻，每個翅片的尺寸為12 mm×100 mm×1.2 mm，散熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 Structural parameters of radiator

將尺寸為48 mm×80 mm的柔性薄片加熱器涂上導熱硅膠后連接到0.2 mm 厚的銅片上，以模擬熱源。在散熱器背面研磨9個尺寸為0.5 mm×1 mm的均勻矩形槽，槽內(nèi)放置熱電偶(Th1～Th9)，監(jiān)測溫度分布。再次使用相同的導熱硅膠均勻涂在銅片上并將其安裝在散熱器背面，以使熱接觸電阻最小化，如圖3(a)所示。在實驗段矩形外殼內(nèi)還按照如圖3(b)所示位置布置了15 個熱電偶(T11～T53)，以檢測外殼內(nèi)PCM的瞬態(tài)熔化。

圖3 熱電偶布置圖Fig.3 Thermocouple layout

所有熱電偶在10～100 ℃進行校準，其測量值誤差在±0.2 ℃范圍內(nèi)，符合測量要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接到計算機，以10 s間隔記錄溫度，薄膜加熱器由16 W 直流電源裝置提供。實驗段各連接接觸面使用尼龍螺釘和低導電液體密封，以最大限度地減少壁和散熱器之間的導熱傳熱，并防止液態(tài)PCM 從外殼泄漏。為了進一步減少對環(huán)境的熱損失，外殼外部用30 mm 厚度的聚苯乙烯泡沫板進行隔熱。

實驗采用平均熔點37 ℃的正二十烷作為相變材料，實驗中考慮到相變材料固液轉(zhuǎn)變與翅片加入引起的體積變化。表1給出了所用相變材料的熱物理性能。

表1 正二十烷的熱物理性質(zhì)Table 1 Thermophysical properties of n-eicosane

實驗過程中為了解決浮力對散熱器熱性能的影響，對實驗部分在不同傾角下進行了成像和溫度測量。將3個數(shù)碼相機安裝在可調(diào)傾角的機構(gòu)上，該結(jié)構(gòu)可將實驗部分傾斜到0°～90°所需的角度。每次實驗，圖像記錄從實驗段加熱開始連續(xù)記錄至最高基溫70 ℃。在此過程中，從外殼的側(cè)壁上移除絕緣層，并每隔3 min 記錄圖像。每次測試保證底板與外殼內(nèi)的所有熱電偶與環(huán)境溫度(25 ℃)相同。實驗重復至少2次，最大偏差在±2%以內(nèi)。

2 實驗結(jié)果分析

對實驗外殼在0°～90°的不同傾角下，測試了5種不同幾何形狀散熱片對PCM基散熱器熱性能的影響。

2.1 基板溫度分布分析

2.1.1 PCM的影響

測量加熱器表面上的9個均勻分布的測點[Th1～Th9，圖3(a)所示]溫度，以評估每個散熱器配置(含和不含PCM)的熱行為。對于不同散熱片傾角，其各測點溫度變化的時間歷程如圖4～6所示。

圖4 不同翅片數(shù)0°傾角各測點溫度變化Fig.4 Temperature change of different fin number and 0°inclination angle measuring points

從圖中可以看到，對于沒有PCM 的情況，在給定的翅片數(shù)下，基礎(chǔ)溫度在短時間(2～5 min)內(nèi)就急劇上升到最大允許溫度(T=70 ℃)，傾角對其幾乎沒有影響。結(jié)果還表明，翅片數(shù)的增加對各傾角的溫升速率影響有限，其原因主要是空氣的導熱系數(shù)和蓄熱能力低，導致傳熱不良。

而對于有PCM 的情況，曲線圖顯示溫度變化率與翅片數(shù)和傾角之間存在一定的關(guān)系。在初始階段(t<3 min)，基體溫度隨時間急劇上升，并迅速過渡到相變材料的熔化溫度，其范圍為35～37 ℃。在這一時期，相變材料處于固相狀態(tài)，熱量傳導通過相變材料擴散。在達到熔點溫度后，相變開始(t>3 min)，并且在基板和散熱片周圍最初形成一層薄液態(tài)PCM。因此，更多的熱量以潛熱形式被PCM吸收，溫升減慢。在這個時間段內(nèi)，浮力相對弱于黏性力，主要的傳熱機制是熱傳導。隨著時間的推移，浮力隨著熔體分數(shù)的增加而克服黏滯力，在液相區(qū)形成對流，反過來又直接增強了相變區(qū)域內(nèi)的傳熱，使溫升比前期下降更多。當液體組分占據(jù)主導地位后，由于熱量以顯熱形式儲存，基礎(chǔ)溫度又隨著時間的推移而升高。在圖6(d)中可以很容易地觀察到這些基本溫度的趨勢，在t=1 min 時即達到PCM 熔點溫度；t=1～7 min 階段中熱量以潛熱形式傳導，溫升變化率相比前段下降了90%；t=7～36 min階段中液相區(qū)對流傳熱起主導作用，溫升變化很小；從t>36 min 開始到最大允許溫度70 ℃，液態(tài)PCM 占據(jù)主導地位，熱量以顯熱形式存儲，溫升變化率相比前一階段又增加了5倍。

2.1.2 翅片數(shù)和傾角的影響

對于給定傾角的散熱器(如圖4～6所示)，因具有較高的擴散傳熱面積，從而提高了相變材料的導熱系數(shù)，并引起了液體相變材料中的混合流動，更多的熱量通過對流傳熱被PCM 吸收，基礎(chǔ)溫度隨翅片數(shù)的增加而降低。例如，對于有PCM的情況，從圖4(d)和(f)中可以很容易看出，在0°傾角下t=28 min時，1個翅片的最高溫度70 ℃，5個翅片的最高溫度為62 ℃，最高溫度低11%。同時還可以看到，5 個翅片達到最大允許溫度所需的時間為50 min，與1個翅片的情況(28 min)相比增加了78%。

除了初始階段(t<3 min)外，自然對流是控制相變材料熔化速率和傳熱速率的主要傳熱方式。在這種模式下，傳熱強烈地依賴于相鄰翅片之間形成的PCM 對流循環(huán)。當翅片數(shù)較大時，由于相鄰兩個翅片之間的間距較小，導致流動阻力較大，因此流體運動的強度減弱，傳熱速率降低。如圖4(d)～(f)所示，達到最高允許溫度的時間由28 min 逐漸增加到50 min。

圖5和圖6顯示了傾斜角度對1、3和5個翅片情況下的基礎(chǔ)溫度變化的影響。與傾角為0°狀態(tài)相比，在給定的時間和翅片數(shù)下，可以清楚地看到，隨著傾斜角度的增加，基底溫度逐步減小。如圖5(e)和6(e)所示，翅片數(shù)為3片、t=40 min時刻，基底溫度從傾角為45°時的64 ℃下降到傾角為90°時的58 ℃，降低了9%。這種減少可歸因于兩個主要原因：一方面是浮力誘導流的大小隨傾角的增大而增大，浮力誘導流撞擊到大的固體PCM區(qū)域；另一方面是液體PCM區(qū)的擴張，使得在PCM區(qū)域中形成的對流得以生長。傾斜角度對于1個和3個翅片的影響比5個翅片的情況更明顯，如圖5(d)～(e)所示，傾角為45°，t=40 min 時1 個翅片的基底溫度由68 ℃下降到3 個翅片的62 ℃，5 片翅片與3 片翅片相比基底溫度基本沒有變化，這種現(xiàn)象可歸因于翅片增加時局部流動速度的降低。

圖5 不同翅片數(shù)45°傾角各測點溫度變化Fig.5 Temperature change of different fin number and 45°inclination angle measuring points

圖6 不同翅片數(shù)90°傾角各測點溫度變化Fig.6 Temperature change of different fin number and 90°inclination angle measuring points

2.2 PCM介質(zhì)內(nèi)的溫度分布

圖7和圖8給出了PCM區(qū)域中軸面上特定位置處[圖3(b)]PCM溫度的時間歷程，對于散熱器的垂直和水平方向，翅片數(shù)的不同值分別如圖7、圖8所示。在垂直方向上(0°傾角，圖7)，PCM 區(qū)域上半部分(T52)的溫度明顯高于下半部分(T12)的溫度，主要原因是浮力效應(yīng)促使高溫液體PCM向上運動。對于水平方向(90°傾角，圖8)，特定位置處(T12～T52)的溫度變化趨勢基本相似，由于形成了三維貝納德對流，從而在PCM 液體內(nèi)誘導了有效混合。結(jié)果還表明，對于所有的傾斜角度，每個選定位置的PCM 溫度值都隨著翅片數(shù)的增加而減小，圖7可以明顯看到這個趨勢的變化，t=24 min時，基底T52溫度從1 片翅片的57 ℃逐步下降到3 片時的55 ℃以及5片時的48 ℃。

圖7 PCM中軸面0°傾角各測點溫度變化Fig.7 Temperature change of each measuring point of 0°inclination angle in PCM

圖8 PCM中軸面90°傾角各測點溫度變化Fig.8 Temperature change of each measuring point of 90°inclination angle in PCM

2.3 固液界面評價

為了更好地了解翅片數(shù)和傾角對相變材料熔化和傳熱行為的影響，在傳熱過程中，從側(cè)面拍攝固液界面的動態(tài)照片(圖9～10)。在這些圖像中，黑色和白色分別對應(yīng)于液相和固相。

圖9 不同傾角與翅片數(shù)下固液界面變化(t=12 min)Fig.9 Changes of solid-liquid interface under different inclination and fin number(t=12 min)

在傳熱過程的早期階段(t=12 min)，如圖9 所示，除了在1 個翅片且傾角為0°的情況下PCM 區(qū)域的上半部分有微小的變化，固液界面在其他情況下沿基板的移動都是相對均勻的。由于靠近基板和散熱片的PCM 熔化層厚度不足，浮力不足以克服黏性力，使得傳導成為主要的傳熱機制，圖4散熱器背部特定位置(TH1～TH9)和圖7散熱器內(nèi)部特定位置(T12～T52)的溫度分布也證實了這種傳熱機理。

當液體層隨時間變厚(t=24 min)時，浮力對傳熱起著積極的作用，并決定了相變區(qū)域內(nèi)固液界面的運動。當浮力垂直作用時，傾角對浮力誘導流在PCM 內(nèi)的產(chǎn)生有重要影響，如圖10 所示。對于傾角為0°的情況，對流單體的形成首先在PCM 區(qū)域的右上角附近開始，然后隨著時間的增加向加熱壁相反方向擴展。這種流動局部增強了相變材料區(qū)域上半部分的傳熱，使固液界面的運動速度比下半部分快，形成了液相區(qū)凹形界面形狀。由于基板及翅片與固態(tài)PCM之間的間距很小，PCM區(qū)域的下部仍以傳導方式為主。當傾角從0°變?yōu)?5°時，對流區(qū)域擴展到PCM 區(qū)域的下半部分，因為更多的高溫PCM從加熱壁分離并撞擊到固態(tài)PCM上，這種強對流運動提高了熔化速率，改變了固液界面的形狀。對于傾角為90°時，PCM區(qū)域內(nèi)的界面以接近線性的方式進行，這種熔化趨勢歸因于三維貝納德對流的形成，該對流誘導了液體相變材料內(nèi)部的有效混合，圖像還顯示，在相應(yīng)的時間，翅片數(shù)的變化對界面輪廓沒有顯著影響。

圖10 不同傾角與翅片數(shù)下固液界面變化(t=24 min)Fig.10 Changes of solid-liquid interface under different inclination and fin number(t=24min)

2.4 翅片數(shù)和傾角對散熱器熱性能的影響

實驗還從時間角度比較了不同配置散熱器(含和不含PCM)的散熱性能。從圖11(b)可以看出，在給定的翅片數(shù)下，工作時間隨著傾斜角度的增加而增加，除無翅片工況外，其他各種配置的散熱器均在傾角為60°時達到最大值，然后隨著傾斜角度的進一步增加而減少。這種趨勢是由于浮力誘導的流動變強，使得對流單體生長的液相相變區(qū)域更大。結(jié)果還表明，當傾角在0°～60°變化時，單翅片情況下含相變材料散熱器的工作時間延長了78.6%，隨著翅片數(shù)的增加工作時間延長的趨勢變小，而不含相變材料的各種配置散熱器在所有傾角變化范圍內(nèi)工作時間都無明顯變化。

圖11 翅片數(shù)與傾角對散熱性能影響Fig.11 Effect of fins number and inclination on heat dissipation performance

圖11(b)還表明，給定傾角狀態(tài)下，時間與翅片數(shù)之間存在一定的關(guān)系，即翅片數(shù)的增加會延長工作時間。當翅片數(shù)為1～3 片時，各傾角工況下的工作時間延長更為明顯，但隨著翅片數(shù)的進一步增加，這種擴展變得不明顯。圖中0°傾角工況下，5 片翅片相比單翅片工作時間延長了78%，而60°傾角時只延長了12%。這種趨勢可以認為是對流單元的強度和大小的變化引起的，對流單元對對流模式起主導作用。當翅片數(shù)增加超過某個值(3片)時，相鄰兩個翅片之間的間距太小，對流單元形成困難，對流運動的幅度被強烈削弱，導致傳熱減少。對于不包含PCM的情況，如圖11(a)所示，工作時間隨著翅片數(shù)的增加而增加，但與傾角相對獨立。

3 結(jié)論

實驗研究了翅片數(shù)和傾角對縱向翅片相變材料散熱器熱性能的綜合影響。本研究的主要發(fā)現(xiàn)可總結(jié)如下。

（1）相比無PCM工況下的單相傳熱，PCM材料引發(fā)的相變傳熱對散熱性能的改善有顯著作用，翅片數(shù)的增加也能在一定程度上改善散熱性能，最大可提升78%。

（2）在相變傳熱過程中，初期以熱傳導為主，各測點溫度上升較快；隨著PCM 的熔融傳熱機理發(fā)生變化，由熱傳導轉(zhuǎn)變?yōu)樽匀粚α鳛橹鳌釣檩o，各測點溫度上升減緩直至相變過程結(jié)束。

（3）散熱器傾角對熔融過程的傳熱特征有顯著影響。隨著傾角與翅片數(shù)的增加，溫度分布更加均勻；但在翅片數(shù)達到3片后進一步增加翅片對散熱的促進作用不明顯?？傮w上看，在本文所研究的工況中，添加PCM、散熱器傾角為60°且翅片數(shù)大于3片時的運行工況最佳。