金属材料增强...

第 ３７ 卷第 １ ０ 期工 程 热 物 理 学 报Ｖｏ ｌ． ３ ７

，Ｎａ ｌ Ｏ

２０ １ ６年１０月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＮＧ ＩＮＥＥＲＩＮＧＴＨＥＲＭＯ ＰＨＹ Ｓ ＩＣ ＳＯｃｔ ． ．２０ １ ６

金属材料增强的石蜡储热性能研究马 预谱 胡锦炎 陈 奇 罗小 兵

（华 中科技大学能源与动力工程学院 ， 武汉 ４３００ ７４

）

摘 要 本文主要通过实验对比研究铝翅片和 泡沫金属铜对石蜡的储热性能和储热密度的综合影响 ， 分别测试封装纯石

蜡 、 封装石蜡的 同时加装平行铝翅片 、 将石蜡填充到泡沫金属铜空隙三组散热器的热源温度上升曲线 。实验得出 ： 加装

铝翅片 和填充泡沫金属铜能使热源与石蜡的平均温差分別 降低 ７６％和 １ ８％， 同 时使储热阶段热源的平均温度分别降低

２２ ． ２°Ｃ 和 ９ ． ５

°Ｃ

， 因此加装铝翅 片增强石蜡储热性能强于填充泡沫金属铜 。 加装铝翅片 和填充泡沫金属铜导致整体储热

密度分别减少 ４ ０ ． ３％和 ４． ２％，从储热密度方面考虑泡 沫金属铜明显优于铝翅片 。 因此我们需要综合考虑储热性能和储热

密度的影 响选择最合适的增强石蜡储热的方式 。

关键词 石蜡相变材料 ； 泡沫金属铜 ； 储热性能增强

中图分类号 ： ＴＫ １ ２３文献标识码 ： Ａ文章编号： ０２ ５３ ２ ３１Ｘ（２〇 １ ６

）１ 〇 ２ １ ９６ ０６

ＳｔｕｄｙｏｎＨｅａｔＳｔｏｒａｇｅＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＥｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆＰａｒａｆｆｉｎｂｙ

Ｍｅｔａｌｌ ｉｃＭａｔｅｒ ｉａｌ

ＭＡＹｕ－ＰｕＨＵＪ ｉｎ－ＹａｎＣＨＥＮＱ ｉＬＵＯＸｉａｏ－Ｂ ｉｎｇ

（Ｓｃｈ ｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ

ａｎｄＰｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ

ｉｎｇｓ ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉ ｔｙ

ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａ ｎｄＴｅｃｈｎｏｌ ｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３ ００７４ ，Ｃｈ ｉｎａ

）

Ａｂｓｔ ｒａｃｔＩｎｔｈｉ ｓｐａｐｅｒ，ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕ ｃｔｅｄｏｎｅｆｆｅｃ ｔ ｓｏｎｈｅａｔｓ ｔｏｒａｇｅｐｅ ｒｆｏｒｍａｎｃ ｅａｎｄ

ｈｅａｔｓｔｏｒａｇｅｄｅｎｓ ｉ ｔｙ

ｏｆｐａｒａ

ｆｆｉｎｕｓｉｎｇａｌｕｍ ｉｎｕｍｐ

ｌａｔｅ－ｆｉｎａｎｄｃｏｐｐｅ ｒｍｅ ｔａｌｆｏａｍ ．Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ －

ｔｉｍｅ

ｃｕｒｖｅｓｏｆｈｅａｔｓｏｕｒ ｃｅｏ ｆｐｕ ｒｅｐａｒａｆｆｉｎ ，ａｌｕｍｉｎｕｍｐｌａｔｅ

－ ｆｉｎａｎｄｃｏｐｐｅ ｒｍｅｔａｌｆｏａｍｗｅｒｅｏｂ ｔａｉｎｅｄ，

ｒｅｓｐｅｃ ｔ ｉｖｅ ｌ

ｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌ ｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉ ｆｆｅｒｅｎ ｃｅｂ ｅｔｗｅｅｎｈｅａｔｓｏｕｒ ｃｅａｎｄ

ｐａｒａｆｆｉｎｗａｓ

ｒｅｄｕｃ ｅｄｂｙ７６％ａｎｄ１ ８％

， ａｎｄｔｈ ｅａｖｅｒ ａｇｅｔｅｍｐｅ ｒａｔｕｒ ｅｏ

ｆ ｈｅａｔ ｓｏｕｒｃｅｄｕｒｉｎｇｈｅａｔｓｔｏｒａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｗａｓ

ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ２２．２

０

Ｃａｎｄ９ ． ５

°

Ｃｗ ｉ ｔｈｔｈ ｅｕｓｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍｐ

ｌａｔｅ－ｆｉｎａｎｄｃｏｐｐｅ ｒｍｅ ｔａｌｆｏａｍ

， ｒｅｓｐ ｅｃｔ ｉｖｅ ｌ

ｙ．

Ｆｒ ｏｍｔｈａｔｐｏｉｎｔ

，ａｌｕｍｉｎｕｍ

ｐｌ ａｔｅ－

ｆｉｎｉｓｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎｃｏ ｐｐｅｒｍｅ ｔａｌｆｏａｍ ．Ｏｎ ｔｈｅｏｔｈｅｒｈａｎｄ，ｔｈｅ ｔｏｔａｌ

ｈｅａｔｓｔｏｒａｇｅｄｅｎ ｓ ｉｔｙｗ ａｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙ４０

．３％ａｎｄ４ ． ２％ｕ ｓｉｎｇａｌｕｍ ｉｎｕｍｐ

ｌａｔｅ －ｆ ｉｎａｎｄｃｏｐｐｅ ｒｍｅ ｔａ ｌ

ｆｏａｍ，ｒｅｓｐ ｅ ｃｔ ｉｖｅ ｌｙ

．Ｆｒｏｍ ｔｈａｔｐｏ ｉｎｔ，ｃｏｐｐｅｒｍｅ ｔａｌｆｏａｍｉ ｓｂｅ ｔ ｔｅ ｒｔｈａｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ

ｐｌａｔｅ－

ｆｉｎ ．Ｔｈｅｒｅ ｆｏｒｅ，

ｔｈｅｓｕ ｉｔ ａｂ ｌｅｈｅａｔｓｔｏ ｒａｇｅｅｎｈａｎｃ ｅｍｅｎｔｏ ｆ

ｐａｒａｆｆｉｎｉｓｃｈｏｓｅｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｅｆｆｅｃ ｔ ｓｏｎｈｅａｔ

ｓｔｏｒａｇｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｈｅａｔｓｔｏｒａｇｅ

ｄｅｎｓ ｉ ｔｙ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓｐ

ｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｅｒ ｉａｌ；ｃｏｐｐｅｒｍｅｔａ ｌ ｆｏａｍ

；ｈｅａｔｓｔｏｒａｇｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｎｈａｎｃ ｅｍｅｎｔ

〇 引 言

相变材料在相变过程中能吸收或释放出大量的内外许多专家学者都在研究提高石蜡类相变储热材

潜热 ， 且相变过程中温度几乎不变 ，因而广泛应用于料的导热性能 ， 通常采取的措施是在相变材料中 添

各种 电子产品的散热中 ， 特别是间歇性工作的电子加金属填料 、 石 墨 、 碳纤维 、 在封装壁面上加肋

元器件的热封装中 。 在工作时段将电子器件产生的片 以及进行胶囊封装或将不同的相变材料进行组合

大董热量储存在相变材料中 ， 在非工作时段再将储等 ｗ， 由 此来提髙储热系统储 、 放热的速率 。 本文将

存的热量释放到环境中 １１

１

。石蜡作为

一

种相变材料 ， 主要对比研究加装铝翅片和填充泡沫金属铜这两种

具有相变潜热大 ，固 － 液相变过程体积变化小 ， 热稳增强方式 。

定性好 ， 无过冷现象 ， 价格较低廉等优点 使之Ｚｈａｏ 等 Ｗ 在相变材料 中填充泡沫金属铜来提

在高功率电子器件的热封装 中得到了大量应用 。 但高石蜡的导热性能 ， 结果表明 ： 加入泡沫金属铜后

由 于石蜡导热系数小 ， 使得储热速率低 ， 热源温升其总传热系数提高了３？ １０ 倍 ，

而凝面过程的时间也

快 ， 不利于电子器件的高可靠性工作 ［３

］

。 近年来 ，国降低了

一

半多 ， 大大加快了传热速率 。Ｐａｒ ｌａｋ 等 Ｍ

收稿日期 ： ２ ０１ ６ －０３－ １０； 修订 日期 ： ２〇 １６

－

０ ９＿

２２

基金项 目 ： 国家 自然科学基金 （Ｎｏ ． ５ ｌ ５７６〇７８

）

作者简介 ： 马预谱 （１ ９９３

－

）， 男 ， 硕士研究生 ， 主要从事极端条件下的热管理 。 通信作者 ： 罗小兵 ， 教授 ，

Ｅｍａｉ ｌ ：Ｌｕｏｘｂ＠ ｈｕ ｓｔ ． ｅｄ ｕ ． ｃｎ

１ ０ 期马预谱等 ： 金属 材料增强的石蜡储热性能研究２ １ ９ ７

在用于 电子设备散热 的翅片散热器中填充石蜡 ， 与可以用公式（

２）表示 ：

没填充 ＰＣＭ 的翅片相 比，温度下降了７？ ８

°

Ｃ， 起ｈ^

到 了保护电子设备的作用 。 ｓ ｔ ｒｉｔｍｍ 在一

个矩形容ｆ

ｅｓＴ

＇ ｎ ＜ Ｔ〇

器 内研究了 翅片对石赌放热的传热强化 ， 计算 出 不ｃｍ＝＜Ｃ

ｓ＋ｒ（ ）＜ｒｍ＜Ｔ

〇＋ＡＴ（

２）

同条件下传热性能提高的效率 。 由 上述文献得 出填‘

Ａ ｆ

充泡沫金属铜和加装翅片都能增大石蜡的导热性能 ，＾ ｑ〇 ＋

从而改善其储热性能 。 还有许多研究者将泡沫金属 其中 ，

ｃｓ 、

Ｃｌ 分别为 固态和液态石蜡的 比热容 ，

Ｌ 为

铜和翅片对相变材料的影响进行了对比研究 。 张涛 石蜡的相变潜热 ，

Ｔ〇 、

ＺＶＴ 分别为熔化温度和熔化过

等 间 分别 以泡沫铜填充石蜡为例 ， 与用铜 、 铝翅片 程中石蜡的温度变化 。 石蜡的边界条件可以表达为 ：

并联和 串联两种方式填充石蜡时的有效导热 系数进虹

行了计算对比 ； 结果显示填充泡沫金属铜能改善相Ａｍｆ Ｕ＝Ｑ

＝ ０ （３

）

变材料的储热性能和效率 ， 并且整体效果要比加装

翅片好 。Ｖ＃＝ ／ｉ（ｒｍ

－

ｒ〇〇 ）（

４）

在上述研究工作中 ，只是单独地考虑了 石蜡的．

（ ｙ

有效导热系数而得出 填充泡沫金 ｉｉ铜的整体效果强财 ，

＾ 为石婚与空气的 自然对流换热系数 ，ｒ〇° 为

于翅片 ，没有考虑其他储热性能 比如储热起始时间 、

^

储热温度等 以及翅片 和泡沫金属铜增加的体积对整从上述分析中我们可以看出 石蜡的导热 系数是

体储热密度的影响 。 因此本文将在封装等质童石 虫昔要参数 ， 但是纟１

５石蜡 的导热

的 条件下 ， 综合对 比職填充麟金腦＿卩魏 系觀小 ，导致从热

、

翻相变簡的传热速率很慢 ，

翅片对石娜雜性齢Ｈ祕密舰综合影响 。不利于麗驗热 。基于石蜡 自身低导热率引 起的

问题 ， 本文采用两种金属材料结构平板铝翅片和泡１ 石蜡相变过程传热分析沫金麵提高石蜡的有效导热系数 ，

在进行石蜡相变储热实验时 ， 将石蜡填充在铝２ 实验装置与掌３合方法金属空腔中 ， 其结构示意图如 图 １ 所示 。

为了研究加装平行铝翅片和填充泡沫金属铜对

ｙ石蜡的储热性能增强作用 ， 本次实验分别采用三组■散热器对热源进行散热 。

三组散热器 的具体结构如

图 ２ 所示 ， 第一组为填充有纯石蜡的空腔散热器 ；

— ］第二组为铝翅片散热器 ，在空腔散热器的空腔中等

距离的安装了９ 个厚度 为 ２ｍｍ 平行铝翅片 ， 然后

＾沫金属體热器 ， 泡沫金属铜的具体结构如实物图 ３

图 １ 石 虫 曰相变模块结构示意图石蜡 ＃ 丨平板平翅片 ＃ 丨 石蜡石蜡 ＃

丨 泡沫金属铜Ｆ

ｉｇ．１Ｓｔ ｒｕ ｃｔ ｕｒ ｅｓ ｃｈｅｍａｔ

ｉｃ ｏｆｐ

ｈ ａｓｅ －ｃｈ ａｎｇｅｍｏｄ ｅｌｏｆｐ

ａ ｒａｒｎ ｎ

ｓＡＡｍ ｍ ｔ

为 了简化分析过程 ， 我们做出 以下假设 ： 忽略热ｌ ｌ ｌｌ ｌ ｌｌ ｌ ｌｉ ｌ

源到散热器底部的扩散热阻和所有的接触热阻 ； 由ｆ

于铝合金导热系数远大于石蜡的导热 系数 ， 因此我^

们假设散热器底部和垂直翅片都看做等温面 ；同时

忽略石蜡与空气的 自 然对流换热 。 因此，石蜡的 能

讨方程可以表示为 ：

ｆｄ２Ｔ

ｎｄ２Ｔｍ

］ｄＴｍｍ

［ｄｘ：２＋ｄｙ

２

ｊ

￣

ＰｍＣｍ＾

ｄＴｕ⑷ 空腔散热器 （ｂ

）铝翅片散热器

（ｃ

）泡沫金属 铜散热器

甘由公 丨 士抵 粉 途：图 ２ 三种不同形式散热器结构及热电偶＃ ｉ 分布示意 图具＇ 〒 ｍ

、 Ｐｍ ， 、Ｃｍ 、

丨 ｎ方 另ｊ为心 曰的导热杀奴 、

ｉＳＦｉｇ．２Ｓｔｒ ｕｃｔ ｕｒｅｓｃｈｅｍａ ｔ ｉ ｃｏｆ ｔｈ ｒｅｅｔ

ｙｐｅｓｏ ｆｈｅａｔｓ ｉｎ ｋｓａｎｄ

度 、 比热容和温度 。 石蜡在相变过程中的 比热容 Ｃｍｔｈ ｅｄ ｉｓｔｒ ｉｂｕ ｔ ｉｏ ｎｏｆ ｔｈｅ ｒｍｏ ｃｏ ｕｐ

ｌ ｅ＃ １

２ １９ ８工 程 热 物 理 学 报３ ７ 卷

表 １ 三组散热器具体参数

Ｔａｂ ｌｅ１Ｓｐｅｃｉｆｉｃｐａ ｒａｍ ｅｔｅｒ ｓｏ ｆｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏ ｆｈｅａｔｓ ｉｎｋｓ

￣

散热器种类总质 （含石蜡 ） ／ｇ额外增加体／ｃｍ

３

石蜡高度 ／ｍｍ＃ １ 热 电偶高度 ／

ｍｍ

空腔散热器１４ ７０１Ｌ８５ ． ９

铝翅片散热器２１０４ １ ． ０４１６８

泡沫铜散热器

１ ７１

２￡７

１＾ ３

６Ａ ５

￣

据采集仪将实时采集二个热 电偶 分别测得的石错 、

＇

ｔＢ｜ ｜ 热源和环境温度输入到计撕中进行存储 、处理和

鋼Ｐｈ^…

１

ＬＩ ，

４Ｍ

？？ ｜ ， 〇？ ｜

１Ｈ图 ３ 泡沫金属铜实物 图１ １ １ １ １ １

Ｆｉｇ

．３Ｐｈｙｓ ｉｃａｌｆｉ

ｇｕ ｒｅｏ ｆｃｏ

ｐ ｐｅｒｍｅｔ ａｌｆｏ ａｍ导热娃脂

一 一

热源－

ｚ

Ｉ

所示 ， 在減雜石ｓｔ购 ±＆±貞紐麟魏漏

空隙中 ，因此泡沫金属铜额外增加体积很小 。纟＾热材＃直

ｆ稳压

本实验采用的石蜡导热系数为 〇 ． ２ Ｗ／ （ｎｖＫ

） ， 固＋

态石蜡密度为 ０ ． ８６ｇ／ ｃｒａ３

， 液态石蜡的密度为 ０ ． ８４ｃｈ

图

＾实验装 意图

，

ｒ ｉｆｆ ．４ｂｃｈｅｍａｔ ｉｃｄ ｉａｇｒ ａｍｏ ｒ ｅｘｐｅ ｒ ｉｍｅｎｔ ａｌｓｅ ｔ－

ｕ ｐ

ｇ／ ｃｍ３

。 根据石蜡的 Ｄ ＳＣ 测试曲线 ， 石蜡的融化

过程是个持续升温的过程 ， 随着温度的升高 ，石蜡ｑ

在 ４６ ． １２°

Ｃ 开始发生相变 ， 在 ４７ ．４８°

Ｃ 相变过程结Ｔ／Ｔ

束 ，石蜡在融化相变过程的潜热为 ２４４ ． ３８ｋＪ

／ｋｇ 。本次实验我们综合对 比研究三组散热器在输入

三种散热器基体材料和翅片材料都是 ６０６ １ 铝合金 ， 功率为 Ｐ〗

＝１０Ｗ

、Ｐ

２＝ ２０Ｗ

、Ｐ３＝ ３０Ｗ 三种工况

导热系数为 １５５Ｗ／ （ｍ ＿Ｋ

）； 泡沫金属铜孔 隙率 为下石蜡的储热性能和储热密度 ，

主要是测试热源和

９ ７ ．８ ５％，ＰＰ Ｉ 为 ３０

。石蜡温度随加热时间的上升 曲线 。 实验中环境温度

三组散热器的外形尺寸均为 ７２ｍｍ ｘ８０ ｍｍ ｘ ３ ５为 （２７± ０ ． ５

）

°

Ｃ，整个实验装置处于大空间 自 然对流

ｍｍ， 腔体四周壁厚均为 ２ｍｍ

， 底部壁厚为 ３ｍ ｉｎ 。环境中 。

三组散热器填充的石蜡相等 ， 使得石蜡能占据铝翅３ ． １ 储热性能对比分析

片散热器 １０ 个空腔体积的一

半 ，根据每个空腔的尺图 ５ 为热源输入功率分别为 巧 ＝ １０Ｗ

、 ＿

Ｐ２＝２０

寸为 ５ｍｍ ｘ ７６ｍｍ ｘ ３２ｍｍ 以及液态石蜡的密度 ，我Ｗ

、Ｐ

３＝ ３０Ｗ 时三组散热器的热源温度和石蜡温度

们可以算得所需石蜡的总体积和总质量分别为 ６〇 ． ８随时间变化的 曲线 。

ｃｍ３ 和 ５ １

ｇ 。 表 １ 为三组散热器的相关具体参数 。

实验装置如图 ４ 所示 ，主要包括热源

（加热面积

为 ３０ｍｍ ｘ ３０ｍｍ） ，直流稳压稳流 电源 、 数据采集％

＇

仪 、 计算机 、 热 电偶和封装有石蜡的散热器 。 热源布■－

置在散热器的底部 ， 并且热源和散热器之 间均匀 的ｙ

６＜ ）－＿

涂有一层薄的导热硅脂 ，

以便减小接触热阻并提高Ｉｄ＾： ｌｌｍ－

导热速率 。 热源周 围包覆着聚 四氟乙烯绝热材料 ，以

＇

减少热量朝其他方 向的散失从而保证加热功率的准－

ｆ－

确性。 电源提供三种恒定的输入功率 ： １ ０Ｗ

、２０Ｗ３ ０

－

Ｌ—■

不請ｗ 。 实验 中总纖了 三个热 电偶 ： ＃ １＿，；

＇ ■

４ 〇

＇

６〇＇ ＇

， 〇 〇

＇

，

；〇

＇

， ］〇

偶置于石蜡的 中心位置（具体布置方式如 图 ２

） ，＃ ２加热时间 ／ｍ ｉｎ

热 电偶置于热源 中心 ， ＃ ３ 热电偶置于空气 中 。 数＆ Ｐ ＝ Ｕ） Ｗ

１ ０ 期马预谱等： 金属材料增强 的石蜡储热性能研究 ２ １９９

９０

［

．

Ｈ ；翅 ；．

■

＿

］当输入功率为 ２０Ｗ 时 ，与空腔散热器相 比

，

８ 〇－－铝翅片散热器和泡沫金属铜散热器的热源与石蜡温

７ ０：；差分别减小 了７６％和 １ ８％ ，ｉ兑明 了纯石蜡的传热热

＾６〇：；阻最大 ， 填充泡沫金属铜次之 ，加装翅片最小 ， 即

ｉ５〇－＂

空腔〉 ＂

泡沫金属 铜＞

翅 片。 力此可以看 出 ： 翅

■請包脸翻臟则 、麵细批醜 ｆ专顯４０

？

：阻， 有效增强石蜡的传热速率 ， 瓶翅片增强效果

３ ０

ｗ＊ ＊ ？ ？＊＊？ ？ ＊ ■

＞■ ？ ？ ？

■

？ ■？■

？ ■ ＊■

？－ －

？？

？ ＊■ ■

＊ ？ ？ ．远强 十泡沫金属铜 。

２０

＾￣

；；〇；５２

ａ

〇

－

＾５３０３ ５４０本 实验重点关注石蜡的储热性能对热源温度的

加热时间 ／ｍ ｉｎ影响 ， 因此接下来将研究热源的温升曲线 。 图 ７ 分（ｂ

）

Ｐ ＝ ２〇 Ｗ别为在热源输入功率为 乃＝ １ （） Ｗ

、Ｐ２＝ ２０ Ｗ

、 幵＝３０

ｉ 〇〇

ｆ＾｜｜＾ｒ＾￣

＇

￣

＇

￣

＇

￣￣

Ｗ 时三组散热器的温升曲线 。 由 图可以看出热源温

＾

－度在时间 ７＼ 和 ｒ

２ 出现两个明显的转折点 ， 在这两

－个转折点对应的热源温度分别 为 乃 和 ｒ２

， 并且两

＾７ 〇

－ ＾

ｍｓｍｍ ｓ

＾．个转折点将温度上升过程分为第一升温阶段 ０？ ：Ｔ

＼ 、

｜ ６〇 ：－第二升温阶段 乃 ？ ｒ２ 和第三升温阶段 ｒ

２￣ 乃 。

＾

５０：－在第

一

升温阶段和第三升温阶段斜率都较大 ，

４０：ｆ^ ＾＊＊＊

＾＾

－第二升温阶段斜率有 明 显的降低 。 第一

升温 阶段

３〇：为固态石蜡吸热逐渐熔化的过程 ； 第二升温阶段在

２〇ＦＶ

‘

．

…

不断吸收热量的同 时温度上升不大 ，很 明显为相变

°５ １〇

；．

１ ５２〇储热阶段 ； 第三升温阶段为液态石蜡吸热过程 。 我们加热时间 ／ｍ ｉ ｎ

（ｃ）尸＝

３０Ｗ

图 ５ 散热器的热源和石蜡温升曲线图８〇

Ｉ

〇＞ ｔ

Ｆ ｉ

ｇ．５Ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕ ｒｅ－ｔ ｉｍｅ ｃｕｒ ｖｅｓ ｏｆｈｅａｔ ｓｏ ｕｒｃｅａｎｄ

ｐａｒ ａｆｆｉｎ？ｊ

＇

（ａ

）Ｐ

ｉ＝ １０Ｗ

， （ｂ

） Ｐ２＝２０Ｗ ，（

ｃ）Ｐ３＝ ３０Ｗ

＾６０－

－

从这三组 曲线中我们可以看出 ： 同一

组散热器

中石蜡温度和热源温度变化趋势基本一

致 ， 并且在ｆ＿ｇ？ｆｌ＂

加热过程中 热源温度始终大于石蜡温度 ， 显然温差＆

４ Ｑ－

ｉｔｆ

－

是由 两者之 间的传热热阻引起的 。 对于同一

输入功率３ （）］ ／

的三组散热器 ， 根据实验数据可以得到整个加热阶段．

热源与石蜡的总平均温差 ，具体数据如图 （

５ 所示 ：２０

〇＇

Ｌ ｏ＇

４０６０＇

８０＇

ｌ ｉｏ

＇

１ ２ ０１ ４０

加热时间 ／ｍ ｉｎ

＿

，

＿

，

＿

，

＿

，

＿

，

＿

，

＿

，

＿

，

＿

，

＿ ＇

＝

１ ０ Ｗ

９ ０＾纯石蜡散热器 ！

－

？

■

Ｉ

Ｉ■ Ｉ

＾＾铝翅 片散热 器＝

１ ８

？

９０■

^＾．＝■泡 沫金属铜 散热器＿

Ｉ１ ５

－

肖＝

Ｉ－

８°

：？

Ｉ■３１ ２＝Ｐ ．〇 ７０

－－

％１ ０

－

８，ａＵ＾ｆｉ－

Ｉ６０

：：

ｓ；５■

＝＿ ３ －６ｒ＾＾ｒ３

＇

４〇－／

＊＂

－？－泡沫金属铜＋石蜡 －

〇Ｏｉ ＪｍｍＪｒＢ＃１ｒ ｉ３０－

－

ｌ 〇 Ｗ２０ Ｗ３０Ｗ２〇ｌ ｉ ，

＇

图ｆｉＰｆ Ｉ ＯＷ、Ｐ２＝ ２０Ｗ

、Ｐ３＝ ３０Ｗ三组散热器热源与石蜡０５１ ０１ ５２０２５３０３ ５４０

的总平均温差加热时间 ／ｍ ｉｎ

．（ｂ

）／

＞

？

＝

２０ＷＦ ｉ

ｇ．６Ｍｅａｎｔ ｅｍｐｅ ｒａＴｕ ｒｅｄ ｉｆｆｅ ｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｈ ｅａ ｔｓｏｕｒ ｃｅａｎｄ

ｗ２

ｐａｒａｆ ｆｉ ｎｏｆ ｔｈｒｅｅｈｅａｔｓ ｉｎｋｓ

２ ２００工 程 热 物 理 学 报３ ７ 卷

９０ Ｌ

Ｊ吸收热量最少 ， 更多的热量被更快地传导到石蜡 中 ，

８〇 ：＾：这同样说 明了翅片增强石蜡传热能力强于泡沫金属

７ ０

－

铜 。 接下来分析加热终止温度 ， 可以看出翅片组终止

＾■温度最小 ，而纯石蜡组合和泡沫金属铜组相当 ， 由 此

１６０

：＂

我们可以得出翅片能在加热时间段内整体降低热源

８

５ ０

：ｆ＼＾

＊＊＊＊＊

■ 室温１：的温度 ，

进一步保护 电子器件 。

４０－

ｙ石蜡－第二步再纵向对比不同输入功率的工况 下石蜡

３０－／：的储热性能 。 当加热功率增大时 ， 储热阶段对应的

：０转折点时间 Ｔ＼ 越小 ， 说明石蜡传热速率更快 ； 并且

°３６

，Ｉ■１ ５１ ８２ １

储热持续时间从 ４０ｍ ｉｎ 降到 １ ６ｍ ｉ ｌ ｌ 再到 ９ｍｉｎ， 储

加执时间 ／ｍｉ ｎ

（ｃ）Ｖ ３ 〇 Ｗ热平均温度也不断增大 ，

这表 明石蜡的储热时间随

图 ７ 散热器的热源温升曲线 图着加热功率增大而明显减弱 。 为了便于分析 ， 我们

Ｆ ｉｇ．７Ｔｅｍ

ｐｅ ｒａｔ ｕ ｒｅ

－ｔｉｍｅ ｃｕ ｒｖｅｓｏ ｆｈｅ ａｔｓｏ ｕｒｃ ｅ （

ａ）Ｐｉ＝ １ ０做出如图 ８ 所示在二种输入功率下招翅片散热器组

Ｗ，（

ｂ）Ｐ２＝

２０ Ｗ，（

ｃ）Ｆ３＝

３０ Ｗ和泡沫金属铜散热器组的储热平均温度相 比空腔散

热器组储热平均温度的温差变化图 。

把第二升温阶段热源温升记为 Ａ ｒ， 持续时间为 Ａ ｉ

，从图 ８ 中可以看 出 ， 随着输入功率增大 ，铝翅片

热源平均温度为 ＴａＶｌ

＞ 第三升温阶段在加热终止时刻组储热平均温度分别降低 １０ ． １°

ｃ、

１ ６ ． ４°

Ｃ 和 ２２ ． ２°

Ｃ，

Ｔ３ 的温度记为 乃 。 时间单位均为 ｍ ｉｎ

， 温度单位均说 明加装翅片增强储热作用随着功率的提高效果越

为。

Ｃ。 具体数据整理如表 ２ 所示 。明显 。 另外

一方面， 泡沫金属铜组储热平均温度降

第一

步先横向 比较相同 功率输入工况下三组散低值随功率变化波动较小 。

热器的储热性能 ，以 Ｐ２

＝ ２ （ ） Ｗ 为例详细说明热源温由 此可以看出 ， 在高功率输入时 ，铝翅 片散热

升过程中现象 。器增强石蜡储热性能的效果更显著 ； 而对于泡沫金

由 表 ２ 可以得出 以下结果 ： 三组散热器转折点属铜散热器，增强石蜡传热的作用随着输入功率的

时刻 乃 分别 为 １ １ 、 ５ 和 ６ｍ ｈｉ， 铝翅片散热器对应的增大基本没有变化 。

转折点出现时间最早 （７＼ 最小 ） ， 说明对应的石蜡相３ ． ２ 储热密度对比分析

变过程出现最早 ， 即从热源到石蜡的热流密度最大 ，考虑到 加装翅 片和填充泡沫金属铜增加 的额

说 明了加装翅片能增强石蜡的有效导热系数 。 同理 ， 外体积 ， 使得单位体积的储热量即储热密度减少 ．

泡沫金属铜也能达到相 当的增强石蜡导热 系数的 效本次实验封装石蜡 的质量相 等 ，因此三组散热器

果 。三组散热器的储热持续时间 大致相等 ， 这整体储热量均为 ５ １ｇ ｘ ２４４ ．３８Ｊ

／ｇ＝ １ ２ ４６３ ． ３８Ｊ

。 由

主要是因为等质量的石蜡完全相变吸收 的热量也相于石蜡本身所占 的体积 为 ６０ ．８ｃｍ３

， 可得纯石蜡

等 ， 所持续的时间也近似相等 。 对于第二升温阶段的储热密 度为 ２〇５Ｊ／ｃｍ

３

。加装翅片 增加 的体积

即储热阶段的平均温度 Ｔ；ｖ ， 我们从表 ２ 可以看出为 ９ ｘ ２ ｘ ７６ ｘ ３２＝４ ｌ ． 〇４ｃｍ３

， 则其储热密度为 １２ ２ ．４

ｒａ ｖ

＿＞ｒａｖ

＿＾ｓ ｊＨ＞ｒａＶ

ｊ８片这说 明翅片组热源本身Ｊ

／ ｃｍ３

。 至于泡沫金居铜 ， 由 于有很多空隙 ， 石蜡可

表 ２ 朽 ＝ １０Ｗ 、 巧 ＝２ ０Ｗ 、 ｆｔ＝ ３０Ｗ 三组散热器热源温升曲线特征值

Ｔａ ｂ ｌｅ２Ｔｈｅｃｈａｒ ａｃｔ ｅｒ ｉ ｓｔ ｉ ｃｖａ ｌｕｅｓｏｆｔｃｍｐ ｃｒａｔｕｒｅ－

ｔ ｉｍｅｃｕｒｖｅｓｏｆｈｅａｔｓ ｏｕ ｒｃｅｏｆｔｈｒｅｅｔｙｐｅ ｓｏｆｈｅａ ｔｓ ｉｎｋｓ

加热功率散热器种类７Ｖｍ ｉｎＴｂ ／

ｍｉｎＡｋ ｉｎ

ｉｎ７＼ ／

°ＣＴ２ ／

°ＣＴ^

／

°Ｃ

空腔散热器 ２５６５４０１ ３２５５６２５６Ｊ７５

Ｐｉ＝ １ ０Ｗ铝 翅片散热器１ ２５０３８１ ３２４５５０４６ ． ６７４

泡 沫铜散热器

１ ３

５２

３９

１ ３２

４ ７

５３

５０ ３

７５ ． ５￣￣

空腔散热器Ｕ２８１ ７４ ０６３７０６５＾８９０

Ｐ２＝２０Ｗ铝 翅片散热器５２０１ ５４ ０４６５２４９ ． ４８５

泡沫铜散热器

６

２３

１ ７

４０

５３

６０

５０

９０＾

空腔散热器９１８９２１７ ３８０Ｔｓｌ９０

Ｐ３＝３０Ｗ？ 翅片 散热器５１３８ ２１５０５６５３ ． ２８０

泡沫铜散热器

６

Ｕ

９

２ １

６ ３

７０

６５ Ｊ）

８９

１０ 期马预谱等 ： 金属材料增强的石蜡储热性能研究２ ２０ １

２ ５

［

――

１导致整体储热密度分别减少 ４ ０ ． ３％和 ４ ．２％； 从储热

热器１密度方面考虑 ， 泡沫金属铜的 明显优于翅片 。 综上

？所述 ， 我们需要综合考虑翅 片和 泡沫金属铜对储热－

１ ６４

１ ５．｜＾｜性能和储热密度的作用 ， 从而选择最经济 、 最适用

＾．＿ ：

＇

的増强石蜡导热性能的方法 。

｜１ ０．

＾

？〇 ９ ． ５

＊ 考 文 献

５－： 方 、＼＼

、、＾＾［

１］Ｈ ＵＪ ｉ

ｎｙａｎ ．ＨＵＲｕ ｎ

，ＺＨＵＹｏｎｇｍ

ｉｎｇ ，

ｅｔａｌ．Ｅｘ

ｐｅ ｒ ｉｍｅｎ

－

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爹參蒙＇

：

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ｘ

ｖｖ．

＇

＼，ｔａ ｌＩｎｖｅ ｓｔ ｉ

ｇａｔ ｉｏｎｏｎＣｏｍｐｏｓ

ｉｔ ｅＰｈａｓ ｅＣｈａｎｇｅＭａｔｅ ｒ ｉ ａｌ

〇＼，Ｎ＼

Ｎ

ｖｊ（ＣＰＣＭ

）ＢａｓｅｄＳｕｂｓ ｔｒａｔ ｅ

［

Ｊ］

．Ｈｅａ ｔＴｒａ ｎｓｆｅ ｒＥｎｇ

ｉｎ ｅｅｒ ｉｎｇ ，

１ ０ Ｗ２０ Ｗ３０Ｗ２０ １６，３７

（３／４

）：３ ５１

－

３ ５８

图 ８ 三种输入功率下铝翅片散热器和 泡沫金属铜散热器储热平［

２］ＺＨＡＮＧＺｈｅｎｇｇｕ ｏ，ＦＡＮＧＸ ｉａｏｍ ｉｎ

ｇ． Ｓｔ ｕｄ

ｙｏｎＰａ ｒａｆ－

均温度降低值变化图ｆｉ ｎ／Ｅｘ

ｐａｎｄ ｅｄ Ｇｒ ａ

ｐｈ ｉｔｅ Ｃｏｍ

ｐｏｓ ｉｔ ｅ Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎ

ｇｅ Ｔｈｅｒ－

Ｆ ｉ

ｇ．８Ｔｈｅｔｅｍ

ｐｅｒａｔｕ ｒｅｄ

ｉｆｆｅ ｒｅｎｃｅ ｏｆｈ ｅａｔｓｏｕｒ ｃｅｄｕ ｒ ｉ ｎ

ｇｍａ ｌＥｎｅ ｒ

ｇｙＳ ｔｏ ｒａ

ｇｅ Ｍａｔｅｒ ｉ

ａｌ ［

Ｊ］

．Ｅｎｅ ｒｇｙ

Ｃｏｎｖｅｒ ｓ ｉｏｎａｎｄ

ｐｈａｓ ｅ－ｃｈａｎｇｅｐ ｒｏ ｃｅｓｓ ｂｅｔｗｅｅｎａｌｕｍ ｉ

ｎｕｍ ｆｉｎｎ ｅｄ ｈｅａ ｔｓ

ｉｎｋａｎｄＭ ａｎａ

ｇｅｍｅｎ ｔ

， ２００ ６ ， ４ ７（

３） ：３０３ ３１０

ｐｕ ｒｅ－

ｐ ａｒａｆｆｉｎｈｅａｔｓｉ ｎｋ，ｍｅ ｔａｌ

－ ｆｏａｍｈｅａｔｓ ｉｎｋａｎｄ［

３］Ａ ｉ ＤＳ ． Ｓ ｕＬ

， ＧａｏＺ，Ｄｅｎ

ｇ ＣＳ

，ｅｔａ ｌ ． Ｓｔ ｕｄｙ

ｏｆＺ ｒｏ ２Ｎａｎ ｏ

ｐ ｕｒｅ －

ｐａｒａｆｆｉｎｈｅａｔｓ ｉ

ｎ ｋ，

ｒｅｓｐｅｃｔ

ｉｖｅ ｌ

ｙＰｏｗｄｅｒｓＢａｓｅｄＳ ｔｅａｒｉ ｃＡ ｃ

ｉ ｄＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＭａｔｅｒ ｉａｌｓ ［

Ｊ］

．

Ｐａｒ ｔ ｉｃｕｏｌｏｇｙ ，２０１ ０ ，８

（４

）

：３９４ －

３９７

［

４］Ｈｏｗａｒｄ ＪＡ

，Ｗａｌ ｓｈＰＡ ．Ａ ｎＥｘｐｅｒ ｉｍ ｅｎｔａ ｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔ ｉｏｎ

以填充到这些空隙 中 ，因此增加的体积只是金属铜ｏｆＨｅａｔＴｒａｎ ｓｆｅｒＥｎ ｈａｎ ｃｅｍｅｎｔＭｅｃｈａｎｉ

ｓｍｓｉ ｎＭ ｉｃｒ ｏｅｎ－

自 身的体积 ， 即２ ． ７Ｃ ＩＩ ｌ

３

，因此其储热密度 为ｌ％ ．３ ｃａ

ｐｓｕ ｌａ ｔｅｄ Ｐ ｈａｓｅ

－ＣｈａｎｇｅＭａｔｅ ｒ ｉａｌＳ ｌｕｒ ｒｙＦ ｌｏｗｓ ［

Ｊ］

．Ｈ ｅａ ｔ

？ｊ／ｗ

。 所以 ， 与纯石蜡相 比加装翅片和填充泡沫金间 臟ｅ＿ｔ Ｆ〇 ｒ

属铜导致储热密度分别减少了４０ ．３％和 ４ ． ２％ 。 Ｔｈｅ ｒｍａ ｌＥｎ ｅ ｒｇｙ

Ｓ ｔｏｒ ａｇｅＵ ｓｉｎ

ｇＭ ｅｔａ ｌＦｏａｍｓＥｍｂｅｄｄｅｄ

Ｗｉｔ ｈ ｉｎＰ ｈａｓ ｅＣｈａｎｇｅＭａ ｔｅｒ

ｉａｌｓ

（Ｐｃｍｓ

） ［

Ｊ］

．Ｓｏ ｌａｒＥｎ ｅｒｇｙ，

４结 论２０１ ０，８４

（８

）：１ ４０２

－

１ ４１ ２

［

６］Ｐａｒ ｌａｋＭ

，

ＥＴ ｉｚ Ｕ ．ＴｈｅｒｍａｌＭ ａｎａｇｅｍｅｎｔｏ ｆａｎＥｌｅｃｔ ｒｏｎｉ－

本文采用二组不 同形式的散热器对比研究了铅ｃａ ｌＤｅｖ ｉｃｅ Ｕ ｓ ｉｎｇＰＣＭＥｍｂｅｄｄ ｅｄ

ｉｎ ａＰ

ｉｎ Ｆ

ｉｎＨｅａ ｔＳ ｉｎｋ

翅片和泡沫金属铜对石蜡储热性能和散热性能的增Ｍ ／ ／ＰｒａＭ ｅｄ ｉｎｇｏｆｌ２

ｔ ｈＴｈｅｍｉａ ｌ ａｎｄＴ ｌｗｍｏｍｅｃｈ ｆｍ ｉｅａｌ

强作用发现Ｐｈｅ ｎｏｍｅｎ ａｉ ｎＥ ｌｅｃ ｔｒｏｎ ｉｃＳｙｓ ｔｅｍｓ

，ＬａｓＶｅ

ｇａｓ

，

ＮＶ，２０１ ０ ：

１）加装钥翅片和填充泡沫金属铜能降低热源与 ［

７］ＳＴｒ ｉＴｉ ｈＵ ．ＡｎＥｘ

ｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｌＳｔｕｄ

ｙｏｆＥｎｈａｎｃｅｄＨｅａｔ

石蜡的平均温差 ， 幅度分别为和ｌ８％， 同时使

Ｔｒａｎ ｓｆｅｒ ｉｎＲｅ ｃｔａｎｇｕ ｌａ ｒＴｈｅｒｍａ ｌＳｔｏ ｒａ

ｇｅＰｈ ａｓｅＣｈａｎ

ｇｅ

＂ ＂ “一 ＂ 、一 ＂ — ． ， …山

，一＿

．ＭａＴｅｒｉａ ｌ ［

Ｊ］

．Ｉｎｔｅｒ ｎａｔ ｉｏｎａ ｌＪｏｕｒｎａ ｌｏｆＨｅａｔａｎｄＭ ａｓｓ

储热 又热源的平均ｋ度降低２ ２． ２

°

Ｃ和９ ． ５Ｃ，加Ｔｒａｎ ｓｆｅ ｒ

，漏 ４

， ＜

４７（１ ２

／１３

）：２８ ４ｌ ２８４７

装翅片增强石蜡储热性能强于填充泡 沫金属铜 ； 并 ［

８］ 张涛 ， 余建祖 ． 相变装置中填充泡床金属 的 传热 强化分析

且在高功率 电子元器件 中 ， 更适合采用加装翅片的 ［Ｊ

］

． 制冷学报 ＇２〇〇 ７ ， ２８ （６

）： １Ｓ

－

１ ７

ｌｓａｐａ

ｊ

－

ｈｕ ｊｐｕ叫 ？^ 匕ＺＨＡＮＧＴａｏ

，ＹＵＪ ｉａｎｚｕ ．Ａ ｎａ ｌ

ｙｓ ｉｓｏｎ ＴｈｅｒｍａｌＣｏｎｄ ｕｃ－

方式；增 ５虽石赌的 １诸热 ； 目 匕 ；ｔ ｉｖｉ ｔ

ｙＥｎｈ ａｎｃｅｍｅｎｔｆｏ ｒＰＣＭＥｍｂｅｄｄｅｄ ｉ ｎＭ ｅｔａ ｌＦｏａｍ

２）加装翅片和填充泡沫金属铜 引起的体积增加 ［

Ｊ］

． Ｊｏｕ ｒｎａｌｏ ｆＲｅ ｆｒ ｉ

ｇｅｒａｔ ｉｏｎ ， 期 ７ ，２ ８ （

６）

：１ ３－

１ ７