自适应改变相变材料传热界面的方法与流程

本发明是关于电子设备热控领域，适用于解决短时间工作的高热耗设备散热问题的自适应改变相变材料传热界面的方法。

背景技术：

相变储能装置是热能转换为化学能后进行存储的一种装置。它通过热交换将热能存储于相变材料内，此时储能单元内封装的相变材料发生相变，使其在相变时吸收大量的潜热并保持温度恒定不变而在蓄能元件内将吸收的大量热量储存起来，实现蓄热过程。待需要时，利用相变材料，再把热能释放出来使用，使固体蓄热体与外界环境达到热平衡。相变材料的微封装具有许多优点，如增加传热面积、减小相变材料同外部环境的反应及减小相变时带来的体积变化。虽然相变材料本身具有储热密度大,且储能过程近似恒温等优点,但这类材料的热传导率却很低,在一定程度上限制了它的应用。理论上,任何材料都能作为相变储能材料,但实际上相变储能材料一般要满足下面一些条件:①相变温度和使用目标相匹配；②相变潜热大；③价廉易得；④化学稳定性好；⑤和存储容器的相容性好；⑥热稳定性好；⑦具有良好的传热及流动性能；⑧具有较低的蒸汽压。另外,储能材料还应具有无毒、无味、相变时体积变化小、无过冷或过冷度小、无相分凝现象、不易燃等性质。

目前，某些短时工作的电子设备具有了越来越高的发热量，在数分钟之内可持续地产生数千瓦热耗，在短时间内关键器件温度迅速上升，导致设备工作不稳定甚至存在烧毁的风险。为了解决这一问题，目前常用的方案是在设备上安装相变储能装置。具体方法是：器件的热量传导至相变储能装置，使封装在装置中的相变材料发生相变、同时完成吸热，这样就可以使得热备热沉(即相变装置)的温度不超过材料的相变点。但是，由于相变材料的导热系数通常很低，邻近传热面的相变材料温度达到相变点时，远离传热面的相变材料温度与相变点还有较大温差，导致其无法发生相变，也就无法完成吸热的过程。当前，通常相变装置的相变率较低，相变材料未被充分利用，亟需引入新的方法来提高相变材料的利用率，这样才可以在有限的工程条件下尽可能地控制发热设备的温度。

在众多的储能技术中,利用相变储能材料pcms)实现能量的储存和释放被认为是最佳的储能技术之一。在各种热能存储方法中，利用相变材料pcm储能的方法储能密度大，并且在储能和释能过程中近似为等温过程，所以一直是研究的热点。现有技术使用翅片作为填充材料，当热量传递方向与翅片相垂直即翅片与石蜡构成串联布置时，翅片之间的石蜡层构成了主要的热阻，有效导热系数受到极大限制，尤其当空隙率较大时，基本和石蜡的导热系数相当；当热量传递方向与翅片方向一致即翅片与石蜡构成并联布置时，由于翅片的作用，有效导热能力得到很大的提高，有效导热系数主要由翅片所占比例决定；在相变储热装置中，填充翅片能有效提高沿翅片方向的导热能力，但使用翅片填充热量横向扩散能力很差，在相变材料吸收和释放热量的过程中相变材料熔化和凝固速度得不到有效改善，使用效率较低，不利于相变储热装置整体热性能的提高。分别以泡沫铜、泡沫铝填充石蜡为例与用铜、铝翅片并联和串联两种方式填充石蜡时的有效导热系数进行了计算对比，从计算结果可以明显看出采用泡沫金属作为填充材料，其整体效果要优于翅片，可显著改善相变储能装置的传热性能及储能效率。泡沫金属作为填充材料时，泡沫金属结构简化为二维的循环扩展六边形网格形式，且传热单元被分为九个导热层。导热能力随空隙率的增加而减小，其有效导热系数在翅片串联和并联两种情况之间，可以看出，添加了泡沫金属后其效果接近于翅片并联的情况；在相变储热装置中，虽然填充翅片能有效提高沿翅片方向的导热能力，但使用翅片填充热量横向扩散能力很差，在相变材料吸收和释放热量的过程中相变材料熔化和凝固速度得不到有效改善，使用效率较低，不利于相变储热装置整体热性能的提高。使用泡沫金属时，由于泡沫金属的循环六面体结构，在任意方向其有效导热能力均相同，且导热系数相对于相变材料本身而言也有较大程度的提高。泡沫铝与石蜡组合时，由于没有考虑相变材料与泡沫金属纤维之间传热时存在的接触热阻，泡沫金属表面会形成一层氧化层，这也会导致导热能力下降。传统的相变材料导热系数较低，因此在使用过程中，在材料内部存在较大的温度梯度，在传热界面达到相变温度时，材料距离传热界面较远部分的温度可能会远低于相变点，无法发生相变。由于发泡工艺的随机性较强，各相变颗粒之间的间隙并不统一，导致各流道的流阻不同，因此液体工质对不同部位的相变颗粒的加热功率是不同的，传统相变材料的传热界面是固定的，无法通过改变界面的方式来调整材料内部的温度分布。综上，传统相变材料存在较大的浪费。在所有相变储能材料中,石蜡基复合相变材料是常用的相变材料之一。该石蜡材料可根据需要对配方进行调整，不同相变点的材料可以匹配不同需求的设备。部分石蜡基复合相变材料吸热后会发生较明显的体积膨胀。将高导热纳米填料加入高分子聚合物，能有效地提高聚合物的导热系数，从而制得柔性导热纳米复合材料。根据填料的维度不同可将导热纳米复合材料分为零维粒子填充型、一维纤维填充型、二维片层填充型和混合填料填充型，前三种的导热系数一般不超过1w/m·k，而混合填料填充型可极大地提升导热系数。目前较为典型的混合填料填充型高分子聚合物有如下两种：一是向ep(环氧树脂)中加入纳米aln掺杂的mwcnts(多壁碳纳米管)和微米aln混合填料制得薄片状复合材料，导热系数可达6.45w/m·k；二是将一维混合填料mwcnts和微米级碳纤维cfs填充的酚醛树脂cf，其导热系数可达393w/m·k。由于发泡工艺的随机性较强，各相变颗粒之间的间隙并不统一，导致各流道的流阻不同，因此液体工质对不同部位的相变颗粒的加热功率是不同的。在很多时候，相变储能装置适用于有限时间内的瞬态工作工况，所以加快相变装置的相变速率是很有必要的。传统相变装置由于只有一个传热界面，且界面不可改变，因此材料的相变速率较慢。由于每次使用时，相变材料都会发生体积变化，如果反复使用传统相变装置，在相变材料和封装壳体之间可能会存在间隙，导致传热界面的接触热阻上升，其结果就是进一步弱化整个相变装置的储能作用。

高储能单元融化过程的传热速率是减少相变储能系统充、释能时间，提高系统效率的重要措施，因而受到国内外学者的广泛关注。现有技术为了得到合适的相变温度及相变潜热等性能通常将两种或两种以上相变物质按一定的比例配合成多组分的混合相变物质,利用相变物质分子之间的相互作用调节相变温度和相变潜热。相变材料在凝固过程中存在着逐时变化的相变界面，相变材料在温度变化时其密度、比热和导热系数均有可能发生变化。相变过程中存在着相界面的移动引起相变材料的质量、动量和能量的传递。在很多时候，相变储能装置适用于有限时间内的瞬态工作工况，所以加快相变装置的相变速率是很有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是针对传统相变储能装置导热率低、相变比例低的问题，提供一种相变速率高、传热热阻小的自适应改变相变材料传热界面的方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种自适应改变相变材料传热界面的方法，其特征在于包括如下步骤：用柔性导热纳米复合材料将石蜡基复合相变材料包裹，形成尺度在数十微米到数百微米区间的相变颗粒；采用发泡工艺将上述相变颗粒制成多孔介质的石蜡基柔性多孔相变材料；将石蜡基柔性多孔相变材料进行封装，形成相变储能装置；相变储能装置相连接容积泵3，并使液体循环通过热源4，将测试相变储能装置进出口压力差的差压计2两端，分别连接在相变储能装置1的流体出入口，并在差压计2与容积泵3之间连接控制器5形成散热系统；对差压计加电，打开容积泵3，热源4热量通过流体工质进入相变储能装置，液体工质直接引入石蜡基柔性多孔相变材料内部，液体工质在相变颗粒缝隙之间流动，将热量携带到大多数相变颗粒附近，快速地吸收源自热源4的热量；相变储能装置的传热界面随着传热的发生而自适应变化，加速相变颗粒的吸热相变过程。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

相变材料的相变率高。本发明把液体工质直接引入了石蜡基柔性多孔相变材料内部，液体工质在相变颗粒缝隙之间流动，将热量携带到大多数相变颗粒附近，快速地吸收源自热源4的热量，通过相变材料传热界面自适应改变相变装置内的温度梯度，因此相变装置内的温度梯度较小；通过液体工质对不同部位的相变颗粒的加热功率是不同的，部分相变颗粒膨胀并阻断部分通道这一特性，使流道在工作过程中随时都在发生变化，即相变储能装置的传热界面随时都在随着传热的发生而自适应变化，且变化的方向是使尚未发生相变的颗粒发生相变，因此本可变传热界面相变储能装置的材料相变率极高。解决了传统的相变材料导热系数较低，使用过程中，在材料内部存在较大的温度梯度的问题，并克服了传热界面达到相变温度时，材料距离传热界面较远部分的温度可能会远低于相变点，无法发生相变；传统相变材料的传热界面是固定的，无法通过改变界面的方式来调整材料内部的温度分布，导致传统相变材料存在较大浪费的的缺陷。

相变材料的相变速率高。本发明用柔性导热纳米复合材料将石蜡基复合相变材料包裹，将石蜡基柔性多孔相变材料作为传热强化介质，相变储能装置内部的传热速率得到了较大提高，形成尺度在数十微米到数百微米区间的相变颗粒；采用发泡工艺将上述相变颗粒制成多孔介质的石蜡基柔性多孔相变材料；将石蜡基柔性多孔相变材料进行封装，形成相变储能装置。装置内部温度分布的均匀性也得到了较好地改善；同时通过增大相变储能装置的传热界面面积，且该界面还可以随着传热的进行而改变的方式，能够更加快速地吸收源自热源的热量，从而更有效地控制热源的温度，使得本发明的相变装置的相变速率要高于传统装置。

传热热阻小。本发明石蜡基柔性多孔相变材料与柔性导热纳米复合材料结合后，内部即被分隔为许多微小传热单元颗粒在相变储能装置内部构成了一个传热网络，由于网络结构抑制了石蜡的自然对流,热量能够沿相变颗粒缝隙之间的流动迹线快速传递，并通过较大的比表面积迅速扩散至复合材料内部，材料的有效表征导热系数能够得到显著提高，提高相变储能装置内部的温度均匀性，使得装置内部无论是在固态、液态相变过程中都保持了较小温差，有利于相变过程快速、高效、充分。由于液体工质可以将热量携带到大多数相变颗粒附近，因此该接触热阻的变化并不会直接影响到相变装置的吸热过程，从而降低了反复使用时热阻增大的风险。石蜡基柔性多孔相变材料与相变材料结合构成复合相变材料后，热量能够沿柔性导热纳米复合材料纤维快速传递，并通过较大的比表面积迅速扩散至复合材料内部，使石蜡基复合相变材料复合相变材料的等效导热系数得到了很大提高，降低了反复使用时热阻增大的风险。解决了传统相变装置反复使用，每次使用时，相变材料都会发生体积变化，在相变材料和封装壳体之间可能会存在间隙，导致传热界面的接触热阻上升，进一步弱化整个相变装置的储能作用的缺陷。

本发明可支撑短时、有限空间、高热耗条件下的电子设备散热，可以使有限空间内短时工作的电子设备得到有效的散热，提供了一种崭新的解决手段。可更好地控制电子设备内部关键发热器件的温度，无论对于提升电子设备的主要性能还是提升可靠性都有较为积极的影响。

附图说明

图1是本发明自适应改变相变材料传热界面的散热系统的原理图

图2是图1在初始状态下，吸热前石蜡基柔性多孔相变材料内部的微观放大示意图。

图3是图1发生了部分相变时吸热后，石蜡基柔性多孔相变材料内部的微观放大示意图。

图中：1相变储能装置，2差压计，3容积泵，4热源，5控制器。

具体实施方式

参阅图1-3。根据本发明，用柔性导热纳米复合材料将石蜡基复合相变材料包裹，形成尺度在数十微米到数百微米区间的相变颗粒；采用发泡工艺将上述相变颗粒制成多孔介质的石蜡基柔性多孔相变材料；将石蜡基柔性多孔相变材料进行封装，形成相变储能装置；相变储能装置相连接容积泵3，并使液体循环通过热源4，将测试相变储能装置进出口压力差的差压计2两端分别连接在相变储能装置1的流体出入口，并在差压计2与容积泵3之间连接控制器5形成散热系统；对差压计2加电，打开容积泵3，热源4热量通过流体工质进入相变储能装置，液体工质直接引入石蜡基柔性多孔相变材料内部，液体工质在相变颗粒缝隙之间流动，将热量携带到大多数相变颗粒附近，快速地吸收源自热源4的热量；相变储能装置的传热界面随着传热的发生而自适应变化，加速相变颗粒的吸热相变过程。在相变颗粒的吸热相变过程中，石蜡基柔性多孔相变材料的焓值上升，并产生膨胀，充分膨胀后的相变颗粒阻断了部分相变颗粒缝隙原有的流动路线，迫使更多工质向未充分吸热、未充分膨胀的相变颗粒流动。在充分吸热、充分膨胀的相变颗粒阶段将不再接受大量热量，而未充分吸热、未充分膨胀的相变颗粒周围存在更大流量的工质，加速这些相变颗粒的吸热相变过程；当差压计2探测到的相变储能装置进出口压力差达到设定值时，石蜡基柔性多孔相变材料的相变率接近设计极限，此时控制器5对容积泵断电，停止液体工质循环。当接收到的差压计信号达到预设值时，控制器5输出信号使容积泵停止工作，相变储能装置1的可变传热界面即完成了实施例中的周期吸热任务。

具体包括，第一，使用上述的柔性导热纳米复合材料将石蜡基复合相变材料包裹，形成尺度在数十微米到数百微米区间的小颗粒，本发明称之为相变颗粒；

第二，采用发泡工艺将众多相变颗粒制成多孔介质的形式，本发明称之为石蜡基柔性多孔相变材料；

第三，将石蜡基柔性多孔相变材料进行封装，形成相变储能装置；

第四，将容积泵与相变储能装置相连接，并使液体循环通过热源，将差压计两端分别连接在相变储能装置的流体出入口；

第五，对差压计加电，开始测试相变储能装置的进出口压力差；

第六，打开容积泵，并使其流量保持稳定，相变之前，石蜡基柔性多孔相变材料内部的微观放大示意如图1所示，其中的箭头是流动迹线示意图，液体工质在相变颗粒之间流动；

第七，加载热源，热量通过流体工质进入相变储能装置，使石蜡基柔性多孔相变材料的焓值上升，并产生图2所示的膨胀，这些充分膨胀的相变颗粒阻断了部分原有的流动路线，迫使更多工质向未充分吸热、未充分膨胀的相变颗粒流动；即在这一阶段，充分吸热、充分膨胀的相变颗粒将不再接受大量热量，而未充分吸热、未充分膨胀的相变颗粒周围存在更大流量的流体工质，这些流体工质为它们带来了更多热量，并加速这些相变颗粒的吸热相变过程，直到多数相变颗粒都发生了膨胀，此时石蜡基柔性多孔相变材料内部的流阻已处于较高的位置；当多数相变颗粒都发生了膨胀，石蜡基柔性多孔相变材料内部的流阻已处于较高的位置，差压计2探测到的相变储能装置进出口压力差达到设定值时，表明石蜡基柔性多孔相变材料的相变率已接近设计极限，此时控制器5对容积泵断电，停止液体工质循环。在整个工作过程中，上一步的情况反复、普遍地发生，显著地提高相变颗粒的相变率。