耦合相变材料存储与水凝胶蒸发冷却用于机载电子设备的持续热管理

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Coupled PCM storage and hydrogel evaporative cooling for sustained thermal management of airborne electronics

　　摘要：高能机载电子设备在严格的尺寸和质量约束下，面临着瞬态高热流密度的问题。相变材料（PCM）储热可以通过潜热吸收来抑制温度峰值，但持续运行需要利用外部冷却资源进行再生。本研究开发了一种集成热管理系统，将小通道冷板、高功率模拟芯片、翅片管式PCM储热换热器和聚乙烯醇/聚乙二醇水凝胶辅助冷却模块耦合在一起。研究了硅油对PCM充能和再生的影响，测试了不同流量下的性能，随后评估了水凝胶蒸发冷却及内部ABS蜂窝支撑骨架的效果。在1.0 L min?1的流量下，硅油使有效熔化持续时间和芯片控温持续时间分别延长了约12%和5%，同时使PCM平均温度和最大温度方差分别降低了约25%和22%。加入水凝胶模块后，有效充能持续时间和控温持续时间分别增加了约172%和187%。在控温区间内，水凝胶模块和PCM储热换热器共同从循环水中移除了约4999 kJ的热量，约为无水凝胶冷却时移除热量的2.9倍。PCM平均温度和最大温度方差分别降低了约72%和68%，表明储热材料利用更加均匀。加入ABS支撑后，拟合的水凝胶冷却功率衰减率参数比无支撑时低了约15%，尽管初始冷却功率较低。这些结果表明，水凝胶蒸发可以为基于PCM的机载热管理提供辅助排热和再生途径。

引言：航空航天电子技术的快速发展，提高了卫星子系统、通信和射频模块以及高分辨率成像仪器的功能密度和计算能力。这些进步通常伴随着更高的功耗和更集中的热产生 [1]。特别是，许多遥感、光学和微波载荷周期性或间歇性运行，在相对较短的工作循环内产生强烈的瞬态热负载。当平台暴露于气动加热或其他高环境温度条件下时，热环境可能变得更加苛刻。如果产生的热量未被移除或暂时储存，过高的元件温度可能导致性能下降、加速老化或灾难性故障。同时，航空航天平台的受限体积、质量预算和内部布局往往限制了基于空气或液体循环的传统冷却系统的使用。因此，航天器和机载载荷需要紧凑、轻量、可靠且能够在高功率瞬态运行期间抑制温度波动的热管理解决方案 [2]。

基于固-液相变的PCM散热器非常适合这种间歇性热负载，因为它们能够在较窄的温度范围内吸收大量热量。其高潜热储存能力和热惯性延迟了温度上升，并减少了外部热条件连续变化时的温度波动 [3]。PCM在航空航天系统中热控制的可行性早在阿波罗15、16和17号任务中就得到了证明，Humphries [4] 研究了充满石蜡的翅片式外壳。随后的研究将该概念扩展到不同的航天器规模和运行要求。Keville [5] 开发了一个包含两种PCM（正庚烷和甲乙酮）的系统，以缓解被动冷却卫星的温度上升。对于小卫星，Yamada 等人 [6] 提出了一种热存储面板，将PCM与由沥青基碳纤维增强的高导热聚合物结合，从而以较小的质量代价提高了表观热容量。

最近的研究集中在改善机载电子设备PCM散热器的传热速率、温度均匀性和质量效率方面。Wang 等人 [7] 将高级醇PCM与石墨泡沫结合，展示了更均匀的温度和更长的有效控温周期。Hou 等人 [8] 对包含多个离散热源的石蜡和铜泡沫散热器进行了多目标优化，同时延长了控温持续时间并减少了系统质量。这些研究还揭示了高能耗机载设备热储存与传统芯片级应用不同的几个特点：可用安装空间有限，环境温度可能达到80 °C [9]，单个局部热源可能施加高达16 kW m?2的热流密度 [7]，并且多个空间分离的热源通常在同一系统内运行 [8]。因此，尽管PCM散热器可以有效缓冲间歇性热负载，但其设计必须考虑恶劣的环境条件、非均匀热产生以及严格的体积和质量约束。

然而，在PCM实际应用之前，必须解决其几个固有局限性。有机PCM、无机盐和水合盐的热导率通常低于0.6 W m?1 K?1，其中有机PCM的热导率通常低于0.3 W m?1 K?1 [10]。由于潜热储能系统的传热速率主要受热导率、传热面积和温差控制，主要的强化策略是提高PCM的有效热导率、增大传热面积以及调节温度场，以便在较小的总温差下传递给定的热负载。热导率的增强通常通过添加高导热的宏观添加剂 [11]、多孔基体 [7] 或导热纳米颗粒 [12] 来实现，而传热面积可以通过翅片或PCM封装来增加。

传热面积可以通过PCM封装或引入扩展表面来增大。宏观封装将PCM与热源或传热流体物理隔离，便于模块化集成，而微封装提供了高的表面积与体积比。翅片提供了另一种实用的解决方案，因为它们成本低廉、制造简单，并且易于集成到传统换热器中 [10]。Mazhar 等人 [13] 开发了一种包含RT25的翅片管式换热器，报告称在熔化和凝固过程中，有效热导率分别提高到无翅片PCM的1.38倍和4.75倍。在900秒的限定时间内，传热有效性增加了约53.1%。在高温运行的试验规模储罐中，Gil 等人 [14] 发现翅片管布置使所需石蜡质量减少了8.8%，同时有效热导率提高了25.83%。这些发现证明了翅片的有效性，但增加的固体体积和质量可能减少PCM的库存，并抵消其在单位质量储热容量上的优势。因此，必须仔细设计翅片几何形状和材料分布，特别是对于受严格质量体积约束的航空航天系统。

还提出了不混溶液体来通过调节温度场和改变内部传热路径来改善传热。Dannemand 等人 [15] 指出，从过冷状态快速结晶可能在PCM内部产生空隙，并提出不混溶液体可以占据这些空间并改善热接触。在随后的实验中，Dannemand 等人 [16] 将石蜡油添加到醋酸钠三水合物储热单元中。添加一升石蜡油在充能过程中产生了换热容量速率的小幅增加。Sutradhar 等人 [17] 也证明了石蜡凝固过程中的体积收缩会产生增加热阻的空隙。Sobhansarbandi 和 Hassanipour [18] 在两个平行的立方容器中检查了石蜡，其中一个容器中添加了硅油。硅油使熔化更早开始，改善了熔化均匀性，并使内部温度升高了约10 °C。硅油是带有有机侧链的液态聚合硅氧烷，其中聚二甲基硅氧烷使用最广泛。它们的热稳定性和润滑性使其成为合适的传热流体，特别是在中大型储能系统中 [19]。Takahashi 等人 [20] 开发了一种直接接触式潜热储存和输送系统，使用油作为传热流体来回收约90 °C的工业余热。他们的吨级示范展示了该系统向吸收式冷水机组供热的潜力。随后，Horibe 及其同事 [21] 通过位于甘露醇和赤藓糖醇PCM混合物下方的喷嘴板注入硅油。熔化和凝固过程的可视化显示，油流量和PCM填充高度影响了储存和释放的热量。总传热系数随油流量的增加而增加。在实际系统中，翅片、多孔基体、级联PCM、纳米颗粒和直接接触流体通常结合使用 [22], [23]。然而，油循环需要额外的容纳、泵送设备以及流体与PCM之间的分离管理。这些要求对于紧凑和轻量化的航空航天热控制可能是不利的，并促使探索能够在不显著增加系统复杂性的情况下补充PCM热储存的被动排热机制。

除了改善储存过程外，PCM充能后保留热量的耗散也是热管理的一个重要方面。热储存并不总是必要或实用的，特别是当排出的热量几乎没有回收价值，或者连续运行会迅速耗尽可用储存容量时。在这些条件下，热量最终必须耗散到环境中 [24]。这一需求推动了混合PCM热管理系统的发展，其中瞬态潜热储存与额外的排热路径相结合。Kozak 等人 [25] 研究了一种代表性的混合PCM-空气散热器，它同时吸收PCM中的热量并通过强制对流将热量排放到环境空气中。辅助空气冷却路径可以在PCM熔化期间分担部分热负荷，并在热源不活跃时随后移除储存的热量，从而使PCM凝固并恢复其储存容量，以应对下一个热脉冲。他们的研究进一步分析了潜热积累、显热积累和向环境传热的相对贡献，为理解混合PCM热管理系统中的热分布提供了一个有用的物理框架。

混合概念随后被扩展到液冷和更高功率的瞬态热管理系统。Kim 等人 [26] 研究了将PCM热缓冲与液冷集成用于高功率瞬态热负荷，证明了PCM在热脉冲期间补充可用液冷容量的潜力。最近，Shoham 等人 [27] 开发了一种热容式换热器，其中固-液PCM储存直接集成到液回路换热器中。该原型采用三个同轴流道，PCM包含在中间环形空间中，热和冷传热流体分别流经储存域的两侧。这种配置提供了两条并行的热路径：从热流体到冷流体的直接传热以及储存域内的临时能量积累。在独立和混合运行场景下的实验表明，这两条路径的相对贡献可能随施加的热条件而变化。在混合运行期间，该装置在稳态条件下在流体之间传递约180–240 W，而热流体的瞬态热输入高达700 W，多余的能量被PCM暂时吸收。因此，PCM充当热缓冲器，补偿瞬时热负荷与可用冷却容量之间的不匹配，允许储热和连续排热在不同热场景下协同运行。

这些研究表明，PCM热管理的有效性不仅取决于储存过程本身，还取决于协调瞬态热积累与持续排热以及随后恢复储存容量的能力。蒸发排热为此提供了一个有吸引力的补充途径，因为水的液-气相变可以在相对适中的温度下移除大量热量。因此，它特别适用于需要逐步释放储存的热量以恢复热储存容量的应用。水凝胶是亲水性交联聚合物网络，可以保留大量水，使其成为蒸发冷却的有前景的材料平台。蒸发被广泛用于热管理，从工业冷却塔到人体通过出汗进行温度调节。在大气压力下，水的汽化潜热约为2257 kJ kg?1。这个值比典型PCM固-液相变的单位质量潜热储存容量高一个数量级以上。例如，石蜡PCM在熔化过程中通常储存约200 kJ kg?1 [2]。水与常见的挥发性工作流体相比也具有一定优势。氨、R32制冷剂和乙醇的代表性潜热值分别约为1166 kJ kg?1、390 kJ kg?1和944 kJ kg?1 [28]。此外，水无毒、来源广泛，且具有相对较高的比热容。这些特性使得基于水的水凝胶蒸发在需要持续散热和反复恢复相变材料储存容量的系统中具有吸引力。

近年来，水凝胶作为被动冷却材料在多个领域引起了广泛关注。在光伏热管理方面，水凝胶可直接贴附于光伏组件背面，通过水分蒸发提供持续冷却。受哺乳动物排汗和植物蒸腾散热的启发，Lu等人[29]开发了一种由气凝胶和水凝胶组成的双层被动冷却结构。气凝胶减少了不良热吸收，而水凝胶则提供蒸发冷却。与含有单层结构的传统水凝胶冷却器相比，双层设计将有效冷却时间延长了约400%。然而，在实际运行中，水凝胶在干燥条件下会通过蒸发持续失去水分。环境条件，特别是相对湿度和温度，通过改变蒸汽压驱动力影响水凝胶的蒸发冷却；提高相对湿度通常会减少水分损失，但也会抑制蒸发速率和冷却效率[30]、[31]。因此，在非运行期间改善水分再吸收是光伏组件被动水凝胶冷却面临的主要挑战。Li等人[32]开发了一种含有氯化钙的聚丙烯酰胺和海藻酸钠水凝胶，其中吸湿性盐能够主动捕获湿气。该水凝胶密封在聚四氟乙烯膜下方，以保护其免受环境干扰。实验表明，该装置将光伏组件的日平均运行温度降低了1.5 °C至6.4 °C，并将其能量输出提高了0.57%至2.43%。类似地，Zhou等人[33]将吸湿性盐掺入氯化钙和聚丙烯酰胺水凝胶中，构建了一种同时用于光伏冷却和大气集水的装置。夜间，系统通过吸湿吸收捕获大气湿气，从而再生水凝胶。在实验室条件下，该装置将光伏板的运行温度降低了最高8 °C，并实现了122.32 g m?2 h?1的淡水生产率。连续供水是延长冷却时间的另一条途径。Zamengo和Morikawa[34]开发了一种PVA水凝胶散热器，其中流动水与水凝胶之间的直接接触实现了连续补水。通过模具浇铸在水凝胶内部形成了一条直径2 mm的U形通道。当加热的水流经通道时，水凝胶外表面的蒸发提供冷却并降低流体温度。在施加热流340 W m?2至1012 W m?2以及不同流速下进行的实验表明，水蒸发占总冷却能力的约51%至79%。因此，这种直接接触配置为冷却流动流体同时补充水凝胶水分提供了一种实用手段。

水凝胶在电子设备的热管理方面也得到了广泛研究。Cui等人[30]开发了一种热响应性聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶用于电子温度调节，并报告其被动冷却能力是自然对流的20倍以上。Pu等人[31]将聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶应用于虚拟现实设备的热管理。在热流密度为1555.5 W m?2时，水凝胶将芯片表面温度维持在70 °C以下。该材料还在两项独立的耐久性测试中进行了评估：在90 °C和85%相对湿度下老化450小时，以及60次吸水-释放循环。循环方案包括在60 °C下释水6小时，然后在25 °C下吸水15小时。水凝胶在这些测试后仍保持高含水量和溶胀能力。Zeng等人[35]使用吸水性的聚丙烯酸钠水凝胶涂覆了大表面积针翅散热器，用于高功率电子设备的被动热管理。所得结构实现了高达200 kW m?2的蒸发冷却热流密度和约1000 W m?2 K?1的有效传热系数。该设计将CPU在峰值和低负荷条件下的温度变化限制在约15 °C以内。

尽管取得了这些进展，但在实际潜热储能换热器中，添加不混溶工作流体受到的关注有限。Dannemand等人[16]向装有乙酸钠三水合物的垂直翅片管储罐中添加了石蜡油，以填充内部空隙并改善热接触。储存容量的增加很小，但输出功率变得更加均匀。翅片相对于重力的垂直方向可能削弱了石蜡油的贡献。其他储存配置可能提供不混溶流体发挥更大作用的条件。例如，密集翅片阵列中的狭窄间距可能导致更多空隙的形成。翅片与外筒之间的间隙也可能引入接触热阻，从而降低传热速率及其均匀性。尽管这些机制需要进一步验证，但研究硅油作为实际储存换热器中的流动填充介质可以为改善相变过程提供有用的指导。水凝胶蒸发也为相变材料储存的热量最终必须耗散的应用提供了潜力，但其与相变材料储存的耦合很少被研究。理论上，储存换热器可以为水凝胶模块提供稳定的热输入，而水凝胶可以降低循环流体的温度。这种相互作用可能稳定流体与相变材料之间的温差，延长传热持续时间，改善熔化均匀性，并使储存功率更加平滑。

在这种混合热管理框架内，本研究考虑的水凝胶辅助系统遵循与先前相变材料-空气和相变材料-液体系统相同的基本原理，即瞬态储热与辅助散热路径耦合。然而，本方法使用水蒸发作为环境散热机制。因此，它将混合概念从强制风冷[25]和常规冷流体冷却[27]扩展为通过循环流体回路耦合到相变材料储存单元的蒸发冷却路径。这种配置保留了瞬态储热和持续散热的互补作用，同时提供了恢复相变材料储存容量的不同方式。

这种耦合概念特别适用于暴露于瞬态热流和严苛空间限制下的机载电子设备。相变材料储存单元可以在运行期间吸收峰值热负荷，但储存的热量随后必须被移除以恢复其储存容量。再生通常依赖于环境热沉，例如冲压空气或燃油冷却回路，因此受飞行条件、能量分配策略和可用安装空间的影响。在所提出的系统中，结合到流体回路中的水凝胶模块可以在高功率运行期间辅助散热，并在低功率运行或停机期间继续移除热量，从而有助于相变材料的再生。这种协调运行可能提高相变材料的有效利用率，延长冷却时间，并减少施加在储存单元上的热负荷。

为评估这种方法，本研究建立了一个闭环液体循环实验系统，包括小通道冷板、模拟高发热芯片、翅片管相变材料储存换热器和蒸发冷却水凝胶模块。首先研究了硅油对储存换热器的热缓冲响应、传热速率和相变均匀性的影响。然后将水凝胶模块集成到相变材料回路中，以评估其在代表性运行条件下对高功率热缓冲和后续相变材料再生的影响。由于水凝胶变形可能影响循环过程中其内部流道的稳定性，还引入并评估了一个三维打印的ABS骨架作为结构支撑。所得实验提供了在协调运行场景下相变材料储存和水凝胶辅助蒸发冷却的系统级评估。

章节片段
实验装置
选用聚乙烯醇（PVA，中国优索化工科技有限公司，聚合度DP=1799）和聚乙二醇（PEG，中国优索化工科技有限公司，聚合度DP=6000）作为水凝胶组分。选择PVA与PEG的组合是为了提供良好的力学性能和蒸发冷却潜力。采用中国浙江黄兴化工有限公司提供的石蜡作为相变材料。二甲基...

硅油对系统传热特性的影响
本小节评估硅油对传热的影响。因此，在这些测试中均未使用水凝胶辅助冷却模块。图14给出了在芯片功率475 W、体积流量1.0 L min?1条件下，无硅油系统在几个关键测量位置的温度以及相应的传热速率。其中，Tc代表芯片表面温度，Tmini,in代表小通道冷板的入口温度...

结论
本研究提出并实验评估了一种将固-液相变材料储存换热器与液-气相变水凝胶辅助冷却模块集成的相变热管理系统。研究了硅油、循环流量、水凝胶蒸发冷却和内部ABS支撑骨架的影响。主要结论如下：
(1) 硅油在相变材料储存换热器中主要起热缓冲作用。虽然其热...

CRediT作者贡献声明
Jianbao Yin：撰写-审阅与编辑、撰写-初稿、验证、调查、概念化。Shisong Wang：调查。Mengyan Ye：调查。Tianrui Hou：调查。Yuming Xing：监督。

利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Jianbao Yin|Shisong Wang|Mengyan Ye|Tianrui Hou|Yuming Xing