一种用于电子设备的新散热器，该散热器采用填充有相变材料的散热片：实验与数值研究

《Journal of Energy Storage》：A new heat sink for electronic devices using fins filled with phase change material: Experimental and numerical study

　　摘要：可靠的热管理对于维持现代电子设备的性能和寿命至关重要。本研究探讨了一种新的散热器设计，该设计采用四个填充了RT-35相变材料（PCM）的鳍片作为被动冷却策略。将所提出的配置的热性能与具有相同PCM体积的传统光滑矩形外壳的热性能进行了比较；调整了鳍片的高度和宽度，以确保两种情况下的PCM质量相等。通过开发并使用当前的实验测量结果验证了一个全面的数值模型，确认了其强大的预测准确性。在PCM熔化和凝固过程中，研究了在4 W和8 W的稳定输入负载以及突然负载增加的情况下，带鳍片和平滑设计的热性能。此外，还使用每小时成本（Chours）指标进行了经济评估。研究结果表明，与传统设计相比，四鳍片散热器在恒定热负载下显著加快了熔化过程，分别加快了45.23%（4 W）和57.69%（8 W）。对于4 W和8 W，凝固时间分别减少了66.58%和73.33%。带鳍片的配置将峰值温度降低到了36.43°C和38.67°C，而平滑设计的峰值温度分别为51.34°C（4 W）和67.59°C。经过20年后，经济分析显示长期成本降低了高达7.57%。所提出的设计在负载波动下表现出更好的热控制能力，将峰值温度限制在35.65°C，并将凝固时间减少了68.81%。这种带鳍片的散热器为下一代电子产品提供了一种非常高效的被动冷却解决方案。

引言：随着电子技术迅速发展到更小的尺寸和更高的功率密度[1]、[2]，热管理问题变得更加紧迫。设备过热会缩短其寿命、降低效率并影响整体可靠性[3]。在先进的电子产品中，像风扇驱动系统和风冷散热器这样的传统冷却方法往往无法管理瞬态热负载和局部热点[4]。因此，相变材料（PCMs）作为热能存储和被动冷却的实用解决方案引起了人们的兴趣[5]、[6]。基于PCM的散热器由于能够在熔化过程中吸收大量热量，在各种功率条件下保持更稳定的工作温度[7]、[8]。主动冷却、被动冷却和混合冷却是目前三种主要的电子冷却技术类型[9]。高功率密度的设备从主动冷却的强大热去除性能中受益匪浅[10]。尽管这种方法有效，但它也有一些显著的缺点：它需要外部电源，这增加了总能耗并降低了系统效率；此外，机械部件（如泵和风扇）会产生噪音和振动，对用户舒适度和操作环境产生不利影响[5]、[6]。对于间歇性使用的电子设备[3]、可移动应用[11]以及紧凑或空间受限的系统[12]，被动冷却技术具有显著优势，因为它们不消耗能量、运行安静且几乎不需要维护[13]。虽然它们的散热能力不如主动冷却解决方案，但被动冷却方法因其成本效益高、节能且免维护而更受欢迎[14]。为了在热性能和能源使用之间达到最佳平衡，越来越多地采用了混合冷却技术。这些技术包括结合被动和主动冷却技术，其中在低热负载时使用被动冷却来最小化能源使用，而在需要控制温度峰值或高峰负载时使用主动冷却组件[15]。对于混合冷却系统，具有较高潜热值的PCM在延长使用时间和防止温度变化方面很有益[16]。PCM作为温度调节材料，通过在熔化和冻结过程中吸收和释放热量来发挥作用[8]。PCM主要分为三类：有机材料（如石蜡）、无机材料（如盐类水合物）和共晶材料[17]。这些材料各有优势，可能包括熔点、高存储容量和热稳定性。然而，它们的应用有时受到诸如热导率低和材料分离可能性等缺点的限制[18]。除了优化PCM本身外，添加高导热性的结构材料也成为一种有前景的方法，不仅可以提高热扩散性，还可以提高整个系统的机械强度。Mao等人[19]实验研究了部分嵌入铜泡沫对PCM核心温度分布的影响。结果表明，随着填充比的增加，PCM内的最大温差减小，当铜泡沫的孔密度为20 PPI（每英寸孔数）时达到最小值。此外，将铜泡沫放置在靠近热源的位置可以提供最有效的温度均匀性和热管理性能。Luo等人[20]研究了一种组合分形鳍片（不同分形级别的分形鳍片）的PCM热交换器，研究表明这显著提高了相变传热的效率。与传统的分形鳍片热交换器相比，组合分形鳍片热交换器中的PCM完全熔化时间减少了68%。Kumar等人[21]研究了一种带有正弦波形状鳍片的旋转三重管潜热热能存储系统。在不同旋转速度下评估了PCM的释放行为。结果显示，提高旋转速度可以增强PCM的释放速率。虽然直鳍设计在静止和低旋转速度下释放更快，但在高旋转速度下，波形鳍片配置的表现优于直鳍设计。此外，铝鳍与PCM的结合不仅解决了PCM的热导率低的问题，还通过扩大传热面积有助于散热。实际上，这一过程可以显著提高热惯性，减少热点并提高电子设备的可靠性[22]。另外，添加纳米粒子也能增强PCM的热性能；当使用纳米封装的相变材料（NEPCMs）时，迷你通道散热器可以有效地实现显著的冷却效果。在水/NEPCM混合物中，组合迷你/微通道配置的表面温度比仅用水时降低了10–15°C，这主要是由于纳米胶囊在充电阶段的潜热吸收作用，从而减少了热阻效应[23]。使用发散型迷你通道与NEPCM时获得了更好的结果，相变提供了高效的热缓冲能力。Nusselt数增加，温度均匀性得到改善，热点的出现时间延迟，且伴随的压力降很小。NEPCM颗粒的相变传热效果比纯水提高了82%[24]。已经研究了分散在石蜡中的CuO纳米粒子填充NEPCM的热性能用于电子冷却。研究了不同数量的纳米粒子和热流下的各种散热器配置，例如无鳍、矩形鳍片和圆形鳍片。在13°C的温差下，使用传统PCM时冷却效果最佳；而在方形针鳍设计中，使用NEPCM时冷却效果最佳，温差为15°C[25]。此外，对具有不同数量内部腔体的散热器配置（如1、4、9、16、25和36个腔体）的仿真研究表明，具有25个腔体的散热器的冷却效果比具有1个腔体的散热器高出10°C[26]。表1列出了应用相变材料冷却电子设备的研究工作，以及冷却方法、类型和关键发现。根据早期研究，使用PCM的被动冷却技术被认为是电子设备热管理的成本效益技术。然而，低热导率仍然是PCM的一个根本限制，提高传热效率是研究中最重要的挑战之一。一些研究通过使用纳米粒子促进PCM的熔化或使用不同几何形状的鳍片来增强传热速率来解决这些问题。不幸的是，这两种技术都有严重的缺点。鳍片虽然提高了热传导性，但会在PCM内部占据空间，从而减少了PCM的有效体积，进而降低了其总的热存储容量。大多数研究采用不同的鳍片几何形状来改善PCM域内的热传递，因为PCM的热导率较低。这些鳍片通常位于PCM域内部，通过将热量从加热表面传递到PCM中来增强传导。然而，它们的高度受到PCM层厚度的限制，这限制了可增加的热传递表面积。此外，将鳍片放置在PCM内部会占用部分存储体积，减少了可用的PCM量，从而降低了与无鳍设计相比的总热存储容量。虽然纳米粒子可以加速熔化过程，但其长期稳定性也受到质疑，尤其是在反复热循环过程中的沉降问题。此外，PCM内部存在自然对流，导致充电时温度分层，使得散热器顶部（PCM的液态部分）的温度比底部（PCM的固态部分）高几倍，从而导致散热器内部的热分布非常不均匀。本研究提出了一种新的PCM散热器设计，旨在克服传统PCM冷却系统设计（标准矩形外壳与RT-35）的局限性。这种散热器设计由四个中空的鳍片组成，内部填充了RT 35；这保持了与光滑外壳相同的总PCM体积，同时提高了热传导性。此外，鳍片之间的间距提供了额外的对流路径来散热，并增加了传热表面积。本文重点研究了在不同输入功率下（在4 W和8 W的恒定输入负载以及突然增加的输入负载下）散热器的充放电周期。当前研究的目标如下：•通过比较平滑情况（含有RT-35的矩形外壳）和所提出的带鳍片配置（四个含有RT-35的鳍片）在4 W和8 W下的数值和实验结果，评估数值模型的准确性，包括充电（熔化）和放电（凝固）过程。•在完整的周期（充电和放电过程）中，评估带鳍片散热器设计相对于传统光滑外壳所提供的热增强效果。•分析系统对突然的功率激增的响应，代表电子设备中的快速负载增加，包括在整个周期（充电和放电过程）中的平滑和带鳍片配置。•使用每小时成本（Chours）指标对传统和提出的散热器设计进行经济分析。研究结果突出了集成了PCM的提出设计作为未来电子热管理技术的有效和可持续方法的潜力。

**物理模型**：图1显示了用于测试电子设备冷却能力的实验装置。实验是在两种铝散热器上进行的：一种是表面光滑的传统散热器（标准的矩形外壳与RT-35），另一种是使用了填充有RT-35的四鳍片模块的散热器。两种散热器的基本尺寸均为60 × 60 × 20 mm。为了减少热量向环境的损失，实验系统的两个散热器的所有侧面都进行了处理。

**实验测量**：板式加热器由独立的直流电源供电，可以精确控制施加的电压和电流。通过改变这些电气参数来研究不同的输入功率水平。所有测量不确定性的估计值为：电压±0.05 V，电流±0.01 A，温度测量±0.5°C。为了确保数据的重复性，每个实验进行了三次。

**数值模型**：在本研究中，使用商业CFD工具ANSYS Fluent（2020 R1）创建了一个基于PCM的带鳍片散热器的热性能评估数值模型。采用有限体积法来解决离散的控制方程。该研究采用了三步法进行。首先，对一种装有单个相变材料（RT-35）的4鳍散热器进行了参数化研究，同时改变了鳍的宽度和长度，但保持其他参数不变。

**结果与讨论**
实验和数值分析的结果被分为三个主要部分。第一部分全面分析了两种设计的实验和仿真结果：一种是标准的光滑外壳结构（基线情况），内部填充RT-35；另一种是新的散热器设计，具有四个鳍并且也填充了RT-35。分析涵盖了功率输入为4瓦和8瓦（电子设备恒定负载）的充放电循环。通过这一评估，...

**结论**
本文介绍了一种新型的4鳍散热器，该散热器使用了RT-35相变材料，被认为是实现电子产品高效冷却的有效解决方案。在新的设计中，鳍的高度和宽度经过精心设计，以确保保留与传统光滑填充布局相同的相变材料量。所开发的数值模型经过严格验证，与现有实验结果以及已发表的文献结果高度吻合，显示出较高的准确性。对比测试证明，采用这种散热器的系统在性能上具有显著优势。

**CRediT作者贡献声明**
Ahmed Saad Soliman：负责撰写、审稿与编辑、原始稿件撰写、模型验证以及方法论和正式分析。
Ping Cheng：负责撰写、审稿与编辑、原始稿件撰写以及项目监督和软件开发。

**利益冲突声明**
作者声明：他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究结果的个人关系。

Ahmed Saad Soliman | Ping Cheng
上海大学环境与化学工程学院，中国上海200444