基于低熔点合金的相变储能式散热器瞬态性能实验研究

摘要

为了评估低熔点合金在相变储能式热管理技术中的应用潜力，本文通过实验方法研究了采用低熔点合金作为相变材料的储热式散热器在短时大热流密度工况下的瞬态性能。
　　首先，选取某种铅锡铟合金（熔点约为60°C）作为研究对象，通过差示扫描量热法、瞬态平面热源法、阿基米德排水法等测试方法，根据GB/T1425-1996、ASTM E1269-2011、GB/T3850-1983等材料物性测试标准，对合金的相变焓、相变温度、比热、导热系数、密度、单位体积储热密度等关键物性进行较为全面的测试，并将结果与熔点相近的有机相变材料十八醇进行比较。结果发现，该种铅锡铟合金在固态下的导热系数约为7.1 W/(m·K)，相比于十八醇提升了26倍；单位体积储热密度为2.17×105 kJ/m3，相比于十八醇提升了2％。表明该种铅锡铟合金同时具备了良好的导热和储热能力，将该铅锡铟合金应用于电子器件的热管理系统之中有较大优势。
　　接着，设计并搭建相变储能式散热器的瞬态性能实验平台，选用该种铅锡铟合金作为加载的相变材料，研究散热器在热流密度为28.76、56.12、83.64、105.32、136.99 W/cm2的持续性加热条件下的瞬态性能，并与不加载任何相变材料的散热器性能相比较。结果表明，基于铅锡铟合金的相变储能式散热器对冷却目标的保护时间分别为512 s、140.5 s、70 s、47 s和36.5 s。当热流密度为28.76 W/cm2时，铅锡铟合金散热器对冷却目标的有效保护时间比不采用相变材料的散热器延长129.6%，当热流密度为136.99 W/cm2时，该值减为14%。随着热流密度的增加，铅锡铟合金对散热器性能的提升效果逐渐减弱。
　　最后，将铅锡铟合金相变储能式散热器与十八醇相变储能式散热器性能相比较，并对冷却目标温度变化和相变材料内部温度变化进行分析研究。结果表明，当热流密度为28.76 W/cm2时，铅锡铟合金散热器对冷却目标的有效保护时间比采用十八醇延长78.4%。基于十八醇的相变储能式散热器在56.12 W/cm2的热流密度下已经失效。而基于铅锡铟合金的相变储能式散热器在136.99 W/cm2的热流密度下才发生失效。相对于十八醇相变储能式散热器，铅锡铟合金相变储能式散热器能够抵抗更长时间和更大热流密度的热冲击，能够在更高的短时发热功率和更大的热流密度下正常工作。

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目录

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2相变储能材料及性质

1.3相变储能式散热器及优化

1.4低熔点金属及合金的相关研究

1.5课题的研究内容

2相变材料的选择及物性测试

2.1相变材料的选择

2.2相变材料的熔化温度、熔化潜热测试

2.3比热测试

2.4导热系数测试

2.5密度测试

2.6单位体积储热量计算

2.7物性测试中的仪器参数及误差

2.8本章小结

3相变储能式散热器实验台的设计和调试

3.1实验台的设计与搭建

3.2实验内容与实验工况设计

3.3本章小结

4持续性加热条件下散热器的瞬态性能

4.1加载铅锡铟合金的相变储热式散热器的瞬态性能

4.2加载与未加载铅锡铟合金的散热器的性能比较

4.3与加载十八醇的储能式散热器的性能比较

4.4本章小结

5结论及展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果