纳米强化相变材料应用于储能式电子器件散热系统的数值模拟研究

摘要

随着电子器件集成度的提高，其工作过程中所产生的热流密度也越来越大。高效的热管理系统的研发也已成为现代电子器件发展的瓶颈之一。储能式热管理系统是一种有效的被动式热管理方法。利用相变材料在熔化过程中会吸收潜热的原理，可以将目标电子器件所产生的热量有效地吸收和移除。熔化过程中相变材料的温度几乎保持在熔点不变，为目标电子器件提供了额外的过热保护。显然，储能式电子器件散热器的性能取决于相变材料的热物理性质。常见的相变材料(如石蜡)虽然具有理想的比热容和相变潜热，但是其导热能力较低，极大地限制了储能式热管理系统的效率。
　　对相变材料进行导热系数强化是相交储能研究中的热点问题，常见的解决方案是在相交材料中分散加入高导热的填料(如金属翅片，泡沫金属和碳纤维等)从而形成具有较高表观导热系数的复合相变材料。随着纳米材料技术的发展，人们开始尝试使用超微细尺度的填料(如碳纳米管和金属纳米颗粒)以取得更佳的导热系数强化效果和分散性。这一类新型的复合相变材料称为纳米强化相变材料。众多实验研究的结果表明，加入纳米尺度的填料以后，相变材料的表观导热系数可以得到可观的提升，然而其储能能力(即表观比热容和相变潜热)会有一定程度的下降。考虑到填料的成本的和复合材料的稳定性，纳米填料加载量的优化选取是实际应用中需解决的关键问题。
　　本研究利用数值模拟手段，对纳米填料的加载量进行参数研究以全面评估纳米强化相变材料在电子器件热管理系统上的实用性和在不同工况下的应用潜力。在数值模拟研究中，纳米强化相变材料被看成是具有均匀表观热物性的“自定义”相变材料，即纳米填料的存在及其加载量的大小仅体现在复合相变材料表观热物性的变化上。纳米强化相变材料的表观热物性(包括密度、导热系数、液态粘度、比热和相变潜热等)通过有效介质理论和现有的拟合经验公式或模型进行预测。数值模拟研究均在基于有限容积法的商业计算流体力学软件环境中进行，并利用软件内建的焓-多孔介质模型模拟固液相变传热过程。
　　本研究选取某翅片型储能式电子器件散热器作为研究对象，对该散热器工作过程的抽象模型--底部加热矩形腔内纳米强化相变材料的熔化过程进行了数值模拟研究。计算中以正二十烷为相变材料，碳纳米管为填料，考虑了3种不同格拉晓夫数的影响。计算结果显示，相变材料中存在的纳米填料导致了两方面矛盾的结果：它一方面因提高了相变材料的导热系数而加速其熔化过程；另一方面，由于液态粘度的提升，也抑制了自然对流传热，从而减慢了熔化过程。在较大的容器空间内，由于导热系数强化所产生的熔化加速效果会被减弱的自然对流效应所削弱。对于较小容器空间而言，因为自然对流效应本身较弱，则可以忽略该负面影响。这两个相互矛盾的效果由表观输运性质决定，即取决于增强的表观导热系数和粘度的相对影响程度大小。
　　由于研究所选取的散热器模型尺寸较小，在数值模拟研究中忽略其熔化过程中的自然对流效应，仅求解固液相变的热传导方程。首先利用二维的简化物理模型对该散热器的工作性能进行了研究，散热器所用的相变材料和纳米填料假定为石蜡和铜纳米颗粒。计算结果显示，引入高导热的纳米颗粒能使相变散热器的性能得到进一步的提升。在加热周期结束时，加热面上的最大温升随着纳米颗粒的引入得到了极大的缓和。在石蜡中加入体积分数为0.1的铜纳米颗粒可以使最大温升降低约9％。在研究的范围内，散热器的性能改善程度与加入的纳米颗粒体积分数呈线性相关。尽管纳米颗粒的引入降低了的相变材料的储能能力，但由于热量可以通过导热强化的相变材料更快地散发，其熔化过程得以延长，从而为目标电子器件提供更长时间的过热保护。碳基纳米填料(如碳纳米管)有极高的导热系数，而且比金属纳米颗粒的密度更小，因此它们将是作为纳米填料的更佳选择。
　　由于二维模型的过度简化，可能导致计算模型与物理模型间较大的偏差，因此本研究还对同一散热器模型进行了三维数值模拟研究。并根据以上结论，假定正二十烷和碳纳米管为相变材料和纳米填料，对散热器在周期性和脉冲式两种工作条件下的性能随纳米填料加载量的变化分别进行了对比分析。计算结果显示，相变散热器性能的增强程度与纳米填料的加载量成对数相关。纳米强化相变材料尤其适用于在脉冲式热负荷下工作的电子器件的热管理。在周期性热负荷下，即便在最大加载量下，由纳米填料所带来的散热器性能改善还不到1％。然而，在脉冲式热负荷下，10％的填料的引入使得散热器被加热底面温升降低了8℃，热阻则降低了14％。
　　尽管在本文所研究的加载量范围内，散热器的性能随着更多填料的加入逐步提升，但进一步提高加载量并不见得有益。显然，如果填料的加载量太高，不仅将提升成本、降低复合材料的稳定性，还将过度削弱储能能力，从而限制相变散热器的性能。未来研究的重点在于通过实验数据对纳米强化相变材料表观热物性(尤其是导热系数和粘度)的预测模型进行修正，并验证本文所得到的计算结果。