1绪论
1.1课题研究的背景和意义
用冰储冷，古已有之。古人虽然不知道结冰的原理，却能为我所用。在北方寒冷的地区，湖面的水都结成了厚厚的冰块，人们将这些硕大的冰块凿砗，储存在隔热的房子中，并利用锅末来隔热，冰块一直可以存放到第二年夏天。这里蕴含着能量的储存及利用。能量储存的方式包括电磁能、机械能、热能和化学能储存等。热能储存是能源科学技术中的重要分支，热能储存又包括显热式、潜热式和化学能转换式三大类。化学能转换式虽具有储热密度大等独特优点，但较复杂，目前仅在太阳能研究领域受到重视。显热储存是利用材料固有的热容来进行的，虽然技术上难点不多，储热装置的运行和管理也较方便，但储热密度低；潜热储存，是利用相变材料在物态变化（固-固，固-液或气-液）过程中，吸收或者释放大量的潜热而储存能量的，与显热式储热相比，储热密度髙，而且吸、放热过程近似等温，易与运行系统匹配，这也正是潜热储热的优点所在。在能量利用和转换的过程中，经常存在供求之间在空间上和时间上的不匹配矛盾，例如电力负荷中的峰谷差，风能、太阳能和海洋能的间隙性，以及工业容炉的间断运行等。储能技术可以解决能量供求在空间和时间上的不匹配矛盾，因此是提高能源利用效率的有效手段。我国的电力负荷峰谷明显，全国总的电负荷谷峰比为0.5-0.6,谷电有余，而峰电不够用，造成了能源的极大浪费。因此，我国电力部门提出要从用电高峰时间向低谷时间或季节转移1000-1200万kW电力负荷，而相变储能技术在解决电力系统中负荷的谷峰差，充分发挥发电设备的潜力上起着十分重要的作用⑴。建立大型抽水蓄能电站是举措之一，但是近年来，我国民间和工业用电大幅度上升，而在热水、采暖、空调、工业干燥及电热电器上，利用储能技术能加快传统工业和民用电气产品的改造，因此，要积极开发利用储能锅炉和电热电器等相关设备，建立灵活机动的中小型储能热电站，并积极有效地利用谷期电力。在全国已经全面实行分时计度电价政策时，相变储能技术便成为工业和民用的热点。
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1.2相变储能式热管理的应用
电池的充放电过程都会伴随着吸热和放热，而对大多数的电池来讲，其使用的最佳温度为10-50 °C，在此温度范围内达到寿命和性能的最佳平衡。当电池用于动力场合时，其放电电流很大，很小的电池通过内部的阻抗就可能放出很大的热量。温度将影响电池的如下性能：①充放电效率；②电池的寿命和循环成本；③电化学系统的运行；④容量和功率；⑤电池可充性；⑥电池的可靠性和安全性。张国庆，张海燕分析了动力型电池组在运行中的热问题对电动车在各种环境下的服役性能的重要影响。在简单归纳采用风冷、液冷方式的热管理系统的优缺点的前提下，着重总结了采用相变材料(PCM)的热管理系统原理、设计所需电池和PCM的主要参数，以及该研究领域进展和效果评价。相变储能材料在电池热管理系统中能降低整个系统的体积、减少运动部件、不需要二外耗费电池的能量，石蜡/高导热性固体构成的PCM被动散热既具有较髙的相变潜热，又具有良好的导热系数，将其用于电池组热管理系统的设计，可有效吸收电池在充放电过程中释放的热量，拉平电池模块不同位置间的温度差，以保证电池在正常的温度范围内工作。
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2相变储能式散热器实验台的设计和调试
2.1实验台的设计与搭建
实验装置示意图和实物图如图2-1所示。实验系统主要由云母加热片、散热器及风扇、直流电源、数据采集仪和电脑，以及运行系统和温度测量系统组成。为减小震动对溶化和凝固的影响，实验在光学隔振平台（WNOIVD 600x600x800)上进行。本实验通过直流电源调整电流及电压大小来模拟芯片的发热功率。实验过程中，利用Agilent34970A数据采集仪及其配套操作系统将热电偶测量得到的电势值转换成实际温度值，并自动记录到计算机上。本文设计并加工出一套加热单元，类似于个人电脑的CPU。如图2-2所示，该加热单元的核心部件是一个圆形的云母电加热片（Minco HM6807, USA),其直径为38.1 mm,电阻为2.0 n。云母加热片的顶部与一块相同大小的圆铜片相贴，底部与一块相同大小的绝热塾片（Minco,厚度为3.2mm)相贴，该绝热塾片的导热系数约为0.08 W/mK。将这三个部件通过中间预留的螺丝孔连接在一起，类似于三明治的结构，这一部分安装在Teflon底座（其导热系数约为0.25 W/mK)中间，如图所示，这样，云母加热片的四周和底部均为绝热保温材料，保证了云母加热片产生的大部分热量能沿着垂直向上的方向一维传递。一片长度为40mm，厚度为5mm的方形铜片安装在圆铜片上，作为散热片。
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2.2热电偶的标定
本文的温度由热电偶测定，因为热电偶具有装配件单，更换方便，测量精度高，热响应时间快等特点。热电偶的使用原理如下：热电偶温度计由热电偶和电测仪表（二次仪表）组成。两种不同的金属导线A、B与显示仪表组成的闭合回路如图2-5 (a)所示，当接点温度不同时，回路中产生电势，对于给定的材料A和B，热电势的大小与温度t与to之差有关，t端叫工作端，放于被测介质中用以测量介质温度，端叫冷端或补偿端，放于冰水混合物的恒定温度中，如图2-5所示。表示热电势与温度关系的数据表称热电偶分度表（如铜——康铜热电偶分度表）。热电偶在使用前均要进行标定,本文选用K型热电偶，其测量温度的范围为0-1300 °C,K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，使用广泛，其用量为其他所有热电偶的总和。
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3相变储能式散热器与传统散热器的性能比较......... 24
3.1实验设计......... 24
3.2相变储能式散热器和传统散热器的性能比较......... 25
3.3相变储能式散热器的性能优化......... 27
3.4本章小结 .........29
4相变材料的熔化温度对散热器性能的影响......... 30
4.1实验设计 .........30
4.2 一种典型工况下散热器运行过程的温度变化......... 32
4.3相变材料的熔化温度的影响......... 33
4.4翅片的影响.........36
4.5熔化温度和翅片的共同影......... 41
4.6本章小结......... 42
5倾斜角度对散热器性能的影响......... 43
5.1实验设计......... 43
5.2结果分析......... 46
5.3本章小结......... 51
6碳纳米管复合相变材料的储能式电子器件散热器性能
6.1复合材料的制备
复合相变材料的制备方法分为两种：“单步法”和“两步法”。单步法是指在制备纳米颗粒的同时，将纳米颗粒分散到基液中，使纳米颗粒和复合相变材料的制备同时完成，而省去了纳米颗粒的收集和存放环节。单步法制备的复合相变材料具有颗粒纯度高、纳米颗粒平均粒径小、纳米颗粒分散性较好、悬浮稳定性较高的优点，但由于单次制备量少，不大适合实际应用中批量制备的需要。两步法制备复合相变材料的方法程序相对简单方便，几乎适用于所有种类复合相变材料的制备。其流程为首先将一定比例的纳米颗粒添加到基液中，形成一种纳米颗粒悬浮液，然后根据基液的种类和理化属性（极性或非极性），添加相应的表面分散剂并辅以超声振荡，从而获得悬浮稳定的复合相变材料。两步法中采用超声振荡的主要作用是破坏团聚体中的小颗粒之间的相互吸引作用，从而促进颗粒团破碎分散；在纳米颗粒悬浮液中加入分散剂的目的是使其吸附于颗粒表面并形成一薄壳层。该薄壳层改变了颗粒表面原有的理化性质，从而改变了颗粒与液体、颗粒与颗粒之间的相互作用，既使颗粒与周围基液分子具有良好的亲和作用，又使颗粒之间产生较强的排斥力，从而实现了纳米悬浮液良好的分散效果。
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结论
本文首先搭建了相变储能式散热器实验台，针对影响相变储能式散热器性能的因素，在较高热流密度条件下，从相变材料的热物性、散热器的倾斜角度以及翅片等因素入手进行了系统的实验研究，得出以下结论：用月桂酸（熔点为43°C)作为加载的相变材料，比较了散热器在加载月桂酸和不加载（即传统散热器）情况下的性能。在瞬态（加热时间为ll~30min)热流密度为5.3?10.3W/cm2的加热条件下，比较了相变储能式散热器与传统散热器的性能，结果表明采用相变储能式散热器可以将冷却目标的温度降低约40 °C (从140 °C到100°C)，而且相变储能式散热器的平均等效热阻（0.73 °C/W)比传统散热器降低34.2% (100W时），体现了明显的优势。尽管本文的结果是在固定的加热功率和储能容量下得到的，但是其结论具有一定的普遍意义。在实际应用中，应根据热源的发热功率和时间选择合适的储能容量。
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参考文献（略）