引言

  为了有效地防止热引起的失效，电源设备内产生的热量必须通过适当的冷却技术转移到环境中，例如传统的空气冷却、冲击射流及带有单相冷却剂的热交换器等。将相变材料(PCM)应用于控制器的冷却是一种有效的解决方案，它既考虑了器件的寿命、性能和安全性，又兼顾了质量、体积、功耗、噪声等。因此，基于PCM的冷却系统通常用于军事装备、电力电子设备、电池热管理、计算和通信设备等。

  尽管PCM具有许多优点，但大多数PCM都存在导热系数低的问题。为了克服这一缺点，相关研究中提出了各种技术手段，包括使用翅片、石墨/金属泡沫基质和高导电性纳米颗粒等。在这些技术手段中，使用翅片是最常见的，许多研究致力于改善翅片式PCM散热器的热性能，包括功率负载条件、功率水平、几何参数以及PCM类型和数量的影响。Nayak等提出了一种通用的数学公式和数值模型来评估PCM基散热器的热性能，并在不同功率水平下进行了仿真。分析表明，与基体翅片和板式翅片相比，板式翅片布置使系统的热点温度保持较低，温度分布更加均匀。Akhilesh等数值评估了带板式散热片的复合PCM基散热器的热性能，他们提出了热沉临界尺寸与相变材料数量的经验关系式。Kandasamy等在恒定功率水平下，对基于PCM的板式翅片散热器的各种设计进行了实验和数值研究，研究结果显示PCM的加入增强了散热器的热性能。Wang等运用数值研究方法评估了倾斜角度、PCM体积分数和PCM类型对循环和恒定热负荷下翅片散热器冷却性能的影响。结果表明，在散热片空腔中加入相变材料可以显著改善系统的冷却性能，而倾斜角度对系统的冷却性能影响不大。Adeel等在稳定热密度下对移动电子设备的圆针翅片散热器进行了参数分析，探讨了PCM体积分数、热密度、圆针直径等对运行时间、比热容和热导率的影响，结果表明直径3 mm的圆针散热器具有最佳的热性能。Hosseinizadeh等对PCM热敏水槽在热管理方面的应用进行了实验和数值研究。对有和没有相变材料的散热器进行了比较，研究了功率水平、翅片数、翅片高度和翅片厚度等各种参数对散热效果的影响，结果表明，翅片数和翅片高度的增加导致整体热性能明显提高，自由对流在促进PCM熔化方面发挥了更为关键的作用。Rohit等通过实验研究了便携式电子设备冷却过程中各种基于相变材料的散热器的热性能。结果表明基于金属泡沫和PCM的散热器更有利于提高输入热通量值，且三翅片散热器能提供更高的热导率。Janwade等研究了含有PCM、翅片和铜颗粒的不同散热片基体。对比热容和热导率的分析表明，用铜颗粒填充翅片相变材料的热沉具有最大的比热容和热导率。

  前述文献在PCM基散热器热管理方面的研究主要体现在翅片数量、添加发泡材料和金属颗粒、功率水平、翅片高度与厚度等方面。本文在恒定热负荷条件下，针对散热器热性能受翅片数量、翅片倾角以及PCM等因素的影响，对散热器传热特性进行了进一步的实验研究，分析了不同翅片数、翅片倾斜角度及PCM的添加对散热器传热过程中温度变化率、温度分布、固液界面变化以及工作时间等方面的影响。

1.实验系统

  实验系统主要由实验段、可调节倾斜机构、直流电源、数据采集系统和可视化系统组成，如图1所示。

图1 实验系统组成与装置

  实验段为矩形外壳，内腔尺寸为48mm×34mm×100 mm。散热器外壳的左侧壁由1.5 mm厚的铝(Al-6082)制成，其他壁由10 mm厚的聚碳酸酯透明材料制成，以便观察外壳内部的相变。散热器采用铝板电火花加工技术制造，以保证翅片与底板之间无热接触电阻，每个翅片的尺寸为12mm×100mmh1～T₁₁～T

_{图3 热电偶布置图}

  所有热电偶在10～100 ℃进行校准，其测量值误差在±0.2 ℃范围内，符合测量要求。数据采集系统连接到计算机，以10 s间隔记录温度，薄膜加热器由16 W直流电源装置提供。实验段各连接接触面使用尼龙螺钉和低导电液体密封，以最大限度地减少壁和散热器之间的导热传热，并防止液态PCM从外壳泄漏。为了进一步减少对环境的热损失，外壳外部用30 mm厚度的聚苯乙烯泡沫板进行隔热。