相变材料与热管耦合的电子器件热管理研究进展

doi:10.11949/0438-1157.20230069

摘要/Abstract

摘要：

电子器件的小型化带来了高热通量和温度分布不均的问题，热管与相变材料（PCM）耦合将热管的高热导率与PCM的高潜热结合，更好地控制热管蒸发段温度，保证电子器件内部温度场稳定均匀，有效提高电子器件的散热能力，降低冷却系统的能耗。综述了热管与PCM耦合的电子器件热管理的研究进展，介绍了热管与PCM的耦合方式以及强化PCM与热管耦合传热的方法，提出了该耦合模块存在的问题以及可能的解决途径。

关键词: 热管, 相变材料, 电子冷却, 节能, 储能

Abstract:

The miniaturization of electronic devices creates problems of high heat flux and uneven temperature distribution. The coupling of heat pipe and phase change material (PCM) combines the high thermal conductivity of heat pipe with the high latent heat of PCM, so as to better control the temperature in the evaporation section of heat pipe, ensure the stability and uniformity of the internal temperature field of electronic devices, effectively improve the heat dissipation capacity of electronic devices, and reduce the energy consumption of cooling system. In this paper, the research progress of thermal management of electronic devices coupled with heat pipe and PCM is reviewed, the coupling mode of heat pipe and PCM and the coupling heat transfer method of PCM and heat pipe are introduced, and the existing problems and possible solutions of the coupling module are put forward.

Key words: heat pipes, phase change material, electronic cooling, energy saving, energy storage

中图分类号:

TK 124

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Yanpeng WU, Qianlong LIU, Dongmin TIAN, Fengjun CHEN. A review of coupling PCM modules with heat pipes for electronic thermal management[J]. CIESC Journal, 2023, 74(S1): 25-31.

图/表 6

参考文献 57

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文献	研究类型	PCM种类	系统类型	结论或实验结果
[7]	实验	二十三烷	与筛网芯热管耦合	PCM提供了更高的稳定温度，并为加热和冷却循环提供了更多时间
[8]	实验	石蜡	与振荡热管耦合	基于PCM/振荡热管的电池冷却模块提供了更高的冷却效率；振荡热管的启动温度必须低于PCM中相变的温度
[9]	实验	石蜡	与不同传热装置耦合	与使用翅片的系统相比，热管的使用将PCM的凝固率提高了两倍
[10]	实验	硝酸钠	与不同传热装置耦合	热管由于非常小的热阻和在整个热管长度上保持均匀温度的能力而提供了最高的熔化率
[11]	实验	石蜡	与三维脉动热管耦合	石蜡/四层三维脉动热管耦合系统的完全凝固时间约为纯石蜡完全凝固时间的29%
[12]	实验	不同填充率的石蜡	与普通热管耦合	蒸发与冷凝温差随石蜡充填速率的增加而减小
[13]	实验	二十三烷、月桂酸和棕榈酸	与普通热管耦合	基于热管/二十三烷的冷却系统在更大程度上降低了风扇功耗 (几乎46%)
[14]	实验	癸酸、月桂酸和硬脂酸	与铜水热管耦合	在被动散热下蒸发段降温幅度可达22%；在有风机散热的情况下，降温幅度可达7.9%
[15]	实验	癸酸基纳米嵌入式PCM	与T型铜热管耦合	加热器表面的温度降低了3℃
[16]	实验	石蜡	与三维振荡热管耦合	系统具有较低的壁温和石蜡温度
[17]	实验	八水氢氧化钡	与脉动热管耦合	相变材料加热温度为120℃，加热流量为0.58 m³/h，充液率为0.3时，装置蓄热效果最佳
[18]	实验	石蜡	与三维脉动热管耦合	耦合模块的热阻随送风温度的升高而增大，随送风速度的增大而减小
[19]	实验	二十烷	与平板热管耦合	提高电池组均温性，降低电池组最高温度
[20]	实验	石蜡	与重力驱动型热管耦合	传热率随入口温度和热流体流量的增加而增加
[21]	实验	石蜡微胶囊垫片	与铜水热管耦合	在较厚的相变材料中加入热管时，热管以直接接触的方式接触电池表面，降低温差效果较好
[22]	实验	膨胀石墨/石蜡	与振荡热管耦合	相对于EG/石蜡复合材料，石蜡从相同的起始温度释放热量到环境温度需要大约两倍的时间
[23]	实验	石蜡	与三维振荡热管耦合	电子器件表面温度可以很好地控制在100℃以下，比常规风冷低约35℃，热阻降低高达36.3%
[24]	实验	月桂酸	与平板热管耦合	平均热阻从0.084 K/W减小至0.071 K/W；随着倾角的增加，平板热管的有效热导率先减小后增大
[25]	实验	月桂酸	与平板热管耦合	平板热管大大提高了空气与PCM之间的传热速率
[26]	数值模拟	月桂酸	与平板热管耦合	增加翅片高度可以有效增加储热器的储热容量，平板热管的存在减少了相变过程中的热损失
[27]	数值模拟	RT42	与垂直和水平热管耦合	通过提供额外的蓄热来提高11.7%的散热效果

文献	研究类型	PCM种类	系统类型	结论或实验结果
[7]	实验	二十三烷	与筛网芯热管耦合	PCM提供了更高的稳定温度，并为加热和冷却循环提供了更多时间
[8]	实验	石蜡	与振荡热管耦合	基于PCM/振荡热管的电池冷却模块提供了更高的冷却效率；振荡热管的启动温度必须低于PCM中相变的温度
[9]	实验	石蜡	与不同传热装置耦合	与使用翅片的系统相比，热管的使用将PCM的凝固率提高了两倍
[10]	实验	硝酸钠	与不同传热装置耦合	热管由于非常小的热阻和在整个热管长度上保持均匀温度的能力而提供了最高的熔化率
[11]	实验	石蜡	与三维脉动热管耦合	石蜡/四层三维脉动热管耦合系统的完全凝固时间约为纯石蜡完全凝固时间的29%
[12]	实验	不同填充率的石蜡	与普通热管耦合	蒸发与冷凝温差随石蜡充填速率的增加而减小
[13]	实验	二十三烷、月桂酸和棕榈酸	与普通热管耦合	基于热管/二十三烷的冷却系统在更大程度上降低了风扇功耗 (几乎46%)
[14]	实验	癸酸、月桂酸和硬脂酸	与铜水热管耦合	在被动散热下蒸发段降温幅度可达22%；在有风机散热的情况下，降温幅度可达7.9%
[15]	实验	癸酸基纳米嵌入式PCM	与T型铜热管耦合	加热器表面的温度降低了3℃
[16]	实验	石蜡	与三维振荡热管耦合	系统具有较低的壁温和石蜡温度
[17]	实验	八水氢氧化钡	与脉动热管耦合	相变材料加热温度为120℃，加热流量为0.58 m³/h，充液率为0.3时，装置蓄热效果最佳
[18]	实验	石蜡	与三维脉动热管耦合	耦合模块的热阻随送风温度的升高而增大，随送风速度的增大而减小
[19]	实验	二十烷	与平板热管耦合	提高电池组均温性，降低电池组最高温度
[20]	实验	石蜡	与重力驱动型热管耦合	传热率随入口温度和热流体流量的增加而增加
[21]	实验	石蜡微胶囊垫片	与铜水热管耦合	在较厚的相变材料中加入热管时，热管以直接接触的方式接触电池表面，降低温差效果较好
[22]	实验	膨胀石墨/石蜡	与振荡热管耦合	相对于EG/石蜡复合材料，石蜡从相同的起始温度释放热量到环境温度需要大约两倍的时间
[23]	实验	石蜡	与三维振荡热管耦合	电子器件表面温度可以很好地控制在100℃以下，比常规风冷低约35℃，热阻降低高达36.3%
[24]	实验	月桂酸	与平板热管耦合	平均热阻从0.084 K/W减小至0.071 K/W；随着倾角的增加，平板热管的有效热导率先减小后增大
[25]	实验	月桂酸	与平板热管耦合	平板热管大大提高了空气与PCM之间的传热速率
[26]	数值模拟	月桂酸	与平板热管耦合	增加翅片高度可以有效增加储热器的储热容量，平板热管的存在减少了相变过程中的热损失
[27]	数值模拟	RT42	与垂直和水平热管耦合	通过提供额外的蓄热来提高11.7%的散热效果

纳米粒子	相变材料	添加比例	效果	文献
Fe₃O₄	石蜡	10％，20％	0.25~0.37/0.40	[32]
石墨	石蜡	10％	0.1264~0.9362	[36]
纳米石墨板	豆蔻酸	0.5％，1％，2％	热导率提高了8%，18%，38%	[36]
碳纳米管	硬脂酸	5％	放热率提高91%	[36]
铜	石蜡	1％	融化时间缩短13.1％	[37]
铜，锌	石蜡	1.5％	热导率提高了20.6%，61.5%	[38]
Si₃N₄	石蜡	10％	热导率提高了35%	[39]
石墨烯	月桂酸	1％	热导率提高了23%	[40]
碳纳米角钢	月桂酸	2％	热导率提高了37%(固态)，11%(液态)	[41]
氧化铜	油脂酸	0.5％，1％，1.5％，2％	凝固时间分别减少了7.14%，14.28%，25%，28.57%	[42]
碳纳米管	棕榈酸/硬脂酸	5％，6％，7％，8％	热导率分别提高了20.2%，26.2%，29.7%	[43]

纳米粒子	相变材料	添加比例	效果	文献
Fe₃O₄	石蜡	10％，20％	0.25~0.37/0.40	[32]
石墨	石蜡	10％	0.1264~0.9362	[36]
纳米石墨板	豆蔻酸	0.5％，1％，2％	热导率提高了8%，18%，38%	[36]
碳纳米管	硬脂酸	5％	放热率提高91%	[36]
铜	石蜡	1％	融化时间缩短13.1％	[37]
铜，锌	石蜡	1.5％	热导率提高了20.6%，61.5%	[38]
Si₃N₄	石蜡	10％	热导率提高了35%	[39]
石墨烯	月桂酸	1％	热导率提高了23%	[40]
碳纳米角钢	月桂酸	2％	热导率提高了37%(固态)，11%(液态)	[41]
氧化铜	油脂酸	0.5％，1％，1.5％，2％	凝固时间分别减少了7.14%，14.28%，25%，28.57%	[42]
碳纳米管	棕榈酸/硬脂酸	5％，6％，7％，8％	热导率分别提高了20.2%，26.2%，29.7%	[43]

文献	PCM	纳米粒子	热管类型	实验结果
[50]	二十三烷	纳米Al₂O₃	铜水热管	1%（体积分数） Al₂O₃传热效果最佳，蒸发段温度最高可降低25.75%，可节约风机能耗53%
[51]	石蜡	泡沫铜	热管型散热器	孔隙率为75%的泡沫铜混合相变材料的最大热导率为26.78 W/(m·K)
[52]	石蜡	泡沫铜	重力辅助型热管	在2、2.5和3 kW/m²的热通量下，使用风扇的混合冷却的最大温度降低分别为47%、51%和54%
[53]	石蜡	泡沫铜	平板热管	泡沫铜将传热系数提高了33倍，但将等效潜热降低了30%。冷却效率随泡沫铜孔隙率的增加先增大后降低。最大冷却效率的最佳孔隙率估计在40%~50%之间
[54]	石蜡	碳纳米管	铜水热管	热管冷却模块的热性能随着碳纳米管颗粒浓度的增加而增加，当浓度超过2%(质量分数)时，性能下降
[55]	石蜡	纳米石墨烯	铝合金制热管蓄热器	添加2%(质量分数)纳米石墨烯可使石蜡的热导率提高21.6%，相变潜热降低10.5%
[56]	KNO₃	泡沫铜	翅片-热管	热管-翅片-泡沫铜增强传热效果最好，PCM的完整循环时间缩短了93.34%