相变储热材料

相变储热材料，是一种能够把过程余热、废热及太阳能吸收并储存起来，在需要时再把它释放出来的一种储热材料。具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。

简介

以固-液相变为例，在加热到熔化温度时，相变储热材料吸收并储存大量的潜热，冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。

在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，但吸收或释放的潜热却相当大。

对相变储热材料的开发研究，主要用来存储太阳能、工业反应中的余热和废热。相变储热在建筑节能中也获得了一定的应用。

相变储热材料都会存在过冷现象

相变蓄热PCM散热器简介

除蓄热散热器外，术语散热器用词不当。用于电子冷却的标准散热器实际上是热交换器，从电子设备中获取热量，并将其传递到流体中，无论是空气还是冷却剂。相变材料（PCM）散热器是唯一实际充当（临时）散热器的散热器。它们正在热管理领域出现，以解决无法使用主动解决方案的系统中的热问题。当没有地方散发电气元件产生的热量时，PCM散热器能够吸收产生的废热[1] .

图1.PCM散热器示例显示了增强导电性的翅片。

相变材料（PCM）通过从固体到液体的相变来储存热能。这是一个优势，因为熔化或冻结产生的潜热至少比比热在代表性的10°C温度变化中储存的能量高1-2个数量级。PCM 在电子热管理中的应用包括：

• 脉冲操作期间的温度稳定[2]
• 短期蓄热，没有合适的散热器[3]
• 冷却系统暂时不可用时，防止冷却液中断期间发生故障。

PCM是指任何需要大量能量才能发生相变的材料。在固相和液相之间转换所需的能量称为聚变潜热。具有高熔化潜热的材料可以在相变期间储存大量热量，同时在材料熔点附近保持接近恒定的温度。此属性有利于具有瞬态负载的电子冷却应用。在瞬态运行期间，热能可以在产生热量的同时存储在PCM中，而不会使源的温度显着升高。当热源关闭时，PCM 可以重新冻结，以便准备好在下一个加热周期中吸收能量。只要有足够的PCM来存储所有废热，并且PCM散热器的热阻足够低，可以处理所需的热通量，则该解决方案效果很好。

使用相变材料进行瞬态负载的热优势如图2所示。斜率表示每单位能量吸收的温升。在熔化过程中，储存了大量的能量，温度变化很小。恒定温度在具有人体工程学要求的应用中特别有吸引力，但在多种应用中有利于防止组件在瞬态功率尖峰期间发生故障。

图2.相变材料瞬态行为。“潜热”区域略有倾斜，因为它包括非晶区域的比热。

熔体温度和应用将决定可以使用的PCM类型（表1）。对于大多数电子应用，石蜡和非石蜡有机物是一个不错的选择，因为它们相对便宜且在许多热循环中稳定。对于高温应用，可以使用金属和盐（非水合物）。

表 1.PCM 类型包括石蜡蜡、非石蜡有机物、水合盐、非水合盐和金属。

石蜡和非石蜡有机物是理想的相变材料，因为它们熔化和冷冻一致（即在冷冻前后具有相同的成分），因此可用于需要材料通过多个循环保持稳定性的应用。这些材料的主要缺点是它们的导热系数，通常约为0.2 W / m-K。石蜡是烷烃或饱和烃，是惰性相变材料。除脂肪酸外，非石蜡有机物具有轻度腐蚀性，比石蜡材料更昂贵。

石蜡混合物和纯组分石蜡均可市售购买。石蜡混合物通常便宜得多，并且表现出与纯组分石蜡相似的特性。其性能可以与纯组分石蜡相媲美，但在选择材料时，重要的是要仔细查看潜热值是如何报告的。制造商通常会发布混合物的差示扫描量热数据以及潜热值。如图3所示，差示扫描量热仪曲线（DSC）将揭示潜热值是如何确定的。熔化峰下的面积用于计算熔化潜热。通常，报告的潜热值包括相变区域之外的一些显热存储。这意味着，为了查看报告的全部能量存储量，材料需要暴露在低于熔体温度开始和高于熔体温度结束的温度下。

图3.相变材料的差示扫描量热仪曲线 （DSC） 示例。相变区域表示潜热储能。

盐水合物是一组含有一定数量水分子的无机盐。水合水平在化学式中注明为“水合化合物•nH2O“，其中n是每个盐分子的水分子数。盐可以有几种不同的水合作用水平。例如，氯化钙2有三种不同的水合作用水平，CaCl2 ·2H 2O， 氯化钙2 ·4H2O和氯化钙2 ·6H2O.最低含水量对应于水合盐系列的最高熔点。与用于低温应用的有机PCM相比，水合盐具有以下优点：

• 在质量和体积方面都具有高存储容量，允许轻巧紧凑的热能存储系统，
• 价格便宜，约2美元/千瓦时烫的至 16 美元/千瓦时烫的,
• 相对较高的导热系数，是石蜡的两倍以上，减少了热增强所需的结构。

PCM散热器中很少使用水合盐，因为设计人员必须克服几个问题：过冷、相分离和腐蚀。最近的研究表明，这些问题可以缓解，使水合盐适用于一些专门的电子冷却应用。

过冷：一些相变材料在冷却到其熔化温度后不会立即凝固，因此凝固在远低于熔化温度的温度下开始。这种现象称为过冷或过冷。解决此问题的最常见方法是在PCM系统中分散成核剂。添加的成核剂提供了启动PCM结晶的位点，过冷度低得多，允许使用更温暖的散热器来再生PCM。最有效的试剂是晶体结构类似于PCM的试剂。服用氯化钙2·6H2O 以熔点29°C为例。在没有成核剂的情况下，其过冷度接近20°C。ACT的成核剂SrCl2·6H2O能够最大限度地减少CaCl的过冷2·6H2O 至 2°C 以下。

相分离：当PCM只有一个组分时，它将全等熔化，在其相变前后具有相同的均匀成分。使用共晶系统，液相完全转变为具有相同成分的固相。非共晶混合物，如一些盐水合物，在加热时可以分离成多个相。当氯化钙2·6H2O（熔点29°C）被加热，而不是熔化成液体，形成固体CaCl2.4H2O和稀液相先。随着进一步加热，固体CaCl2.4H2O溶解在稀液相的过量水中，完全转化为液相CaC 2·6H2O.在中间步骤中可以出现不同密度的相。更重的氯化钙2.4H2O下沉，较轻的稀释液体漂浮在顶部。处理这种情况的潜在解决方案包括添加更多水，或通过将其分离成浅层PCM隔间来减少PCM的厚度。第三种解决方案是添加另一种盐氢化物以形成共晶，例如CaCl2·6H2O 和氯化镁2·6H2O.

腐蚀：虽然水合盐通常与塑料、金属容器和金属传热增强剂兼容[4][5]通常需要进行电子冷却。有些盐对某些金属具有很强的腐蚀性。在ACT使用几种水合盐（如CaCl）进行的测试2·6H2O 和氯化钙2·6H2O - 氯化镁2-6H2O） 已确定合适的外壳材料。收集了1年以上的腐蚀寿命试验数据，在等温条件（30°C、50°C和80°C）和循环条件下反复加热和冷却，腐蚀试验均表现出良好的耐腐蚀性，腐蚀速率小于0.5密耳/年。

从-10°C到100°C的相变材料熔化用于各种商业和军事应用中的热管理，例如，建筑热管理，电子冷却和能源武器的补充冷却，仅举几例。盐和金属是具有较高熔点温度的相变材料，也很有吸引力。一种应用是从集中的太阳辐射中储存高质量的热量，并用它来发电。无机盐已被深入研究，前体的发展[6]已经为高温应用确定了有前途的存储介质。试点规模的装置已经证明了其技术和成本的可行性。

图4.PCM 散热器原理图。折叠翅片通常用于增加有效导热性。也可以为较大的系统或以较高热通量运行的系统添加热管。

大多数用于电子冷却的PCM具有非常低的导热性，在高热通量应用中有效地隔离热源。如果通过PCM的温度梯度很大，则在所有PCM潜热被利用（熔化）之前，与热源接触的表面可能会达到其最高温度。为了充分利用材料的潜热，可能需要热增强。铝或铜翅片通常用于改善通过PCM的传热。其他热增强，如纳米颗粒浸渍已经进行了实验[7]，但纳米颗粒尚未被证明可以显着提高导热性，以使材料适用于大多数应用。此外，纳米颗粒在没有稳定剂的情况下经过很少的循环后沉淀[8].因此，翅片结构和热管在工业中最为常用，以更好地将热量分配到PCM（图4）。

在相变过程中，材料的密度会发生变化。根据材料的不同，使用不同的特征来补偿体积变化。通常，PCM体积在填充过程中受到控制，以便在最高预期温度下仍有一些空隙空间。如果可能发生更高的压力，则可能需要泄压功能。

图5.简化的热阻网络。

先进冷却技术公司（ACT）开发了一个简单的图表，可以指示PCM是否适合应用以及是否需要热增强。根据ACT在PCM散热器设计方面的经验，使用平均PCM散热器特性来生成此数字。PCM材料性能是实际使用的几种石蜡的平均值，翅片材料是铝。该模型还假设允许不超过10°C的温升以克服热传导电阻。可以迭代一个简单的能量平衡和电阻网络（如图5所示），以找到从散热器底部到PCM的目标温度梯度。

图6.PCM 散热器选择指南，显示 PCM/热增强质量比随时间和热通量的函数关系。

对于具有已知存储时间和热通量的应用，图6将指示PCM散热器解决方案是否是合适的散热解决方案。PCM比率表示相对于翅片增强结构中铝体积所需的PCM量。接近零的PCM比率表示需要全金属溶液来去除助焊剂。接近统一的PCM比率表明需要没有任何金属增强结构的PCM结构。

可以使用ACT的热管计算器获得PCM散热器的质量，体积和热性能的更仔细估计 此处.绘制了适合您应用的三种不同 PCM 选项的预期瞬态性能。该计算器假设通常采用保守的鳍片设计。可根据要求设计带热管的高性能定制解决方案。

PCM 散热器用于多种电子冷却应用，包括脉冲运行期间的温度稳定、没有合适的散热器时的短期蓄热以及冷却液丢失情况下的故障保护，仅举几例。如果 PCM 的蓄热容量适合某个应用，则 PCM 散热器可以减小系统尺寸、成本、维护和功率要求。

选择的特定相变材料和外壳取决于特定的应用要求。石蜡和非石蜡有机物是最常用的，但水合盐、非水合盐和金属可用于某些特殊应用。

PCM散热器设计的挑战包括大多数PCM的低导热性。 通常使用翅片或热管等热增强来提高导热性。 编译 陈讲运

原文链接：

https://www.mobilityengineeringtech.com/component/content/article/adt/features/articles/33767