定形相变材料的稳定性及温控特性研究

上传者：石来德
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上传时间：2015-05-11
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定形相变材料的稳定性及温控特性研究

中国科学技术大学硕士学位论文

定形相变材料的稳定性及温控特

性研究

作者姓名：冯建辉

学科专业：热能工程

导师姓名：程文龙副教授完成时间：二。一四年五月

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中国科学技术大学学位论文原创性声明

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口公开口保密（——年）

导师签名：作者签名：

签字日期：签字日期：

摘要

随着近年来电子器件和电子设备日趋集成化和高功率化，单位面积的热流迅速提高，散热问题已成为制约电子仪器设备发展的瓶颈。传统的散热方式己不能满足日益严格的温控要求，研究更为合理有效的散热方案是保障电子器件安全、可靠工作的关键。电子元器件温控有被动温控和主动温控两种方式，利用相交材料的潜热实现电子器件的温控是被动温控的主要方式之一，其优点是没有运动部件，单位储能密度大等。但是，目前所采用的相变材料存在泄露和热导率低等问题，定形相变材料可以有效克服上述缺点，本文针对定形相变材料热控的关键问题，通过实验分析和数值模拟对定形相变材料的热稳定性和温控特性展开研究。

定形相变材料的稳定性是相变材料进行有效温控的关键。本文首先建立定形相变材料的热稳定性实验装置，针对所制备的不同种类的定形相变材料，进行了３００次的热稳定性实验，研究了相变温度、相变潜热、热导率、体积比热和热扩散系数等关键参数随重复性储能次数的关系。研究结果显示：相变温度、相变潜热、热导率、体积比热和热扩散系数等参数的变化较小，且波动范围在实验误差范围之内，这表明定形相变材料在反复储能过程中，其热物性参数保持着良好的稳定性。

其次，本文建立了定形相变材料的温控实验系统，通过实验对不同物性的相变材料加载不同的加热功率和改变外界环境参数对相变材料的温控特性展开研究。结果显示，在相变材料相变过程中，加热板表面温度也在一定的温度区间内变化：达到相变温度之前，加热板表面的升温速率较快；达到相变温度时，相变材料开始相变并吸收热量，相变潜热的出现使加热板升温速率降低，温度随时间的变化曲线近似平稳直线，温度缓慢上升。本文把加热板表面在相变过程中的温差大小定义为温控精度，其大小和热导率、相变潜热、加热功率以及外界环境等参数相关；当相变材料完全融化时，加热板升温速率提高，相变材料相当于热导体，并通过对流和辐射与外界环境进行换热，直至达到热平衡。随着热导率增加，加热板表面温度在相变过程中变化减小，相变材料与外界环境达到热平衡时的温度降低，有利于相变温控系统温控精度的提高。随着加热板发热功率增加，相变材料相变过程所需时间缩短，温升速率增加，温控精度降低，和外界环境达到热平衡时的温度较高。相变温控装置不存在对流和辐射时，相变材料在相变过程中温度基本不变化，温控精度较高。

最后，本文建立了定形相变材料传热的数学模型，并采用此模型系统分析了各参数对定形相变材料温控精度的影响。通过和实验结果的对比，验证了模型的准确性。模拟结果表明，定形相变材料热导率对温控精度的影响较大，温控精度

摘要

随热导率的增加而提高，但当热导率大于１．７６Ｗ．Ⅲ－１．Ｋ１时，温控精度升高效果变得不明显；温控精度随相变温度宽度、相变材料厚度的降低而增加，但随加热功率的增加而降低。关键词：温控系统定形相变材料热稳定性实验研究温控精度