自适应改变相变材料传热界面的方法技术

本发明专利技术公开的自适应改变相变材料传热界面的方法，旨在提供一种相变速率高、传热热阻小的方法。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：用柔性导热纳米复合材料将石蜡基复合相变材料包裹，形成尺度在数十微米到数百微米区间的相变颗粒；采用发泡工艺将上述相变颗粒制成多孔介质的石蜡基柔性多孔相变材料；将石蜡基柔性多孔相变材料进行封装，形成相变储能装置；对差压计加电，打开容积泵，热源热量通过流体工质进入相变储能装置，液体工质直接引入石蜡基柔性多孔相变材料内部，液体工质在相变颗粒缝隙之间流动，将热量携带到相变颗粒附近，快速地吸收源自热源的热量；相变储能装置的传热界面随传热的发生而自适应变化，且加速相变颗粒的相变过程。

An adaptive method for changing the heat transfer interface of phase change materials

The invention discloses an adaptive method for changing the heat transfer interface of phase change material, which aims to provide a method with high phase change rate and small heat transfer resistance. The invention is realized by the following technical scheme: a flexible conductive nano composite material package paraffin based composite phase change materials, the formation of scale to hundreds of microns in particle phase interval of tens of microns; using paraffin based phase change flexible porous material foaming process the phase particles made of porous medium; the paraffin based flexible porous phase change material package the formation of phase change energy storage device; the power meter, open volume pump, heat energy device by fluid phase change into liquid refrigerant, directly into the paraffin based flexible porous phase-change material inside the liquid refrigerant flow between the phase particle gap, the heat carried to the PCM nearby, quickly absorbed from the heat storage device; phase change heat transfer interface with heat transfer occurs while the adaptive changes, and speed up the transformation of particle phase Change the process.

【技术实现步骤摘要】
自适应改变相变材料传热界面的方法
本专利技术是关于电子设备热控领域，适用于解决短时间工作的高热耗设备散热问题的自适应改变相变材料传热界面的方法。
技术介绍
相变储能装置是热能转换为化学能后进行存储的一种装置。它通过热交换将热能存储于相变材料内，此时储能单元内封装的相变材料发生相变，使其在相变时吸收大量的潜热并保持温度恒定不变而在蓄能元件内将吸收的大量热量储存起来，实现蓄热过程。待需要时，利用相变材料，再把热能释放出来使用，使固体蓄热体与外界环境达到热平衡。相变材料的微封装具有许多优点，如增加传热面积、减小相变材料同外部环境的反应及减小相变时带来的体积变化。虽然相变材料本身具有储热密度大,且储能过程近似恒温等优点,但这类材料的热传导率却很低,在一定程度上限制了它的应用。理论上,任何材料都能作为相变储能材料,但实际上相变储能材料一般要满足下面一些条件:①相变温度和使用目标相匹配；②相变潜热大；③价廉易得；④化学稳定性好；⑤和存储容器的相容性好；⑥热稳定性好；⑦具有良好的传热及流动性能；⑧具有较低的蒸汽压。另外,储能材料还应具有无毒、无味、相变时体积变化小、无过冷或过冷度小、无相分凝现象、不易燃等性质。目前，某些短时工作的电子设备具有了越来越高的发热量，在数分钟之内可持续地产生数千瓦热耗，在短时间内关键器件温度迅速上升，导致设备工作不稳定甚至存在烧毁的风险。为了解决这一问题，目前常用的方案是在设备上安装相变储能装置。具体方法是：器件的热量传导至相变储能装置，使封装在装置中的相变材料发生相变、同时完成吸热，这样就可以使得热备热沉(即相变装置)的温度不超过材料的相变点。但是，由于相变材料的导热系数通常很低，邻近传热面的相变材料温度达到相变点时，远离传热面的相变材料温度与相变点还有较大温差，导致其无法发生相变，也就无法完成吸热的过程。当前，通常相变装置的相变率较低，相变材料未被充分利用，亟需引入新的方法来提高相变材料的利用率，这样才可以在有限的工程条件下尽可能地控制发热设备的温度。在众多的储能技术中,利用相变储能材料PCMS)实现能量的储存和释放被认为是最佳的储能技术之一。在各种热能存储方法中，利用相变材料PCM储能的方法储能密度大，并且在储能和释能过程中近似为等温过程，所以一直是研究的热点。现有技术使用翅片作为填充材料，当热量传递方向与翅片相垂直即翅片与石蜡构成串联布置时，翅片之间的石蜡层构成了主要的热阻，有效导热系数受到极大限制，尤其当空隙率较大时，基本和石蜡的导热系数相当；当热量传递方向与翅片方向一致即翅片与石蜡构成并联布置时，由于翅片的作用，有效导热能力得到很大的提高，有效导热系数主要由翅片所占比例决定；在相变储热装置中，填充翅片能有效提高沿翅片方向的导热能力，但使用翅片填充热量横向扩散能力很差，在相变材料吸收和释放热量的过程中相变材料熔化和凝固速度得不到有效改善，使用效率较低，不利于相变储热装置整体热性能的提高。分别以泡沫铜、泡沫铝填充石蜡为例与用铜、铝翅片并联和串联两种方式填充石蜡时的有效导热系数进行了计算对比，从计算结果可以明显看出采用泡沫金属作为填充材料，其整体效果要优于翅片，可显著改善相变储能装置的传热性能及储能效率。泡沫金属作为填充材料时，泡沫金属结构简化为二维的循环扩展六边形网格形式，且传热单元被分为九个导热层。导热能力随空隙率的增加而减小，其有效导热系数在翅片串联和并联两种情况之间，可以看出，添加了泡沫金属后其效果接近于翅片并联的情况；在相变储热装置中，虽然填充翅片能有效提高沿翅片方向的导热能力，但使用翅片填充热量横向扩散能力很差，在相变材料吸收和释放热量的过程中相变材料熔化和凝固速度得不到有效改善，使用效率较低，不利于相变储热装置整体热性能的提高。使用泡沫金属时，由于泡沫金属的循环六面体结构，在任意方向其有效导热能力均相同，且导热系数相对于相变材料本身而言也有较大程度的提高。泡沫铝与石蜡组合时，由于没有考虑相变材料与泡沫金属纤维之间传热时存在的接触热阻，泡沫金属表面会形成一层氧化层，这也会导致导热能力下降。传统的相变材料导热系数较低，因此在使用过程中，在材料内部存在较大的温度梯度，在传热界面达到相变温度时，材料距离传热界面较远部分的温度可能会远低于相变点，无法发生相变。由于发泡工艺的随机性较强，各相变颗粒之间的间隙并不统一，导致各流道的流阻不同，因此液体工质对不同部位的相变颗粒的加热功率是不同的，传统相变材料的传热界面是固定的，无法通过改变界面的方式来调整材料内部的温度分布。综上，传统相变材料存在较大的浪费。在所有相变储能材料中,石蜡基复合相变材料是常用的相变材料之一。该石蜡材料可根据需要对配方进行调整，不同相变点的材料可以匹配不同需求的设备。部分石蜡基复合相变材料吸热后会发生较明显的体积膨胀。将高导热纳米填料加入高分子聚合物，能有效地提高聚合物的导热系数，从而制得柔性导热纳米复合材料。根据填料的维度不同可将导热纳米复合材料分为零维粒子填充型、一维纤维填充型、二维片层填充型和混合填料填充型，前三种的导热系数一般不超过1W/m·K，而混合填料填充型可极大地提升导热系数。目前较为典型的混合填料填充型高分子聚合物有如下两种：一是向EP(环氧树脂)中加入纳米AlN掺杂的MWCNTs(多壁碳纳米管)和微米AlN混合填料制得薄片状复合材料，导热系数可达6.45W/m·K；二是将一维混合填料MWCNTs和微米级碳纤维CFs填充的酚醛树脂CF，其导热系数可达393W/m·K。由于发泡工艺的随机性较强，各相变颗粒之间的间隙并不统一，导致各流道的流阻不同，因此液体工质对不同部位的相变颗粒的加热功率是不同的。在很多时候，相变储能装置适用于有限时间内的瞬态工作工况，所以加快相变装置的相变速率是很有必要的。传统相变装置由于只有一个传热界面，且界面不可改变，因此材料的相变速率较慢。由于每次使用时，相变材料都会发生体积变化，如果反复使用传统相变装置，在相变材料和封装壳体之间可能会存在间隙，导致传热界面的接触热阻上升，其结果就是进一步弱化整个相变装置的储能作用。高储能单元融化过程的传热速率是减少相变储能系统充、释能时间，提高系统效率的重要措施，因而受到国内外学者的广泛关注。现有技术为了得到合适的相变温度及相变潜热等性能通常将两种或两种以上相变物质按一定的比例配合成多组分的混合相变物质,利用相变物质分子之间的相互作用调节相变温度和相变潜热。相变材料在凝固过程中存在着逐时变化的相变界面，相变材料在温度变化时其密度、比热和导热系数均有可能发生变化。相变过程中存在着相界面的移动引起相变材料的质量、动量和能量的传递。在很多时候，相变储能装置适用于有限时间内的瞬态工作工况，所以加快相变装置的相变速率是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对传统相变储能装置导热率低、相变比例低的问题，提供一种相变速率高、传热热阻小的自适应改变相变材料传热界面的方法。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到。一种自适应改变相变材料传热界面的方法，其特征在于包括如下步骤：用柔性导热纳米复合材料将石蜡基复合相变材料包裹，形成尺度在数十微米到数百微米区间的相变颗粒；采用发泡工艺将上述相变颗粒制成多孔介质的石蜡基柔性多孔相变材料；将石蜡基柔性多孔相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应改变相变材料传热界面的方法，其特征在于包括如下步骤：用柔性导热纳米复合材料将石蜡基复合相变材料包裹，形成尺度在数十微米到数百微米区间的相变颗粒；采用发泡工艺将上述相变颗粒制成多孔介质的石蜡基柔性多孔相变材料；将石蜡基柔性多孔相变材料进行封装，形成相变储能装置(1)；相变储能装置相连接容积泵(3)，并使液体循环通过热源(4)，将测试相变储能装置(1)进出口压力差的差压计(2)两端，分别连接在相变储能装置(1)的流体出入口，并在差压计(2)与容积泵(3)之间连接控制器(5)形成散热系统；对差压计(2)加电，打开容积泵(3)，热源(4)热量通过流体工质进入相变储能装置(1)，液体工质直接引入石蜡基柔性多孔相变材料内部，液体工质在相变颗粒缝隙之间流动，将热量携带到大多数相变颗粒附近，快速地吸收源自热源(4)的热量；相变储能装置(1)的传热界面随传热的发生而自适应变化，加速相变颗粒的吸热相变过程。

【技术特征摘要】
1.一种自适应改变相变材料传热界面的方法，其特征在于包括如下步骤：用柔性导热纳米复合材料将石蜡基复合相变材料包裹，形成尺度在数十微米到数百微米区间的相变颗粒；采用发泡工艺将上述相变颗粒制成多孔介质的石蜡基柔性多孔相变材料；将石蜡基柔性多孔相变材料进行封装，形成相变储能装置(1)；相变储能装置相连接容积泵(3)，并使液体循环通过热源(4)，将测试相变储能装置(1)进出口压力差的差压计(2)两端，分别连接在相变储能装置(1)的流体出入口，并在差压计(2)与容积泵(3)之间连接控制器(5)形成散热系统；对差压计(2)加电，打开容积泵(3)，热源(4)热量通过流体工质进入相变储能装置(1)，液体工质直接引入石蜡基柔性多孔相变材料内部，液体工质在相变颗粒缝隙之间流动，将热量携带到大多数相变颗粒附近，快速地吸收源自热源(4)的热量；相变储能装置(1)的传热界面随传热的发生而自适应变化，加速相变颗粒的吸热相变过程。2.如权利要求1所述的自适应改变相变材料传热界面的方法，其特征在于：在加速相变颗粒的吸热相变过程中，石蜡基柔性多孔相变材料的焓值上升，并产生膨胀，充分膨胀后的相变颗粒阻断了部分相变颗粒缝隙原有的流动路线，迫使更多液体工质向未充分吸热、未充分膨胀的相变颗粒流动。3.如权利要求1所述的自适应改变相变材料传热界面的方法，其特征在于：在充分吸热、充分膨胀的相变颗粒阶段将不再接受大量热量，而未充分吸热、未充分膨胀的相变颗粒周围存在更大流量的液体工质，加速这些相变颗粒的吸热相变过程。4.如权利要求3所述的自适应改...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁夏，吕倩，胡家渝，熊长武，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51