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相变储热在电子器件热管理的应用

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相变储热在电子器件热管理的应用

       随着电子器件集成度不断提高,电子器件日趋小型化,体积功率或面积功率密度却逐渐增大,使器件的热流密度急剧增大。高热流电子设备对散热提出了更高的要求, 因此电子器件热管理现已成为国内外研究热点。需要指出的是,在一些特殊场合,电子器件热管理面临极端高热载荷器件处于短时间歇性性工作状态。针对此特殊需求,相变储热型电子器件热管理技术应运而生。相变储热技术利用相变材料(phase change materials, PCM)在固液相变过程中吸收/释放高密度能量的特性来储存/释放热能,达到缓冲电子器件高热载荷热冲击作用,进而保证电子器件的安全稳定工作。相变储热技术在电子器件热管理的应用主要形式有PCM热沉、储热型热管和储热型流体回路。

1.PCM热沉

       PCM热沉是利用相变材料在相变过程中的温度不变的特性而达到降低热沉的温度水平。为强化PCM的热导率,在热沉内配置有金属骨架,利用金属的高热导率来加快PCM传热速率。如图1示为单腔热沉、多腔平行翅片热沉、多腔交叉翅片热沉与蜂巢结构的热沉,在热沉的空腔内填充有PCM。需指出的是,蜂窝结构热沉表现出了优越的热传递性能,是电子器件热管理的一种优选方案。

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2.储热型热管

       热管具有高导热率和热量传输能力。为应对极端热载荷冲击,人们提出了一种储热型热管,该装置结合了热管的高导热性能和PCM的高效储能能力。并且,热管还可强化PCM的传热速率。图2给出了相变储热型热管热沉模块。该复合热沉的工作原理为,热源产生的热量传递给冷板,热管从冷板吸收热量并将热量高效地传递到PCM储热区域。

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3. 储热型流体回路

       在两相回路中,增加循环泵,并将蒸发器与冷凝-储热器通过管路耦合,形成储热型两相回路系统,能够有效提升电子器件的冷却效能。图3给出了储热型两相回路系统结构。在该系统中,冷流体吸收电子器件热源的热量,在循环泵作用下流经PCM区域放热,再度成为冷流体,再次流经热源吸热而发生循环工作。需指出的是,在该装置中通过增加PCM侧的传热面积能够高效强化PCM的传热性能。

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