为了有效地防止热引起的失效，电源设备内产生的热量必须通过适当的冷却技术转移到环境中，例如传统的空气冷却、冲击射流及带有单相冷却剂的热交换器等。将相变材料(PCM)应用于控制器的冷却是一种有效的解决方案，它既考虑了器件的寿命、性能和安全性，又兼顾了质量、体积、功耗、噪声等。因此，基于PCM的冷却系统通常用于军事装备、电力电子设备、电池热管理、计算和通信设备等^[1-5]。

尽管PCM具有许多优点，但大多数PCM都存在导热系数低的问题。为了克服这一缺点，相关研究中提出了各种技术手段，包括使用翅片、石墨/金属泡沫基质和高导电性纳米颗粒等。在这些技术手段中，使用翅片是最常见的，许多研究致力于改善翅片式PCM散热器的热性能，包括功率负载条件、功率水平、几何参数以及PCM类型和数量的影响^[6-10]。Nayak等^[11]提出了一种通用的数学公式和数值模型来评估PCM基散热器的热性能，并在不同功率水平下进行了仿真。分析表明，与基体翅片和板式翅片相比，板式翅片布置使系统的热点温度保持较低，温度分布更加均匀。Akhilesh等^[12]数值评估了带板式散热片的复合PCM基散热器的热性能，他们提出了热沉临界尺寸与相变材料数量的经验关系式。Kandasamy等^[13]在恒定功率水平下，对基于PCM的板式翅片散热器的各种设计进行了实验和数值研究，研究结果显示PCM的加入增强了散热器的热性能。Wang等^[14-15]运用数值研究方法评估了倾斜角度、PCM体积分数和PCM类型对循环和恒定热负荷下翅片散热器冷却性能的影响。结果表明，在散热片空腔中加入相变材料可以显著改善系统的冷却性能，而倾斜角度对系统的冷却性能影响不大。Adeel等^[16]在稳定热密度下对移动电子设备的圆针翅片散热器进行了参数分析，探讨了PCM体积分数、热密度、圆针直径等对运行时间、比热容和热导率的影响，结果表明直径3 mm的圆针散热器具有最佳的热性能。Hosseinizadeh等^[17]对PCM热敏水槽在热管理方面的应用进行了实验和数值研究。对有和没有相变材料的散热器进行了比较，研究了功率水平、翅片数、翅片高度和翅片厚度等各种参数对散热效果的影响，结果表明，翅片数和翅片高度的增加导致整体热性能明显提高，自由对流在促进PCM熔化方面发挥了更为关键的作用。Rohit等^[18]通过实验研究了便携式电子设备冷却过程中各种基于相变材料的散热器的热性能。结果表明基于金属泡沫和PCM的散热器更有利于提高输入热通量值，且三翅片散热器能提供更高的热导率。Janwade等^[19]研究了含有PCM、翅片和铜颗粒的不同散热片基体。对比热容和热导率的分析表明，用铜颗粒填充翅片相变材料的热沉具有最大的比热容和热导率。

前述文献在PCM基散热器热管理方面的研究主要体现在翅片数量、添加发泡材料和金属颗粒、功率水平、翅片高度与厚度等方面。本文在恒定热负荷条件下，针对散热器热性能受翅片数量、翅片倾角以及PCM等因素的影响，对散热器传热特性进行了进一步的实验研究，分析了不同翅片数、翅片倾斜角度及PCM的添加对散热器传热过程中温度变化率、温度分布、固液界面变化以及工作时间等方面的影响。

实验系统主要由实验段、可调节倾斜机构、直流电源、数据采集系统和可视化系统组成，如图1所示。

实验段为矩形外壳，内腔尺寸为48mm×34mm×100 mm。散热器外壳的左侧壁由1.5 mm厚的铝(Al-6082)制成，其他壁由10 mm厚的聚碳酸酯透明材料制成，以便观察外壳内部的相变。散热器采用铝板电火花加工技术制造，以保证翅片与底板之间无热接触电阻，每个翅片的尺寸为12mm×100mm×1.2 mm，散热器结构如图2所示。

将尺寸为48mm×80 mm的柔性薄片加热器涂上导热硅胶后连接到0.2 mm厚的铜片上，以模拟热源。在散热器背面研磨9个尺寸为0.5mm×1 mm的均匀矩形槽，槽内放置热电偶(T_h1～T_h9)，监测温度分布。再次使用相同的导热硅胶均匀涂在铜片上并将其安装在散热器背面，以使热接触电阻最小化，如图3(a)所示。在实验段矩形外壳内还按照如图3(b)所示位置布置了15个热电偶(T₁₁～T₅₃)，以检测外壳内PCM的瞬态熔化。

所有热电偶在10～100 ℃进行校准，其测量值误差在±0.2 ℃范围内，符合测量要求。数据采集系统连接到计算机，以10 s间隔记录温度，薄膜加热器由16 W直流电源装置提供。实验段各连接接触面使用尼龙螺钉和低导电液体密封，以最大限度地减少壁和散热器之间的导热传热，并防止液态PCM从外壳泄漏。为了进一步减少对环境的热损失，外壳外部用30 mm厚度的聚苯乙烯泡沫板进行隔热。

实验采用平均熔点37 ℃的正二十烷作为相变材料，实验中考虑到相变材料固液转变与翅片加入引起的体积变化。表1给出了所用相变材料的热物理性能。

实验过程中为了解决浮力对散热器热性能的影响，对实验部分在不同倾角下进行了成像和温度测量。将3个数码相机安装在可调倾角的机构上，该结构可将实验部分倾斜到0°～90°所需的角度。每次实验，图像记录从实验段加热开始连续记录至最高基温70 ℃。在此过程中，从外壳的侧壁上移除绝缘层，并每隔3 min记录图像。每次测试保证底板与外壳内的所有热电偶与环境温度(25 ℃)相同。实验重复至少2次，最大偏差在±2%以内。

对实验外壳在0°～90°的不同倾角下，测试了5种不同几何形状散热片对PCM基散热器热性能的影响。

测量加热器表面上的9个均匀分布的测点[T_h1～T_h9，图3(a)所示]温度，以评估每个散热器配置(含和不含PCM)的热行为。对于不同散热片倾角，其各测点温度变化的时间历程如图4～6所示。

从图中可以看到，对于没有PCM的情况，在给定的翅片数下，基础温度在短时间(2～5 min)内就急剧上升到最大允许温度(T=70 ℃)，倾角对其几乎没有影响。结果还表明，翅片数的增加对各倾角的温升速率影响有限，其原因主要是空气的导热系数和蓄热能力低，导致传热不良。

而对于有PCM的情况，曲线图显示温度变化率与翅片数和倾角之间存在一定的关系。在初始阶段(t<3 min)，基体温度随时间急剧上升，并迅速过渡到相变材料的熔化温度，其范围为35～37 ℃。在这一时期，相变材料处于固相状态，热量传导通过相变材料扩散。在达到熔点温度后，相变开始(t>3 min)，并且在基板和散热片周围最初形成一层薄液态PCM。因此，更多的热量以潜热形式被PCM吸收，温升减慢。在这个时间段内，浮力相对弱于黏性力，主要的传热机制是热传导。随着时间的推移，浮力随着熔体分数的增加而克服黏滞力，在液相区形成对流，反过来又直接增强了相变区域内的传热，使温升比前期下降更多。当液体组分占据主导地位后，由于热量以显热形式储存，基础温度又随着时间的推移而升高。在图6(d)中可以很容易地观察到这些基本温度的趋势，在t=1 min时即达到PCM熔点温度；t=1～7 min阶段中热量以潜热形式传导，温升变化率相比前段下降了90%；t=7～36 min阶段中液相区对流传热起主导作用，温升变化很小；从t>36 min开始到最大允许温度70 ℃，液态PCM占据主导地位，热量以显热形式存储，温升变化率相比前一阶段又增加了5倍。

对于给定倾角的散热器(如图4～6所示)，因具有较高的扩散传热面积，从而提高了相变材料的导热系数，并引起了液体相变材料中的混合流动，更多的热量通过对流传热被PCM吸收，基础温度随翅片数的增加而降低。例如，对于有PCM的情况，从图4(d)和(f)中可以很容易看出，在0°倾角下t=28 min时，1个翅片的最高温度70 ℃，5个翅片的最高温度为62 ℃，最高温度低11%。同时还可以看到，5个翅片达到最大允许温度所需的时间为50 min，与1个翅片的情况(28 min)相比增加了78%。

除了初始阶段(t<3 min)外，自然对流是控制相变材料熔化速率和传热速率的主要传热方式。在这种模式下，传热强烈地依赖于相邻翅片之间形成的PCM对流循环。当翅片数较大时，由于相邻两个翅片之间的间距较小，导致流动阻力较大，因此流体运动的强度减弱，传热速率降低。如图4(d)～(f)所示，达到最高允许温度的时间由28 min逐渐增加到50 min。

图5和图6显示了倾斜角度对1、3和5个翅片情况下的基础温度变化的影响。与倾角为0°状态相比，在给定的时间和翅片数下，可以清楚地看到，随着倾斜角度的增加，基底温度逐步减小。如图5(e)和6(e)所示，翅片数为3片、t=40 min时刻，基底温度从倾角为45°时的64 ℃下降到倾角为90°时的58 ℃，降低了9%。这种减少可归因于两个主要原因：一方面是浮力诱导流的大小随倾角的增大而增大，浮力诱导流撞击到大的固体PCM区域；另一方面是液体PCM区的扩张，使得在PCM区域中形成的对流得以生长。倾斜角度对于1个和3个翅片的影响比5个翅片的情况更明显，如图5(d)～(e)所示，倾角为45°，t=40 min时1个翅片的基底温度由68 ℃下降到3个翅片的62 ℃，5片翅片与3片翅片相比基底温度基本没有变化，这种现象可归因于翅片增加时局部流动速度的降低。

图7和图8给出了PCM区域中轴面上特定位置处[图3(b)]PCM温度的时间历程，对于散热器的垂直和水平方向，翅片数的不同值分别如图7、图8所示。在垂直方向上(0°倾角，图7)，PCM区域上半部分(T₅₂)的温度明显高于下半部分(T₁₂)的温度，主要原因是浮力效应促使高温液体PCM向上运动。对于水平方向(90°倾角，图8)，特定位置处(T₁₂～T₅₂)的温度变化趋势基本相似，由于形成了三维贝纳德对流，从而在PCM液体内诱导了有效混合。结果还表明，对于所有的倾斜角度，每个选定位置的PCM温度值都随着翅片数的增加而减小，图7可以明显看到这个趋势的变化，t=24 min时，基底T₅₂温度从1片翅片的57 ℃逐步下降到3片时的55 ℃以及5片时的48 ℃。

为了更好地了解翅片数和倾角对相变材料熔化和传热行为的影响，在传热过程中，从侧面拍摄固液界面的动态照片(图9～10)。在这些图像中，黑色和白色分别对应于液相和固相。

在传热过程的早期阶段(t=12 min)，如图9所示，除了在1个翅片且倾角为0°的情况下PCM区域的上半部分有微小的变化，固液界面在其他情况下沿基板的移动都是相对均匀的。由于靠近基板和散热片的PCM熔化层厚度不足，浮力不足以克服黏性力，使得传导成为主要的传热机制，图4散热器背部特定位置(T_H1～T_H9)和图7散热器内部特定位置(T₁₂～T₅₂)的温度分布也证实了这种传热机理。

当液体层随时间变厚(t=24 min)时，浮力对传热起着积极的作用，并决定了相变区域内固液界面的运动。当浮力垂直作用时，倾角对浮力诱导流在PCM内的产生有重要影响，如图10所示。对于倾角为0°的情况，对流单体的形成首先在PCM区域的右上角附近开始，然后随着时间的增加向加热壁相反方向扩展。这种流动局部增强了相变材料区域上半部分的传热，使固液界面的运动速度比下半部分快，形成了液相区凹形界面形状。由于基板及翅片与固态PCM之间的间距很小，PCM区域的下部仍以传导方式为主。当倾角从0°变为45°时，对流区域扩展到PCM区域的下半部分，因为更多的高温PCM从加热壁分离并撞击到固态PCM上，这种强对流运动提高了熔化速率，改变了固液界面的形状。对于倾角为90°时，PCM区域内的界面以接近线性的方式进行，这种熔化趋势归因于三维贝纳德对流的形成，该对流诱导了液体相变材料内部的有效混合，图像还显示，在相应的时间，翅片数的变化对界面轮廓没有显著影响。

实验还从时间角度比较了不同配置散热器(含和不含PCM)的散热性能。从图11(b)可以看出，在给定的翅片数下，工作时间随着倾斜角度的增加而增加，除无翅片工况外，其他各种配置的散热器均在倾角为60°时达到最大值，然后随着倾斜角度的进一步增加而减少。这种趋势是由于浮力诱导的流动变强，使得对流单体生长的液相相变区域更大。结果还表明，当倾角在0°～60°变化时，单翅片情况下含相变材料散热器的工作时间延长了78.6%，随着翅片数的增加工作时间延长的趋势变小，而不含相变材料的各种配置散热器在所有倾角变化范围内工作时间都无明显变化。

图11(b)还表明，给定倾角状态下，时间与翅片数之间存在一定的关系，即翅片数的增加会延长工作时间。当翅片数为1～3片时，各倾角工况下的工作时间延长更为明显，但随着翅片数的进一步增加，这种扩展变得不明显。图中0°倾角工况下，5片翅片相比单翅片工作时间延长了78%，而60°倾角时只延长了12%。这种趋势可以认为是对流单元的强度和大小的变化引起的，对流单元对对流模式起主导作用。当翅片数增加超过某个值(3片)时，相邻两个翅片之间的间距太小，对流单元形成困难，对流运动的幅度被强烈削弱，导致传热减少。对于不包含PCM的情况，如图11(a)所示，工作时间随着翅片数的增加而增加，但与倾角相对独立。

实验研究了翅片数和倾角对纵向翅片相变材料散热器热性能的综合影响。本研究的主要发现可总结如下。

（1）相比无PCM工况下的单相传热，PCM材料引发的相变传热对散热性能的改善有显著作用，翅片数的增加也能在一定程度上改善散热性能，最大可提升78%。

（2）在相变传热过程中，初期以热传导为主，各测点温度上升较快；随着PCM的熔融传热机理发生变化，由热传导转变为自然对流为主、导热为辅，各测点温度上升减缓直至相变过程结束。

（3）散热器倾角对熔融过程的传热特征有显著影响。随着倾角与翅片数的增加，温度分布更加均匀；但在翅片数达到3片后进一步增加翅片对散热的促进作用不明显。总体上看，在本文所研究的工况中，添加PCM、散热器倾角为60°且翅片数大于3片时的运行工况最佳。