低熔点合金储热性能的实验测量和仿真

发布时间：2020-05-05 16:37

【摘要】：电子芯片向小型化、高集成度发展,导致其发热量和热流密度变大,迫切的需要寻找高效的散热措施。储能式温控单元结构简单,可靠性高,无运动部件,无动力驱动,不受重力影响,特别适用于航空航天领域的间歇性瞬时大功率电子芯片的控温。低熔点合金具有高导热率、高储热密度、性能稳定的优点,是优异的相变储能材料。一般芯片的结温应小于150℃,为保证芯片正常工作,其最高温度需要低于这个温度值,考虑到芯片自身、封装、散热设备安装等产生的热阻,一般选择相变温度小于85℃的低熔点合金。本文使用高频真空加热炉制备了5种已知的相变潜热较高的低熔点合金,采用差示扫描量热法、激光闪射法、排水法分别测量了低熔点合金的相变温度、相变潜热、热扩散率和密度,为低熔点合金在储热领域的大规模应用提供基础数据。从热力学角度推导了低熔点合金相变潜热的预测公式,考虑了低熔点合金各组元的潜热、各组元固液相比热容的差异及混合熵对低熔点合金相变潜热的贡献,选取9种已知的低熔点共晶合金验证了相变潜热公式的准确性,最大误差为19.35%,最小误差为1.86%。同时,按照一定规则配制了3种低熔点合金,并测量了热物性。实验测量了低熔点合金在实际应用中的储热性能。搭建了实验台,研究了相变温度在40~85℃之间的5种低熔点合金、热流密度和加热功率对储能式温控单元性能的影响。结合测量的热物性参数,采用CFD软件进行了低熔点合金熔化过程的仿真,将仿真结果与实验结果作对比,具有很好的一致性。分析了不同热流密度和加热功率条件下,低熔点合金的熔化和传热过程。低熔点合金Cd8.5Sn11.3Pb37.7Bi42.5潜热最大,热扩散率较高,控温性能最好。研究发现热流密度和加热功率对储热性能都有影响。比较相同加热功率24W、不同热流密度24.00W/cm~2、6.00W/cm~2、2.67W/cm~2、1.50W/cm~2、0.96W/cm~2的储热性能时,发现热流密度过大,会使得热量不能及时传导到整个储能式温控单元,合金不能及时熔化,储能式温控单元失效。本文实验条件下,当热流密度小于2.67W/cm~2时,热流密度的大小对储能式温控单元性能的影响忽略不计,这一临界值与具体低熔点合金和外界条件有关。比较相同的加热面积,加热功率20W、24W、28W、32W和36W时的储热性能,发现功率越大,储能式温控单元的温度不均匀性越大,失效时的吸热量越小。
【图文】：

低熔点合金,真空加热炉,成分,制备方法

纯度均大于 99.99%的。制备的低熔点合金成分如下表 2-1 所示，制备设备：高频真空加热炉，如图2-1 所示。表 2-1 本文研究所选的低熔点合金成分编号低熔点合金的成分(wt%)Cd In Sn Pb Bi1 0 21 12 18 492 0 51 16.5 0 32.53 9.6 4 12.8 25.6 484 10 0 13.3 26.7 505 8.5 0 11.3 37.7 42.5图 2-1 高频真空加热炉制备方法：每种低熔点合金配制 1.5kg，按照文献中给定的成分和自己设计的

曲线,差示扫描量热仪

熔点合金吸收的热量越多，相同条件下，对电子设备熔点合金相变潜热值的选择至关重要。选择储能式温温度是主要考虑的物性之一，只有储能材料的相变温能发挥应有的作用。相变温度和相变潜热主要使用差：差示扫描量热法是在程序控制下，使得参比样品和，当被测样品与参比样品存在温差时或被测样品发生进行加热，保证参比样品与被测样品的温度相等，设品和被测样品之间的功率差。DSC 曲线以测试样品吸样品的温度作为横坐标，由 DSC 曲线可以得到被测样：美国梅特勒-托利多公司生产的 DSC 3 型差示扫描量术参数：加热速率 0.02~300℃/min，温度范围-150~70。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN407

【参考文献】