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相变材料（PCM）散热器设计基础及应用案例
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信息来源：ACT
右边的图形有助于解释相变材料的工作过程，Y轴表示温度，X轴表示热量，红线表示显热，直接导致温度升高的热量用蓝线表示。
PCM达到其设计性能状态，熔点将保持恒定，如蓝色阴影所示。它会保持在该温度，直到所有PCM融化为止。而显热曲线表明，没有PCM的作用温度急剧变化。
PCM与大型金属散热器的常用材料兼容，在加热冷却循环中可以可靠的运行，并且完全是被动的，不需要活动部件。
PCM散热器需要解决的一些挑战是这些材料的导热系数非常低，高纯度的长链碳氢化合物PCM的成本较高，当然也可以选择较低纯度较低成本的PCM。
下图是一系列材料的温度和其它重要的参数，并包括与散热器基础材料的兼容性。一旦确认了PCM材料，应评估它们的纯度和储热能力，存储容量，包括体积和重量。PCM散热器因潜热和质量特性不同而产生性能差异。
石蜡是最常见的PCM，因为它们具有每单位重量最高的熔化热，具有较大的熔点选择范围，无化学腐蚀，重复循环可靠性高。
设计惰性石蜡PCM散热器时的空隙管理非常重要，因为从固体到液态石蜡发生体积变化，另外石蜡PCM热导率较低，因此设计时要考虑足够的导热路径。
水合盐类PCM具有较高的单位重量体积熔化热，相对较高的热导率，这类非金属PCM，固相和液相之间的体积变化很小，但较不常用，因为它们具有腐蚀性且长期可靠性比其它金属、非石蜡有机物等PCM来说不稳定。液态的气相变化PCM也可以使用，但使用较少。
右图显示的空隙体积可以扩大，大多数情况下，相变期间的PCM受重力会改变PCM融化和冻结时的位置，如果关键组件周围产生大量空白，PCM吸收热量之前，组件会出现较大的温升。
为这两个挑战寻找解决方案是在内部设计传导路径，通常是散热器内部的鳍片。例如，您可以从下图的热阻网络看到传导将在PCM不熔化的情况下起很大作用，随着温度显著上升，散热片间距或散热片厚度影响至关重要，散热片是关键的设计考量因素。
左侧实线显示给定功率下熔化或蓄热的时间，与之匹配的虚线及虚线轴是相应的热梯度。当增加鳍片，减少PCM容量时，ΔT会减小。另外一种设计是，散热片之间的间隔较大，以便最大程度的增加PCM体积，但由于PCM导热率差而导致系统ΔT较大。
通过生成的曲线发现，最佳鳍片间距在0.05至0.1英寸之间，以确保PCM以最小的热梯度熔化并存储热量。
设计挑战之一是确保空隙体积不会引起不良影响，尤其是温度上升，但通过适当的解决方案可以解决此设计难题。如上所述，鳍片将提供良好的传导路径以将热量带入PCM，设计良好的鳍片能保证散热器内部是否有小空隙，温升都是最小的。
当处理高热通量时，确定PCM散热器中熔融PCM的位置尤为重要。不均衡的局部热量输入会导致PCM熔化时产生高压梯度，但通过配置内部管道可以均匀熔化PCM，让PCM在熔化过程中易于移动来减少这种影响。
测试结果图表表示，测试房间空气中施加了超过40W的总功率，蓝色线显示在理论上模块基本上会加热直到PCM熔融，然后保持在该温度的上下几度范围，直到PCM全部熔化。一旦PCM全部熔化，模块温度开始以由比热决定的速率上升。
在这个案例中，PCM散热器设计为吸收约250J的热负荷，在几秒钟的时间内，读取的测试结果与理论匹配得很好，并且从未超过理论温度。
右图表示，在这些设备的热源位于氮化镓层上，而PCM嵌入硅基板内，当设备处于加热状态时PCM熔化，避免了设备重复循环运行高温，提高稳定性。
此瞬态热模型将确认热量传递到PCM中，并从中识别出PCM熔体前沿位置，以确保有足够的PCM以处理全部瞬态负载和整体系统ΔT以确保设备不会过热。
从红色虚线可以看到设备变化的热负荷，蓝色PCM温度保持相对恒定，PCM温度略高于环境温度，蓝色PCM曲线的末端表明所有PCM都已熔化了。当循环结束时，PCM将开始散发热量。
右侧图是加载热负荷时PCM熔体前沿示意图，顶部是熔体前沿，PCM从固态到液态的转变位于黄色和绿色之间，通过散热片以确保熔体前沿的可靠移动。
该系统的设计注意项类似于散热器模块，其中之一是必须确保足够吸收功率的PCM体积。
这是使用三回路热交换器的循环示意图，从右侧的热冷却剂PCM的循环开始，冷蒸汽压缩系统处于平衡状态，高能量激光处于打开状态，热冷却液吸收热量PCM温度上升，PCM受热并在循环结束时融化，右侧的冷蒸汽压缩回路带走热量导致PCM冻结或凝固。
当接通周期结束时，热的冷却液温度降低，而右侧冷却回路导致PCM很快冻结，准备开始另一个循环。
PCM散热器的设计注意事项包括PCM的选择，其体积取决于组件的操作边界条件主要包括功率和时间，而优化到PCM的导热路径是解决PCM导热性差的关键。
以上我们展示了中低功率系统，定向能武器系统，高功率系统的PCM散热器应用，相信随着技术的发展，PCM散热器将应用于更广泛的领域。
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