热风式相变陶瓷散热器的创新设计

王龙平 ，李强 ，蔡有杰 ，杜国军 ，闻全意 ，高爱丽

（1.齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.齐齐哈尔巴虎植物种苗开发有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

目前，随着社会的飞速发展，能源的利用已是一个全球性的问题。能源是人类赖以生存的基础。但是由于能源的供应与需求都有较强的时间性，在许多情况下人们还不能做到合理利用能源。例如，在不需要热时却有大量的热产生，有时供应的热有很大余量而被损失掉等。这需要类似储水池储水一种将热量进行储存，在需要时再把它释放出来的物质，这种物质叫热能储存材料。蓄热材料是一种能够储存热能的新型化学材料，它在特定的温度（如相变温度）下发生生物相变化，并伴随吸收或放出热量，可用来控制环境的温度，或用以储存热能。它把热量储存起来，在需要时进行释放，从而提高能源的利用率。

1 总体结构

散热装置的结构如图1所示，包括内管、外管、相变蓄热材料及引风管；内管同轴固定套装在外管内，内管设有封闭腔，相变蓄热材料填充在内管的封闭腔内，引风管的管壁上开设有热风口，外管下端套装在热风口处并与引风管密闭连接，外管与引风管相互垂直设置，外管和内管之间的间隙为风道。外管顶端为封闭端，该封闭端中部开设有出风口。相较于外管直径，出风口缩小了面积，降低了热风排出的速度，便于热风内热量的有效吸收。

锥形管正对内管下端设置，引风管引入温室内的热风，引风管引入的部分热风从热风口和锥形管5进入内管下端处并与内管封装的相变蓄热材料接触，热风沿着内管和外管之间的风道流通并从外管的出风口排出，在此过程中，相变蓄热材料吸收热风中的热量。当环境温度降低时，相变蓄热材料放出热量。

外管和内管之间通过多个连接杆固定连接。连接杆不影响热风的流通。内管管壁延其径向开设有两个通道并通过多个封闭板将整个封闭腔分隔为三个封闭分腔，每个通道内均固定设有导流板。导流板将热风引入通道下端内，然后再绕过导流板从通道上端流出，增大与相变蓄热材料的接触面积。并减小相变蓄热材料蓄热和散热的时间。

图1 散热器的总体结构

2 相变材料

相变蓄热材料3由石蜡、石墨烯、乳化剂复合而成。石蜡作为一种潜热储能材料，具有相变潜热大，固一液相变过程容积变化小，热稳定性好，无过冷现象，价格较低廉等优点。且航空、航天、微电子及光电子技术的发展，往往要求大功率组件工作时产生的大量耗散热只能在有限的散热面积和极短时间内排散掉，而低熔点的相变材料相对高熔点相变材料能快速达到熔点，充分利用潜热实现温控，热响应时间相对较短，石蜡众多的优点使之在航空、航天、微电子等高科技系统以及房屋节能等各个领域得到了广泛应用。

石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/mK）和多壁碳纳米管（3000W/mK）。当它作为载体时，导热系数也可达600W/mK。

乳化剂是能够改善乳浊液中各种构成相之间的表面张力，使之形成均匀稳定的分散体系或乳浊液的物质。乳化剂是表面活性物质，分子中同时具有亲水基和亲油基，它聚集在油/水界面上，可以降低界面张力和减少形成乳状液所需要的能量，从而提高乳状液的能量。乳化剂是能够改善乳浊液中各种构成相之间的表面张力，使之形成均匀稳定的分散体系或乳浊液的物质。乳化剂是表面活性物质，分子中同时具有亲水基和亲油基，它聚集在油/水界面上，可以降低界面张力和减少形成乳状液所需要的能量，从而提高乳状液的能量。

3 结 语

本设计结构简单、成本低廉，相变材料清洁、无污染，能够最大化解决温室多余热能的储存和释放，并通过套管的形式，增加了接触面积，对温室的热能有一定的可控性。配合热风控制系统对热风源的打开时间计算热量，并调节出热量，适用范围广泛，在未来现代农业发展中并且可以实现智能化控制，实现温室热能的可控、节能，极大地使热效率提高。