微結構熱管理
關注創建者：liyang617730 創建時間：2018-09-10
微結構熱管理的視頻教程
新能源汽車電池/儲能熱管理結構設計進階到高階-十大專題50個技術點掌握熱結構建模核心能力
課程主要從動力電池熱管理以及儲能熱管理分析10個章節共計42講，來系統得闡述熱結構工程師所需要具備的能力及分析處理辦法，使學員能夠從多角度輕松應對職場挑戰。 第一章從動力電池的應用場景角度，分析電池系統熱管理的重要性，要求及熱管理開發思維導圖分析，詳細的講述了動力電池領域熱結構設計占據的重要地位及人才重視程度等。
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微結構熱管理的實例教程
由于電子元件的工作溫度顯著影響其可靠性，因此，熱管理對于電子系統的設計和操作至關重要，熱管理能力不足可能會導致性能下降、關鍵組件故障。如今，由于電子設備的物理尺寸不斷縮小以及可用于熱管理的空間有限，尋找合適的電子設備冷卻技術已成為一項重大挑戰。封裝相變材料（EPCM）由于其吸收和釋放大量熱量的能力，在與冷卻和加熱相關的各個領域，特別是在熱能存儲領域中受到了極大的關注。
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成果掠影
近期，沙迦美國大學Mohammad O. Hamdan研究團隊通過將相變材料封裝在保護殼中，EPCM可以克服相變過程中的泄漏問題，并可以提高PCM的熱穩定性、可靠性和性能。此外，EPCM還可以定制以滿足特定的應用要求，例如不同的熔點和導熱率。該篇綜述全面概述了 EPCM，包括用于封裝的殼材料、封裝方法、EPCM 特性和熱性能、商用 EPCM，以及最新的研究、應用、實驗分析以及各種用于分析EPCM行為的數值模型，為后續儲能和熱管理系統的開發提供了重要指導。相關研究成果以“A review on micro-encapsulated phase change materials (EPCM) used for thermal management and energy storage systems: Fundamentals, materials synthesis and applications”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
展開 環路熱管（LHP）采用重力分離式，具有高導熱率和高度可調結構的協同優勢。同時，LHP裝置根據蒸發器和冷凝器相對分離的特點，將密閉柜體與外界環境隔離，避免灰塵、濕氣等外部環境因素的干擾，保證內部運行的穩定性。最重要的是，將環路熱管應用于數據中心的熱管理，可以彌補傳統風冷散熱抗干擾能力弱、空調制冷能耗高的缺點。此外，微通道平行流換熱器具有結構緊湊、制冷劑充注量少、傳熱性能好的優點，目前主要應用于汽車空調、小型制冷設備等。因此，采用微通道并流換熱器作為LHP的蒸發段和冷凝段是一種新型高效的散熱方式，具有良好的散熱效果。在充電站、數據中心等封閉機柜散熱領域具有較高的應用前景。
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成果掠影
近期，東南大學能源與環境學院陳振乾教授團隊提出了三維分布參數模型并結合實驗系統，研究了填充率、高度差、換熱器結構和運行參數對MCLHP系統傳熱性能的影響。研究團隊特別提出了泵輔助MCLHP來提高傳熱能力。分布參數模型與響應面法相結合的模擬表明，最大傳熱能力為1.402 kW，填充率為79.7%。雖然改變結構參數會提高傳熱能力，但它將通過增加空間結構和空氣阻力來補償。研究所提出的泵輔助MCLHP系統可以穩定運行，傳熱能力高達4kW，在充電樁和數據中心等高熱通量冷卻中具有潛在的應用前景。相關研究成果以“Application of distributed parameter model in thermal management of microchannel loop heat pipe”為題發表于《Applied Thermal Engineering》。
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圖文導讀
圖1 特斯拉微通道與毛細微柵欄結構設計
如圖1所示，采用深反應離子刻蝕方法加工了特斯拉微通道協同毛細柵欄結構，與耐熱玻璃陽極鍵合形成熱沉。該熱沉的長度為10mm，每個通道包括18個周期性串聯的特斯拉單元結構。側壁加工了超親水性圓柱柵欄毛細結構，毛細壓力可達到19.2 kPa，顯著強化了液態工質的全域供應和通道壁面的局部再潤濕能力。
為了闡述特斯拉閥和側壁毛細柵欄結構的強化機理，研究團隊首先實驗測量了單相流動下正向、反向壓降和流動二極管特性（正向與反向壓降比值）。如圖2所示，單相流動二極管特性隨著雷諾數（Re）增加而增加。均勻分布在主通道內的特斯拉結構逐級放大了其對蒸汽回流的抑制作用，進而誘導工質定向有序地流動。
圖2 特斯拉微通道協同毛細微柵欄結構調節兩相流動
通過引入側壁毛細微柵欄結構實現了壁面的潤濕-再潤濕過程，誘導形成了穩定持久的側壁面薄液膜。結果表明，即使在極端沸騰條件下，超親水的微柵欄結構也能將微通道中不穩定和不連續的兩相流動轉變為穩定連續的環狀流流動，特別是側壁微柵欄產生的毛細驅動效應實現了壁面液體0.5m/s的高更新速度。
在揭示了特斯拉閥和壁面柵欄毛細結構在兩相傳輸中的重要作用之后，研究團隊繼續表征了該型熱沉在正向流動時候的換熱性能。從根本上說，高性能的對流沸騰傳熱需要高效的液體到蒸汽轉化。研究發現，當蒸汽質量干度χ<0.25時，如圖3（a和b）所示，壓降和壁溫都在~15秒的短時間內周期性波動。
展開 為了更加有效地控制電動汽車電池的工作溫度，研究了一種鋁板/相變材料/液冷電池熱管理系統散熱結構，采用CFD 軟件模擬仿真。研究了鋁板厚度、水管數量、質量流量、導熱系數、相變溫度和進水溫度等因素對電池散熱的影響。通過對電池溫度場的模擬仿真，合理控制因素之間的相互影響，將參數取值進行優化，使電池的最高溫度和最大溫差能夠控制在44．19 ℃和3．18℃，此溫度能夠很好地滿足電池的工作溫度，表明鋁板/相變材料/液冷相結合的新型散熱結構能夠較好地控制電池的溫度均勻性和有效性。
1 建立模型
電池的整體結構如圖1 所示。鋁板緊貼電池體，均勻插入圓形水管的相變材料貼在鋁板之后，并且選用導熱系數高、密度小的鋁來作為水管材料。可以看出，模型具有對稱性，為了縮短模擬仿真時間，本文僅僅仿真了模型的1 /4 部分。幾何尺寸和物理參數參考了研究較為成熟的電池單體，如表1 所示。為了研究濫用條件時電池的性能，電池以放電倍率5C 進行放電，因此仿真時間為720 s，并且根據現有學者研究成果，此放電倍率下的電池發熱功率約為200 kW/m2。為了便于研究，本文設定冷卻水是不可壓縮的層流，并且由于輻射換熱部分的熱量相對較小，因此不考慮輻射換熱。由于相變材料的性質比較穩定，忽略相變材料在融化和凝固時的各種變化。本文利用仿真軟件ANSYS FLUENT16．0 進行模擬。
通常情況下，考慮電池處于絕熱環境中時，電池在放電過程中的產熱率Q( 單位: W) 可通過下式計算得出:
電池在放電的同時也會吸收一定的熱量，這部分熱量
相變材料吸收的熱量
在組合模型電池熱管理系統中，冷卻水帶走的熱量
空氣會產生一定的自然對流，電池產生的一部分熱量會被空氣帶走。
展開 要注意的是，熱管理和電磁干擾屏蔽總是相關的。例如，電子設備工作時，電子系統溫度升高會導致電磁干擾屏蔽效率下降。此外，EMI屏蔽功能材料吸收電磁波并將其轉化為熱量，這也會影響電子設備的工作溫度。因此，迫切需要實現具有優異熱管理和電磁干擾屏蔽效果的雙功能材料。
數十億年來，生物進化出了復雜的功能系統，給人類留下了許多值得學習的場景。然而，對墨魚自電磁屏蔽偽裝的仿生研究很少涉及。許多大型海洋捕食者，如鯊魚，在很大程度上依賴于它們的嘴和鼻子上的敏感傳感器來捕捉其他獵物發出的電磁波。值得注意的是，當捕食者靠近時，墨魚會通過凍結呼吸來屏蔽其生物電磁場，從而保護自己不被發現。
受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發，可以合理設計一種基于自變形液態金屬網絡的新型智能EMI屏蔽功能材料，同時提供電子器件的自適應熱管理。液態金屬網絡的收縮可以屏蔽電子操作過程中產生的電磁波，就像墨魚在有被捕食風險的情況下屏蔽生物電磁場一樣。同時，收縮的液態金屬網絡還可以增強電子器件的散熱性能。
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成果掠影
近期，上海交通大學鄧濤教授和宋成軼教授受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發設計一種具有自適應電磁波干擾屏蔽和熱管理功能的功能材料。液晶彈性體基體賦予了LGN-LCE在熱激活下的動態自變形特性，從而使液態金屬網絡具有可調的導熱/導電性。隨著周圍溫度的升高，LGN-LCE的導熱系數可提高到10.3 W/mK，電導率可提高到4.3 × 105 S/m。這種導電性的提高有助于增強LGN-LCE的電磁干擾屏蔽性能，在X波段內，LGN-LCE的最小電磁干擾屏蔽效能可從48 dB提高到62 dB。
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背景介紹
聚合物基材料由于其優異的靈活性，重量輕，優良的可加工性和低成本的特點，在大功率微電子器件的熱管理方面引起了廣泛的關注。但是，大多數聚合物具有相對較低的導熱系數，范圍為0.1至0.5 W/mk。提高聚合物導熱性的一種簡單而有效的方法是將高導熱填料(如金屬、陶瓷
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
解決世界能源問題和減緩全球變暖需要創新的傳熱技術。通過利用傳熱領域的最新進展，可以開發出提高能源效率、高效利用清潔能源、減少環境污染和碳排放的創新解決方案。
新型傳熱技術的開發和實施對于應對全球能源和環境挑戰以及確保電子元件的可靠運行至關重要
來源 | Applied Thermal Engineering
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背景介紹
隨著互聯網的突飛猛進和數據中心規模的不斷擴大，5G、大數據等新興技術走進人們的日常生活。數據中心的規模和數量也在不斷增加，能源消耗急劇增加。因此，節能降耗已成為人們的關注焦點。然而，空調制冷系統的能耗占整個數據中心能耗的
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背景介紹
隨著電子器件的廣泛使用和集成電路的精細化和小型化，電子器件功率密度的不斷提高，單位時間內產生的大量廢熱將積聚在電子器件內部。大多數高精度電子器件對溫度波動極為敏感，因此對穩定的工作溫度有很高的要求。此外電子設備在運行過程中不可避免地會產生高頻電磁波的危害
來源 |
Nature Communications，傳熱傳質青委會
原文 | https://doi.org/10.1038/s41467-023-39289-5
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背景介紹
微通道流動沸騰傳熱是一種較為理想的氣液兩相散熱技術，具有散熱效率高、均溫性好等獨特優勢，在100W/cm2以上量級高熱流密度功耗元器件冷卻散熱領域具有廣闊的應用前景
來源 |
Journal of Energy Storage
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背景介紹
鋰離子電池在電壓、能量密度、自放電率和循環壽命方面與其他儲能電池相比具有不可替代的地位，廣泛應用于電動汽車和儲能系統中。隨著電池材料和結構的發展，鋰離子電池的能量密度也在不斷提高。隨著電池能量密度的不斷提高，對電池的熱安全性提出了更高的要求
CAE技術在汽車行業的應用從最初的線彈性部件分析到汽車結構中大量的非線性問題分析，到現在汽車疲勞壽命分析、NVH分析、碰撞模擬等，CAE分析幾乎涵蓋了汽車性能的所有方面。小到螺栓預緊力分析，大到整車碰撞模擬和整車NVH（噪聲、振動和聲振粗糙度）分析，CAE分析都發揮了無可替代的優勢和作用。CAE分析范圍覆蓋了結構、流體力學、多體動力學、被動安全、工藝、整機合整車性能等方方面面。
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為了更加有效地控制電動汽車電池的工作溫度，研究了一種鋁板/相變材料/液冷電池熱管理系統散熱結構，采用CFD 軟件模擬仿真。研究了鋁板厚度、水管數量、質量流量、導熱系數、相變溫度和進水溫度等因素對電池散熱的影響。通過對電池溫度場的模擬仿真，合理控制因素之間的相互影響，將參數取值進行優化，使電池的最高溫度和最大溫差能夠控制在44．19 ℃和3．18℃，此溫度能夠很好地滿足電池的工作溫度，表明鋁板/相變材料
