电气电工电炮技术
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相变散热材料及其在电磁枪中的应用前景
三水合番 2018-4-9 14:05:58
相变散热是利用物质在相转变过程中的吸热来减少目标温升的一种散热方式。例如,邮寄生鲜时在保温箱中放入冰块,以使温度保持在零度左右(当然,本贴不是介绍在电磁枪里塞冰块来降温的)。常见的“相转变过程”有固-液(熔化),液-气(气化),固-固(晶形变化)。
常见的适合用于电磁枪散热的相变材料中,固-液相变的例如石蜡、三水合醋酸钠 、低熔点合金;液-气相变的例如水;固-固相变的例如新戊二醇,改性的聚乙二醇等。由于液-气相变不可重复使用,故之后不讨论这种情况。

电磁枪由于其效率较低(普遍低于10%),在连续发射时,系统产热约等于耗电功率。目前有连发能力的电磁枪,其耗电功率普遍在百W量级,大约相当于一个迷你版的小太阳。
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上图中的功率在300W左右,图片来自淘宝
其中的大部分功率将会消耗在线圈上。当然,由于功率总量比较大,因此尽管其它部分的发热功率占比较小,也可能会引起显著的温升。考虑到电磁枪结构上较为狭长且紧凑,如果希望各部分的温升在一个比较令人放心的程度,比如最高温度在100℃以下,使用常见的散热方式可能比较难以达到足够的散热效果(例如风扇),或者结构较为复杂(例如水冷)。

相变散热可以使用简单的结构、很小的体积和较低的重量达到足够高的散热功率。结构上,相变散热只需要保证相变材料能够直接或间接与热源接触,不需要考虑风道或者管路的设计。体积上,由于相变材料可以填充到各个空隙中,因此可以不需要或者仅需要少量额外的空间。重量上,常见的固-固和固-液相变散热材料的相变焓约为100~300J/g,而动力锂电的能量密度普遍在600J/g左右,考虑到系统中其它部分的热容以及温升过程中的散热,可能只需要电池重量两到三倍的相变材料,就可以保证直到电池电量耗尽,温升也始终在合适的范围内。散热功率上,有机相变材料如石蜡,导热率约为0.2W/(m*K),无机相变材料如三水合醋酸钠,导热率约为1W/(m*K),通过添加部分高导热率材料如膨胀石墨,可以大幅度提高相变材料的导热率到几至十几W/(m*K),基本上可以满足电磁枪的散热需求。

固-液相变材料
目前来看,最廉价易得的相变散热材料是石蜡。淘宝上随处可见十几元一公斤还包邮的石蜡。可能比较适合大范围的填充。石蜡是一种固-液相变材料,其熔解热与碳原子个数有关,具体数据参见下表[1]
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石蜡的优点在于单位重量的熔解热很高,且熔点比较合适,另外纯石蜡还是很好的绝缘体。石蜡的缺点在于密度低导致单位体积的熔解热较低,导热率低,且相变过程中体积变化较大,可能出现相分离的现象。

水合盐类相变材料的导热率相对较高,密度相对较大,单位体积的相变焓较高,且种类较多。然而有导电性而且可能造成腐蚀。用于电子元件的散热可能不太合适。

低熔点合金拥有极高的单位体积的熔化热和极高的导热率。例如熔点29.8℃的金属镓,拥有470J/cm3的熔化热,远超各种有机或水合盐相变材料,这主要得益于金属的高密度。缺点在于单位重量的熔化热惨不忍睹,以及价格较高(金属镓的价格目前在1.4元/g左右,约为银的一半)。有些廉价的低熔点合金比如熔点70度的铋锡铅镉合金,价格约为0.2元/g,不过有小毒。低熔点合金可能比较适合小范围的用于某些体积受限的场合,如电容充电电源的开关管。

固-固相变材料
固-液相变材料液化后容易泄露,密封结构上可能仍然较为麻烦。而固-固相变材料不需要容器承装,可以直接加工成型,且性能更加稳定。固-固相变材料中,较适合电磁枪的有多元醇类及高分子类。
多元醇类材料中较易得的有例如新戊二醇(NPG)、三羟甲基氨基甲烷(TAM)。研究较多的多元醇类材料及其性能见下表[2]
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还可以利用两种多元醇形成二元体系材料。多元醇类相变材料的缺点在于相变焓较低,且加热到固固转变温度后会由固晶变为塑晶,而塑晶的固体蒸汽压较高,易升华损失。

高分子类固固相变材料,大多数研究集中在改性聚乙二醇上。常见的有化学键联改性的聚乙二醇/二醋酸纤维素材料。不过这类材料市面上没有成品销售。而且需要的试剂和设备较多,制备这类材料对电磁枪来说跑题跑得有点远……

形状稳定的复合相变材料
用不熔的固态材料包裹或者混合普通的固-液相变材料,可以得到类似固固相变特性的复合相变材料。如使用共混法制备的聚乙二醇/二次醋酸纤维素材料,使用环氧树脂包裹的水合盐类相变材料。这类材料制备相对简单,成本也不高。也许可以考虑将其制成板材或块状,进行大范围的填充。参见[3]、[4]。


参考
[1]
[2]
[3]
[4]
2018-4-9 16:17:03
1楼
硫代硫酸钠呢?熔点48℃(没查到熔化热),可以吗?
三水合番(作者)
2楼
引用 浪里黑条:
熔点48℃的应该是五水合硫代硫酸钠,文献中提到的熔化热是209J/g。有一些关于五水硫代硫酸钠作相变材料的论文,看起来是一种比较典型的水合盐相变材料。
3楼
引用 三水合番:
的确,有些恒温的杯子就是在夹层里填充了五水合硫代硫酸钠,开水倒进去迅速降到48℃(温热),并且能长时间保持这个温度。
4楼
水的液-气相变能带走的热量很高,需要的量就相对少,补充起来也较方便,如果用大体积的其他材料,虽然不用补充,但是更容易导致设备笨重。
三水合番(作者)
5楼
再附上两篇看起来比较有意思的论文……用稻草和珍珠岩之类的东西做的相变材料,性能貌似也还不错的样子……


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千古风流
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