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。
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]
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]
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]