2.1 基板溫度分布分析
2.1.1 PCM的影響
對實驗外殼在0°～90°的不同傾角下，測試了5種不同幾何形狀散熱片對PCM基散熱器熱性能的影響。
測量加熱器表面上的9個均勻分布的測點[Th1～Th9，圖3(a)所示]溫度，以評估每個散熱器配置(含和不含PCM)的熱行為。對于不同散熱片傾角，其各測點溫度變化的時間歷程如圖4～6所示。
從圖中可以看到，對于沒有PCM的情況，在給定的翅片數下，基礎溫度在短時間(2～5 min)內就急劇上升到最大允許溫度(T=70 ℃)，傾角對其幾乎沒有影響。結果還表明，翅片數的增加對各傾角的溫升速率影響有限，其原因主要是空氣的導熱系數和蓄熱能力低，導致傳熱不良。
而對于有PCM的情況，曲線圖顯示溫度變化率與翅片數和傾角之間存在一定的關系。在初始階段(t<3 min)，基體溫度隨時間急劇上升，并迅速過渡到相變材料的熔化溫度，其范圍為35～37 ℃。在這一時期，相變材料處于固相狀態，熱量傳導通過相變材料擴散。在達到熔點溫度后，相變開始(t>3 min)，并且在基板和散熱片周圍最初形成一層薄液態PCM。因此，更多的熱量以潛熱形式被PCM吸收，溫升減慢。在這個時間段內，浮力相對弱于黏性力，主要的傳熱機制是熱傳導。隨著時間的推移，浮力隨著熔體分數的增加而克服黏滯力，在液相區形成對流，反過來又直接增強了相變區域內的傳熱，使溫升比前期下降更多。當液體組分占據主導地位后，由于熱量以顯熱形式儲存，基礎溫度又隨著時間的推移而升高。在圖6(d)中可以很容易地觀察到這些基本溫度的趨勢，在t=1 min時即達到PCM熔點溫度；t=1～7 min階段中熱量以潛熱形式傳導，溫升變化率相比前段下降了90%；t=7～36 min階段中液相區對流傳熱起主導作用，溫升變化很小；從t>36 min開始到最大允許溫度70 ℃，液態PCM占據主導地位，熱量以顯熱形式存儲，溫升變化率相比前一階段又增加了5倍。
2.1.2 翅片數和傾角的影響
對于給定傾角的散熱器(如圖4～6所示)，因具有較高的擴散傳熱面積，從而提高了相變材料的導熱系數，并引起了液體相變材料中的混合流動，更多的熱量通過對流傳熱被PCM吸收，基礎溫度隨翅片數的增加而降低。例如，對于有PCM的情況，從圖4(d)和(f)中可以很容易看出，在0°傾角下t=28 min時，1個翅片的最高溫度70 ℃，5個翅片的最高溫度為62 ℃，最高溫度低11%。同時還可以看到，5個翅片達到最大允許溫度所需的時間為50 min，與1個翅片的情況(28 min)相比增加了78%。除了初始階段(t<3 min)外，自然對流是控制相變材料熔化速率和傳熱速率的主要傳熱方式。在這種模式下，傳熱強烈地依賴于相鄰翅片之間形成的PCM對流循環。當翅片數較大時，由于相鄰兩個翅片之間的間距較小，導致流動阻力較大，因此流體運動的強度減弱，傳熱速率降低。如圖4(d)～(f)所示，達到最高允許溫度的時間由28 min逐漸增加到50 min。圖5和圖6顯示了傾斜角度對1、3和5個翅片情況下的基礎溫度變化的影響。與傾角為0°狀態相比，在給定的時間和翅片數下，可以清楚地看到，隨著傾斜角度的增加，基底溫度逐步減小。如圖5(e)和6(e)所示，翅片數為3片、t=40 min時刻，基底溫度從傾角為45°時的64 ℃下降到傾角為90°時的58 ℃，降低了9%。這種減少可歸因于兩個主要原因：一方面是浮力誘導流的大小隨傾角的增大而增大，浮力誘導流撞擊到大的固體PCM區域；另一方面是液體PCM區的擴張，使得在PCM區域中形成的對流得以生長。傾斜角度對于1個和3個翅片的影響比5個翅片的情況更明顯，如圖5(d)～(e)所示，傾角為45°，t=40 min時1個翅片的基底溫度由68 ℃下降到3個翅片的62 ℃，5片翅片與3片翅片相比基底溫度基本沒有變化，這種現象可歸因于翅片增加時局部流動速度的降低。
2.2 PCM介質內的溫度分布
圖7和圖8給出了PCM區域中軸面上特定位置處[圖3(b)]PCM溫度的時間歷程，對于散熱器的垂直和水平方向，翅片數的不同值分別如圖7、圖8所示。在垂直方向上(0°傾角，圖7)，PCM區域上半部分(T52)的溫度明顯高于下半部分(T12)的溫度，主要原因是浮力效應促使高溫液體PCM向上運動。對于水平方向(90°傾角，圖8)，特定位置處(T12～T52)的溫度變化趨勢基本相似，由于形成了三維貝納德對流，從而在PCM液體內誘導了有效混合。結果還表明，對于所有的傾斜角度，每個選定位置的PCM溫度值都隨著翅片數的增加而減小，圖7可以明顯看到這個趨勢的變化，t=24 min時，基底T52溫度從1片翅片的57 ℃逐步下降到3片時的55 ℃以及5片時的48 ℃。
