2.1 基板温度分布分析
2.1.1 PCM的影响
对实验外壳在0°～90°的不同倾角下，测试了5种不同几何形状散热片对PCM基散热器热性能的影响。
测量加热器表面上的9个均匀分布的测点[Th1～Th9，图3(a)所示]温度，以评估每个散热器配置(含和不含PCM)的热行为。对于不同散热片倾角，其各测点温度变化的时间历程如图4～6所示。
从图中可以看到，对于没有PCM的情况，在给定的翅片数下，基础温度在短时间(2～5 min)内就急剧上升到最大允许温度(T=70 ℃)，倾角对其几乎没有影响。结果还表明，翅片数的增加对各倾角的温升速率影响有限，其原因主要是空气的导热系数和蓄热能力低，导致传热不良。
而对于有PCM的情况，曲线图显示温度变化率与翅片数和倾角之间存在一定的关系。在初始阶段(t<3 min)，基体温度随时间急剧上升，并迅速过渡到相变材料的熔化温度，其范围为35～37 ℃。在这一时期，相变材料处于固相状态，热量传导通过相变材料扩散。在达到熔点温度后，相变开始(t>3 min)，并且在基板和散热片周围最初形成一层薄液态PCM。因此，更多的热量以潜热形式被PCM吸收，温升减慢。在这个时间段内，浮力相对弱于黏性力，主要的传热机制是热传导。随着时间的推移，浮力随着熔体分数的增加而克服黏滞力，在液相区形成对流，反过来又直接增强了相变区域内的传热，使温升比前期下降更多。当液体组分占据主导地位后，由于热量以显热形式储存，基础温度又随着时间的推移而升高。在图6(d)中可以很容易地观察到这些基本温度的趋势，在t=1 min时即达到PCM熔点温度；t=1～7 min阶段中热量以潜热形式传导，温升变化率相比前段下降了90%；t=7～36 min阶段中液相区对流传热起主导作用，温升变化很小；从t>36 min开始到最大允许温度70 ℃，液态PCM占据主导地位，热量以显热形式存储，温升变化率相比前一阶段又增加了5倍。
2.1.2 翅片数和倾角的影响
对于给定倾角的散热器(如图4～6所示)，因具有较高的扩散传热面积，从而提高了相变材料的导热系数，并引起了液体相变材料中的混合流动，更多的热量通过对流传热被PCM吸收，基础温度随翅片数的增加而降低。例如，对于有PCM的情况，从图4(d)和(f)中可以很容易看出，在0°倾角下t=28 min时，1个翅片的最高温度70 ℃，5个翅片的最高温度为62 ℃，最高温度低11%。同时还可以看到，5个翅片达到最大允许温度所需的时间为50 min，与1个翅片的情况(28 min)相比增加了78%。除了初始阶段(t<3 min)外，自然对流是控制相变材料熔化速率和传热速率的主要传热方式。在这种模式下，传热强烈地依赖于相邻翅片之间形成的PCM对流循环。当翅片数较大时，由于相邻两个翅片之间的间距较小，导致流动阻力较大，因此流体运动的强度减弱，传热速率降低。如图4(d)～(f)所示，达到最高允许温度的时间由28 min逐渐增加到50 min。图5和图6显示了倾斜角度对1、3和5个翅片情况下的基础温度变化的影响。与倾角为0°状态相比，在给定的时间和翅片数下，可以清楚地看到，随着倾斜角度的增加，基底温度逐步减小。如图5(e)和6(e)所示，翅片数为3片、t=40 min时刻，基底温度从倾角为45°时的64 ℃下降到倾角为90°时的58 ℃，降低了9%。这种减少可归因于两个主要原因：一方面是浮力诱导流的大小随倾角的增大而增大，浮力诱导流撞击到大的固体PCM区域；另一方面是液体PCM区的扩张，使得在PCM区域中形成的对流得以生长。倾斜角度对于1个和3个翅片的影响比5个翅片的情况更明显，如图5(d)～(e)所示，倾角为45°，t=40 min时1个翅片的基底温度由68 ℃下降到3个翅片的62 ℃，5片翅片与3片翅片相比基底温度基本没有变化，这种现象可归因于翅片增加时局部流动速度的降低。
2.2 PCM介质内的温度分布
图7和图8给出了PCM区域中轴面上特定位置处[图3(b)]PCM温度的时间历程，对于散热器的垂直和水平方向，翅片数的不同值分别如图7、图8所示。在垂直方向上(0°倾角，图7)，PCM区域上半部分(T52)的温度明显高于下半部分(T12)的温度，主要原因是浮力效应促使高温液体PCM向上运动。对于水平方向(90°倾角，图8)，特定位置处(T12～T52)的温度变化趋势基本相似，由于形成了三维贝纳德对流，从而在PCM液体内诱导了有效混合。结果还表明，对于所有的倾斜角度，每个选定位置的PCM温度值都随着翅片数的增加而减小，图7可以明显看到这个趋势的变化，t=24 min时，基底T52温度从1片翅片的57 ℃逐步下降到3片时的55 ℃以及5片时的48 ℃。
