胡家渝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

基于Workbench的膨脹石墨相變材料熱沉優(yōu)化設(shè)計(jì)*

胡家渝

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

隨著彈載平臺(tái)飛行時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，速度越來(lái)越快，使用普通的熱設(shè)計(jì)措施，如利用器件或結(jié)構(gòu)自身的熱容來(lái)延緩核心器件溫度上升的做法已經(jīng)越來(lái)越不適用。文中對(duì)使用膨脹石墨PCM(相變材料)的彈載相變熱沉進(jìn)行了參數(shù)化建模及分析，利用Ansys Workbench的DM(Design Modeler)參數(shù)化分析流程，使用Icepak并結(jié)合虛擬比熱法進(jìn)行了計(jì)算，得出了影響某實(shí)際工程中PCM熱沉效能的幾個(gè)相關(guān)參數(shù)及其最優(yōu)值。

相變材料；膨脹石墨；優(yōu)化設(shè)計(jì)；虛擬比熱法

引 言

由于導(dǎo)彈的戰(zhàn)技指標(biāo)要求，其飛行速度越來(lái)越快，時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，彈體表面及附近處于高速、高溫的物理環(huán)境下，彈載電子設(shè)備散熱系統(tǒng)中完全沒(méi)有了外部的空氣熱沉。使用普通的熱設(shè)計(jì)措施，如利用器件或結(jié)構(gòu)自身的熱容來(lái)延緩核心器件溫度上升的做法已經(jīng)越來(lái)越不適用，必須找到一種可靠、安全且滿足飛行時(shí)間要求的熱沉。PCM(相變材料)及相變熱沉早已在文獻(xiàn)[1-2]中被提及，但是可參考的具體設(shè)計(jì)案例很少。本文對(duì)使用膨脹石墨PCM的彈載相變熱沉進(jìn)行了參數(shù)化建模及分析，并利用Ansys Workbench的DM(Design Modeler)的參數(shù)化分析流程，使用Icepak進(jìn)行了計(jì)算，得出了影響某實(shí)際工程中PCM熱沉效能的幾個(gè)相關(guān)參數(shù)及其最優(yōu)值。

1 相變熱沉的材料選擇及設(shè)計(jì)

1.1 PCM的選擇

在文獻(xiàn)[1-2]中提及的PCM是各種石蠟，因碳原子數(shù)量不同其相變溫度也不同。相變溫度隨碳原子數(shù)量的增加而增加。在實(shí)際工程中，直接采用石蠟作為PCM主要有以下問(wèn)題：

1)石蠟固相與液相的體積變化過(guò)大；

2)石蠟發(fā)生相變生成液相后具有流動(dòng)性，容易引起電子設(shè)備某些功能器件的性能變化，如液相石蠟流到波導(dǎo)、微帶線上，且流動(dòng)將導(dǎo)致方向性問(wèn)題[3]；

3)石蠟遇高溫與可燃固體在一起容易起火，特別是在高溫的彈載平臺(tái)上；

4)石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)低，導(dǎo)致傳熱的擴(kuò)散熱阻較大，石蠟熱沉的效能將大大降低。

綜上所述，人們采取了各種方法對(duì)其進(jìn)行改性[4]，主要目的是降低流動(dòng)性、提高導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)在滿足此前提的情況下盡量提高材料的平均相變潛熱。目前主要采用金屬鋁泡沫摻入石蠟[5-7]或石墨片及金屬粉末摻入石蠟[8]的方式。采用新型的膨脹石墨加石蠟的方式在工程應(yīng)用上研究較少。膨脹石墨PCM是以石蠟為相變材料、以膨脹石墨為支撐結(jié)構(gòu)，利用膨脹石墨的多孔吸附特性，制備出的復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料。不同的石蠟含量有不同的相變溫度，將其熱壓到封閉腔體內(nèi)便形成了PCM熱沉。目前應(yīng)用的幾種膨脹石墨PCM的基本性能見(jiàn)表1。下文的設(shè)計(jì)與優(yōu)化采用74#材料。

表1 所涉及的不同PCM的物性對(duì)比

1.2 PCM熱沉結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際器件及結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了PCM熱沉框架，為使加工方便、測(cè)試便利，將PCM直接壓入網(wǎng)格腔體中形成PCM熱沉。器件直接和熱沉的底面接觸，通過(guò)傳導(dǎo)將熱量導(dǎo)入熱沉中，見(jiàn)圖1。

圖1 PCM熱沉結(jié)構(gòu)

2 PCM熱沉的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 PCM熱沉的參數(shù)化

待優(yōu)化熱沉結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖2及表2、3。在目前的優(yōu)化過(guò)程中需要變化的是長(zhǎng)度和寬度方向上的邊距e_dl、e_dw，及長(zhǎng)度方向上單元數(shù)量e_number。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，采用e_dl=e_dw即每個(gè)單元的各邊距完全相等進(jìn)行建模。采用a=b=V及e_number=c對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中V的取值為{1, 2, 3, 4, 5, 6}，而c的取值為{2, 3, 4}。為了降低建模的工作量，盡量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，裝配體零件之間采用UG關(guān)聯(lián)表達(dá)式(Inter-part Expression)將裝配體中零件之間的幾何尺寸參數(shù)相互關(guān)聯(lián)。當(dāng)c取不同值導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，每個(gè)PCM單元體自適應(yīng)變更幾何尺寸，同時(shí)自適應(yīng)調(diào)整裝配陣列的間距、數(shù)量參數(shù)。

圖2 PCM熱沉結(jié)構(gòu)參數(shù)

參數(shù)意義參數(shù)名 長(zhǎng)度方向邊距/mme＿dl 寬度方向邊距/mme＿dw 單元高度/mme＿h(yuǎn) 單元長(zhǎng)度/mme＿l 單元長(zhǎng)度間距/mme＿l＿pitch 長(zhǎng)度方向單元數(shù)e＿number 單元寬度/mme＿w 單元寬度間距/mme＿w＿pitch 裝配體x向陣列單元數(shù)p0＿array＿size 裝配體x向陣列間距/mmp1＿array＿offset 裝配體y向陣列單元數(shù)p2＿array＿size 裝配體y向陣列間距/mmp3＿array＿offset

表3 模型參數(shù)關(guān)系及取值

通過(guò)該方法，配合表3關(guān)系可大大提高建模速度。由于Ansys Workbench支持NX接口，因此可在DM中直接對(duì)以上3個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，同時(shí)使用DM的Electronic工具將參數(shù)化模型簡(jiǎn)化為Icepak中的單元體。只要c不變，更改a、b就可獲得不同的Icepak計(jì)算模型，且不同c值對(duì)應(yīng)的不同a、b值只需進(jìn)行一次Icepak物性參數(shù)及邊界的設(shè)置，大大加快了仿真分析速度。

本文主要對(duì)e_dl、e_dw及e_number進(jìn)行優(yōu)化，其他參數(shù)考慮到實(shí)際加工等因素暫設(shè)定為常數(shù)。裝配體模型由pp3.prt和相變單元pcem_e.prt裝配而成。

2.2 優(yōu)化的分析流程

將參數(shù)化模型導(dǎo)入DM中后，需要修改其默認(rèn)參數(shù)識(shí)別前綴“DS”為“e”才能在DM的參數(shù)列表中看到UG中設(shè)定的各參數(shù)，同時(shí)出現(xiàn)Parameter Set Bus。由于Ansys Workbench中沒(méi)有為Icepak列出專門的Analysis system，因此無(wú)法采用響應(yīng)面方法對(duì)應(yīng)的自動(dòng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化模式，只能采用半自動(dòng)模式，即人工修改參數(shù)，然后計(jì)算得到結(jié)果。Ansys Workbench中的流程圖如圖3所示。

圖3 Ansys Workbench中優(yōu)化流程圖

2.3 PCM建模及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 PCM建模

PCM的建模目前主要有3種方法：

1)通過(guò)界面追蹤結(jié)合VOF方法對(duì)PCM內(nèi)部流動(dòng)情況進(jìn)行詳細(xì)模擬，如文獻(xiàn)[9-10]，此方法計(jì)算量大，多用于研究液相可流動(dòng)PCM相變后的內(nèi)部形態(tài)及傳熱傳質(zhì)微觀現(xiàn)象；

2)焓-多孔介質(zhì)法(Enthalpy-Porosity technique)，該法多用于分析晶體的相變過(guò)程，計(jì)算量較第1種方法小，常用于分析連續(xù)鑄造等工藝過(guò)程；

3)等效比熱法/虛擬比熱法，多用于分析PCM整體的物理特性，計(jì)算量小。

在用于電子設(shè)備散熱的PCM中常常關(guān)心集總參數(shù)的結(jié)果，例如加熱熱源溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系，因此采用第3種方法比較合適。文獻(xiàn)[11-12]是在電子設(shè)備散熱中使用PCM計(jì)算的一些實(shí)例。等效比熱法的基本原理如下：

即對(duì)相變材料在相變區(qū)間的比熱進(jìn)行修改，修改為相變期間的相變潛熱與相變溫度范圍溫度差的比值。文獻(xiàn)[11-12]所用的膨脹石墨PCM的相變區(qū)間ΔT為2 ℃。

2.3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)一個(gè)加工實(shí)物對(duì)該建模方法的分析結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)物見(jiàn)圖4。

圖4 驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)物

加熱采用聚酰亞胺加熱膜，加熱功率控制在43 W。在腔體底板上打孔，使用OMEGA的T分度熱電偶配合Aglient 34970A數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每隔2 s采集一次溫度數(shù)據(jù)。環(huán)境初始溫度20 ℃，試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)與仿真分析結(jié)果對(duì)比

由圖5可見(jiàn)，該方法的精度在工程上可以接受。

2.4 優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)不同的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型及計(jì)算結(jié)果如圖6～圖11所示。計(jì)算模型沒(méi)有考慮蓋子及4個(gè)安裝耳。計(jì)算時(shí)間3 600 s，腔體材料為6061，為加快計(jì)算速度沒(méi)有考慮輻射換熱情況。溫度監(jiān)控點(diǎn)與測(cè)試時(shí)一致。瞬態(tài)計(jì)算考察的時(shí)間為1 h。

圖6 4單元熱沉(壁面厚度1、2、3、4、5、6 mm)

圖7 4單元熱沉底面監(jiān)控點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化

圖8 6單元熱沉(壁面厚度1、2、3、4、5、6 mm)

圖9 6單元熱沉底面監(jiān)控點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化

圖10 8單元熱沉(壁面厚度1、2、3、4、5、6 mm)

圖11 8單元熱沉底面監(jiān)控點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化

所得溫度隨時(shí)間分布曲線明顯可分為3部分：

1)第一顯熱段，吸熱主要由結(jié)構(gòu)和PCM的顯熱承擔(dān)；

2)潛熱段，該階段溫升曲線斜率明顯變小，主要由PCM的相變潛熱發(fā)揮吸熱作用；

3)第二顯熱段，PCM潛熱作用完畢，相變過(guò)程結(jié)束，熱量由結(jié)構(gòu)和相變后PCM的顯熱吸收。

所有仿真分析數(shù)據(jù)分布在一張透視圖上，如圖12所示。

圖12 所有仿真計(jì)算的溫度時(shí)間變化圖

同時(shí)，對(duì)典型時(shí)間位置處的溫度分布進(jìn)行了橫向比較(圖13～圖15)，所取時(shí)間點(diǎn)為其3個(gè)階段大約的中心時(shí)間位置，分別為360 s、1 440 s、3 060 s。

圖13 360 s時(shí)監(jiān)控點(diǎn)溫度比較

圖14 1 440 s時(shí)監(jiān)控點(diǎn)溫度比較

圖15 3 060 s時(shí)監(jiān)控點(diǎn)溫度比較

由圖13可見(jiàn)，在無(wú)相變發(fā)生時(shí)，熱點(diǎn)溫度的變化幾乎只和熱沉的質(zhì)量相關(guān)，質(zhì)量越大溫度越低。由圖14可見(jiàn)，當(dāng)相變開(kāi)始發(fā)生時(shí)，熱點(diǎn)溫度和熱沉的擴(kuò)散熱阻、相變發(fā)生的程度等密切相關(guān)，就優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果看，6單元最差，4單元最好。圖15表明，相變末端的溫度變化，其狀態(tài)和相變時(shí)接近。

圖16為3種壁厚下不同類型結(jié)構(gòu)溫度橫向比較，由圖可見(jiàn)，如果不考慮質(zhì)量和溫度控制時(shí)間，最優(yōu)結(jié)果是4單元6 mm壁厚結(jié)構(gòu)形式；如考慮到彈上重量控制問(wèn)題，最優(yōu)結(jié)果是8單元3 mm壁厚結(jié)構(gòu)形式。

圖16 3種壁厚下不同類型結(jié)構(gòu)溫度橫向比較

對(duì)于該結(jié)構(gòu)，其他特點(diǎn)還包括：

1)壁厚越薄，相變時(shí)間越長(zhǎng)，相差約300～400 s不等，但相變過(guò)程熱源溫度越高；

2)壁厚越厚，相變時(shí)間越短，但相變過(guò)程熱源溫度越低，相差5～7 ℃。

如果器件的溫度允許，且飛行時(shí)間很長(zhǎng)，宜選擇壁厚較薄的結(jié)構(gòu)。由于本項(xiàng)目對(duì)重量控制較為嚴(yán)格，最終選定3 mm壁厚、8單元的結(jié)構(gòu)形式。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)Ansys Workbench結(jié)合Icepak對(duì)采用膨脹石墨PCM的熱沉進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析，給出了一個(gè)工程實(shí)例的設(shè)計(jì)過(guò)程及優(yōu)化參數(shù)，對(duì)類似工程有參考意義。后續(xù)工作將通過(guò)分析熱沉內(nèi)部溫度場(chǎng)在與PCM耦合條件下的變化過(guò)程，從物理原理上進(jìn)一步總結(jié)該類設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

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胡家渝(1978-)，男，工程師，碩士，主要從事電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工作。

Optimization Design for Phase Change Material Heatsink of Composite Paraffin Expanded Graphite Based on Workbench

HU Jia-yu

(The10thResearchInstituteofCETC，Chengdu610036,China)

As the flying time and speed of missile increase, traditional methods such as using the structure′s own heat capacity to absorb the dissipated heat and control the temperature increase of core electronic components had met dilemma. This paper carries out parameterized modeling and analysis for missile platform phase change heatsink using composite paraffin expanded graphite PCM(phase change material). Several relevant parameters affecting the heatsink efficiency of a practical project and their optimized values are calculated by using the parameterized analysis flow of DM(Design Modeler) of Ansys Workbench and using Icepak and the method of virtual specific heat capacity.

phase change material; composite paraffin expanded graphite; optimization design; method of virtual specific heat capacity

2013-02-28

TK124；TP391.9；TB34

A

1008-5300(2013)03-0044-06