呂 倩

(西南電子技術(shù)研究所， 四川 成都 610036)

復(fù)合相變裝置導(dǎo)熱系數(shù)測試方法*

呂 倩

(西南電子技術(shù)研究所， 四川 成都 610036)

針對彈載、星載電子設(shè)備中短時(shí)、高功率、高熱流密度工作特點(diǎn)，采用以金屬泡沫為骨架填充石蠟類PCM(相變材料)的復(fù)合相變裝置是工程上重要的解決方案之一。在采用該傳熱加強(qiáng)模式的復(fù)雜結(jié)構(gòu)裝置的仿真計(jì)算過程中，復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定是影響仿真精度的難點(diǎn)之一。文中針對該類型裝置傳熱特性參數(shù)測試方法的工程化應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)研究，選取幾種常用的復(fù)合相變組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并將該研究成果運(yùn)用到某相控陣天線的溫度仿真計(jì)算中，印證了其良好的工程實(shí)用性和推廣性。

復(fù)合相變裝置；導(dǎo)熱系數(shù)；測試系統(tǒng)；數(shù)值仿真

引 言

隨著電子、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子元器件的集成程度和功率密度不斷提高，電子器件的耗散功率密度和發(fā)熱量越來越大。因此，散熱問題變得越來越重要，對熱管理技術(shù)的要求也更加嚴(yán)格[1]。尤其是軍事武器裝備領(lǐng)域，軍事電子設(shè)備中大量使用的微波功率器件和IGBT模塊等的熱流密度更高，散熱形勢更為嚴(yán)峻[2]。和地面、航空產(chǎn)品不同，彈載、星載產(chǎn)品由其自身的平臺條件限制，短時(shí)、高功率的工作特點(diǎn)制約，熱控技術(shù)成為諸多重大項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵因素，解決上述矛盾的一個(gè)有效途徑是發(fā)展快速、高效的相變儲能技術(shù)。相變儲能(Phase Change Thermal Storage，PCTS)技術(shù)是利用相變材料(Phase Change Material，PCM)在物相變化過程中的吸熱或放熱來儲能或釋能的，具有儲能密度大、儲/釋能過程溫度恒定等優(yōu)點(diǎn)，是緩解熱量生成和排放在時(shí)間、強(qiáng)度及地點(diǎn)上不匹配的有效方式。相變材料在彈載、星載電子元件溫控領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

固-液相變儲能裝置有良好的恒溫性以及巨大的相變潛熱，但是電子產(chǎn)品常用的相變材料(如石蠟類、無機(jī)鹽類等)普遍具有導(dǎo)熱率較低的缺點(diǎn)，難以滿足工程中快速相變響應(yīng)的實(shí)際需求。在相變裝置工程化研制過程中采用泡沫金屬或泡沫碳作為金屬骨架進(jìn)行傳熱加強(qiáng)是目前強(qiáng)化傳熱的重要措施之一。由于裝載平臺的限制，星載、彈載電子設(shè)備的相變儲能模塊的結(jié)構(gòu)往往是異型體，在填充了泡沫金屬或其他傳熱強(qiáng)化結(jié)構(gòu)后形成復(fù)合相變儲能模塊。如何獲得導(dǎo)熱系數(shù)的真實(shí)參數(shù)成為制約工程仿真計(jì)算的重要瓶頸，本文重點(diǎn)針對復(fù)合相變儲能模塊的導(dǎo)熱系數(shù)測試方法及后續(xù)工程應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 相變儲能裝置內(nèi)部的傳熱強(qiáng)化形式

國內(nèi)外對高導(dǎo)熱率相變材料開展了大量的研究工作，開發(fā)和研究高儲能密度、高導(dǎo)熱率、性能良好的復(fù)合相變材料是相變儲能技術(shù)的關(guān)鍵。針對該研究方向主要提出了兩種強(qiáng)化換熱的方法：1)通過添加劑的方式在相變材料中加入高導(dǎo)熱系數(shù)的物質(zhì)；2)以高導(dǎo)熱率的多孔介質(zhì)(金屬泡沫、石墨泡沫融合納米高導(dǎo)熱粒子、液態(tài)金屬)為骨架，PCM作為填充物制成復(fù)合相變結(jié)構(gòu)。本文采用以金屬泡沫為骨架填充石蠟類PCM的復(fù)合相變裝置進(jìn)行傳熱強(qiáng)化。

通過填充復(fù)合相變材料到金屬基體形成復(fù)合相變裝置來達(dá)到提高相變裝置導(dǎo)熱系數(shù)的目的。復(fù)合相變材料主要指性質(zhì)相似的二元或多元化合物的一般混合體系或低共熔體系、形狀穩(wěn)定的固-液相變材料、無機(jī)有機(jī)復(fù)合相變材料等。

典型的金屬泡沫如圖1所示。復(fù)合相變材料結(jié)構(gòu)的骨架有多種結(jié)構(gòu)形式，見圖2。

圖1 典型的金屬泡沫(銅泡沫及鋁泡沫)

圖2 復(fù)合相變材料結(jié)構(gòu)骨架典型種類

上述結(jié)構(gòu)形式的骨架與相應(yīng)的相變材料結(jié)合后形成復(fù)合相變儲能構(gòu)件，提高了熱傳導(dǎo)能力。但由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，只知道單一材料的導(dǎo)熱系數(shù)已無法滿足設(shè)計(jì)及仿真的需求，因此該類構(gòu)件導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法成為困擾工程設(shè)計(jì)及仿真的重要問題。

2 測試方法研究及試驗(yàn)

在兩片樣品中間放入TPS探頭進(jìn)行測試，探頭及測試方法示意見圖3。探頭的溫升是時(shí)間的函數(shù)，探頭既是溫度傳感器又作為加熱源(自加熱傳感器)，然后利用對應(yīng)的模型和邊界條件對響應(yīng)進(jìn)行分析[3]。

圖3 測試探頭及測試示意圖

根據(jù)TPS方法，我們將既是溫度傳感器又是加熱器的探頭放置在被測試件的中間，在探頭上輸入一個(gè)恒定的直流電。隨著溫度的升高，電阻發(fā)生變化，因此兩端的電壓也發(fā)生變化。通過記錄電壓和電流變化規(guī)律，從而得到被測試件的熱信息。使用hotdisk測量石蠟、泡沫銅導(dǎo)熱系數(shù)，見圖4。

圖4 使用hotdisk測量石蠟、泡沫銅導(dǎo)熱系數(shù)

實(shí)際測量時(shí)探頭的電阻變化可以表示為

R(t)=R0[1+αΔTi+αΔT(τ)]

(1)

式中：R0是探頭在瞬態(tài)記錄前的電阻；α是熱阻系數(shù)(TCR)；ΔTi為探頭和被測樣品完全接觸時(shí)溫度的實(shí)時(shí)上升值；ΔT(τ)是假設(shè)探頭和被測樣品完全接觸時(shí)的平均溫度上升值，

(2)

式中：P0是探頭釋放的熱；D(τ)是無量綱的時(shí)間函數(shù)；K是被測樣品的導(dǎo)熱系數(shù)；r是探頭的半徑；τ可以由下式得到，

(3)

式中：a是被測樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)；t是測試時(shí)間；Θ是特征測量時(shí)間，

將式(2)帶入式(1)，并設(shè)

R*=R0[1+αΔTi]

和

式(1)可寫為

R(t)=R*+CD(τ)

(4)

將測得的電阻R(t)對D(τ)作圖，應(yīng)當(dāng)?shù)玫揭粭l直線。通過反復(fù)擬合Θ值，使R(t)對D(τ)的直線的相關(guān)性達(dá)到最大。熱擴(kuò)散系數(shù)可以由a=r2/Θ得到，導(dǎo)熱系數(shù)由直線的斜率C計(jì)算得到。導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)際上是間接計(jì)算出來的，是擬合過程中的中間變量值。

根據(jù)TPS方法，我們測試了普通石蠟、萊卡Paraplast石蠟、高孔隙率泡沫銅、低孔隙率泡沫銅、加銅封板的泡沫銅、加封板焊接的泡沫銅、浸蝕石蠟后的高孔隙率泡沫銅的導(dǎo)熱系數(shù)，具體測試結(jié)果如表1所示。

表1 材料實(shí)測導(dǎo)熱系數(shù)值

選取5A06鋁合金、H62黃銅測量導(dǎo)熱系數(shù)是為了進(jìn)行測試方法的校準(zhǔn)。兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)根據(jù)相關(guān)手冊查閱分別為117 W/(m·K)、108.9 W/(m·K)，與采用TPS方法測試的結(jié)果的誤差在工程允許范圍內(nèi)，從而可以證明該測試方法在測量復(fù)合相變儲能裝置方面的可采信度。我們在某相控陣天線工程項(xiàng)目中采用了銅泡沫填充石蠟類PCM的復(fù)合相變裝置，采用 TPS法測得的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，取得了很好的工程應(yīng)用效果。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某短時(shí)工作的相控陣天線總的結(jié)構(gòu)體積尺寸為230 cm × 230 cm × 55.5 cm，共有256個(gè)T/R組件，工作時(shí)間為2 100 s，總熱耗達(dá)到137.4 W。由于工作時(shí)間短，熱流密度較大，熱源的熱流密度比較高，且均勻地分布在一個(gè)方形區(qū)域內(nèi)，因此采用了均溫板進(jìn)行小溫差傳熱，同時(shí)選用以銅泡沫作為骨架的復(fù)合相變溫控裝置作為熱沉進(jìn)行溫控。該設(shè)備工作的最高環(huán)境溫度為55 ℃，環(huán)境溫度在5 min內(nèi)增至85 ℃并保持穩(wěn)定。綜合上述條件，本項(xiàng)目中擬采用的相變材料相變溫度點(diǎn)為65 ℃，相變潛熱為180 kJ/(kg·K)，密度為820 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)采用上文中的方法測得為18 W/(m·K)。天線的仿真模型如圖5所示。

圖5 天線結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上述條件進(jìn)行仿真建模，經(jīng)過2 100 s時(shí)設(shè)備整體的外表面溫度分布如圖6所示，芯片安裝面的溫度如圖7所示，最高安裝面溫度為83.74 ℃。根據(jù)芯片廠家提供的資料，芯片結(jié)殼熱阻Rjc=15 ℃/W，芯片最高結(jié)溫Tjmax=150 ℃，芯片功耗為379 mW，計(jì)算出芯片的實(shí)際工作最高結(jié)溫Tj=89.4 ℃<150 ℃，滿足降額使用的要求。

圖6 2 100 s時(shí)設(shè)備表面溫度

圖7 芯片安裝面溫度

設(shè)備Z向剖視的溫度分布云圖如圖8所示。從云圖中可以看出相變材料溫度基本在72 ℃左右，相變材料已全部相變，很好地實(shí)現(xiàn)了溫度控制的作用。

圖8 設(shè)備Z向剖視的溫度分布云圖

圖9為相變材料中心區(qū)在2 100 s時(shí)間歷程內(nèi)溫度變化曲線。圖中有明顯的材料相變平滑段，銅泡沫傳熱加強(qiáng)的復(fù)合相變裝置性能良好。將通過TPS方法測試的復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)作為仿真分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了詳細(xì)的瞬態(tài)仿真計(jì)算，最終計(jì)算結(jié)果滿足工程需求。

圖9 相變材料中心區(qū)溫度變化曲線

4 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了金屬骨架傳熱加強(qiáng)的復(fù)合相變結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)熱系數(shù)的TPS測量方法，并對工程中常用的幾種傳熱加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測量。針對某相控陣天線中采用的銅泡沫填充石蠟類PCM形式的復(fù)合相變裝置，運(yùn)用TPS法測試其導(dǎo)熱系數(shù)，并將該實(shí)測數(shù)據(jù)運(yùn)用到實(shí)際仿真計(jì)算中，取得了很好的工程應(yīng)用效果。后續(xù)我們將在各廣泛的傳熱加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式中開展深入研究，以期滿足更多類型工程項(xiàng)目的實(shí)際需求。

[1] 劉菊. 固體界面接觸熱阻及導(dǎo)熱系數(shù)測量的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2011.

[2] PRICE D C. A review of selected thermal management solutions for military electronic systems[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2003, 26(1): 26-39.

[3] 趙世遷. Hot Disk法導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的開發(fā)[D]. 天津: 天津大學(xué), 2009.

呂 倩(1975-)，女，高級工程師，主要從事電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工作。

Test Method for Thermal Conductivity of Composite Phase Change Device

LV Qian

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,Chengdu610036,China)

Missile-borne and satellite-borne electronic facilities have the characteristics of short-time, high power and high heat flux. One of the most important solutions is using composite phase change device whichuses metal foam as its frame and is filled with paraffin PCM. During the numerical simulation for the device with complicated structure and this enhanced heat transfer, the determination of the heat conductivity coefficient of composite PCM is one of the difficulties which influence the simulation accuracy. The engineering application of the heat transfer parameters testing method for this type of device is mainly studied in this paper. Several commonly used composite phase change combinations are selected to perform testing and verification. The study result is applied to the temperature simulation of a phased array antenna, showing that it has good practicability and can be easily applied to relevant fields.

composite phase change device; heat conductivity coefficient; testing system; numerical simulation

2015-07-10

國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(JCKY2013210B004)

TK124

A

1008-5300(2015)05-0011-04