毛麗娜，胡文超，董國(guó)攀

（合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥230088）

引 言

彈載電子設(shè)備在工作中面臨著諸多限制，如空間密閉、狹小，無(wú)法供風(fēng)、供液和冷卻，受體積、重量限制，熱沉容量不夠，外部氣動(dòng)、加熱、導(dǎo)入等，在中段和末段工作的電子設(shè)備更是面臨著較高的工作環(huán)境初始溫度。

彈載電子設(shè)備短時(shí)工作的特點(diǎn)決定其多采用熱傳導(dǎo)及熱沉儲(chǔ)熱等被動(dòng)冷卻方式進(jìn)行散熱[1]。在嚴(yán)格的重量、體積限制條件下，有限的結(jié)構(gòu)材料熱沉容量往往難以有效吸納電子設(shè)備的熱耗。近年來(lái)，彈載電子設(shè)備的功耗增加，在工作末段散熱不足和溫度超限的情況愈發(fā)突出[2]。

相變儲(chǔ)能裝置是利用相變材料在相變過(guò)程中存儲(chǔ)或釋放熱量的特性實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫度控制的裝置，它同時(shí)具有能量?jī)?chǔ)存和溫度控制的功能[3–4]。利用相變材料為電子設(shè)備提供熱防護(hù)，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量被相變材料以熔化潛熱的形式吸收，設(shè)備溫度不會(huì)顯著升高。這種系統(tǒng)是完全被動(dòng)的，非常可靠[1,5]。本文針對(duì)某航天電子設(shè)備的熱控需求，基于固–液相變控溫技術(shù)完成了相變機(jī)殼的熱設(shè)計(jì)，同時(shí)利用金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了相變裝置與復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備機(jī)殼的共形設(shè)計(jì)，可供類似電子設(shè)備的熱控設(shè)計(jì)參考。

表1 設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱器件的工作時(shí)間及熱耗

1 概述

某航天設(shè)備的發(fā)熱器件（熱源）安裝基板布置在機(jī)殼的中間位置，在A，B 兩面安裝，熱源1—4安裝在A面，熱源5—10安裝在B 面，元器件的布局如圖1所示。

圖1 電源單元內(nèi)部元器件布局示意圖

元器件的熱耗量及工作狀況見(jiàn)表1，其中峰值功耗為174.7 W。設(shè)備的極限應(yīng)用條件為：環(huán)境溫度+60°C，海拔10 000 m，設(shè)備一次連續(xù)工作時(shí)間不少于4.5 min。器件溫升應(yīng)滿足或優(yōu)于III級(jí)降額，轉(zhuǎn)化為基板要求后，設(shè)備中熱源1的最高允許殼溫為85°C，其余發(fā)熱器件的最高允許殼溫為80°C。設(shè)備內(nèi)部各熱源在應(yīng)用條件下在各工作時(shí)間段的發(fā)熱量見(jiàn)表1，在此過(guò)程中器件累積的總熱量為31 870.2 J。

本文基于相變控溫技術(shù)完成了某航天電子設(shè)備機(jī)殼的熱設(shè)計(jì)，對(duì)比了以單純鋁合金及充裝相變材料鋁合金兩種殼體作為熱沉控制設(shè)備溫度的方案。同時(shí)，利用金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了相變裝置與復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)殼的共形設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 金屬機(jī)殼方案

設(shè)備鋁合金機(jī)殼結(jié)構(gòu)由機(jī)械加工成型，材料為2A12–T4，質(zhì)量約為2.2 kg，如圖2所示。在建模過(guò)程中，根據(jù)熱分析軟件建模以及設(shè)備自身的特點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要包括：1）簡(jiǎn)化了所有的螺紋孔、凸臺(tái)和筋；2）不考慮結(jié)構(gòu)件表面的粗糙度；3）省略了印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）、蓋板、螺釘?shù)扰c模塊無(wú)直接接觸的結(jié)構(gòu)，僅保留機(jī)殼和熱源自身，將機(jī)殼和熱源作為熱沉進(jìn)行分析計(jì)算。熱源自身高13 mm，其熱物性參數(shù)按照鋁合金進(jìn)行選取。

圖2 設(shè)備鋁合金機(jī)殼結(jié)構(gòu)示意圖

考慮空氣對(duì)流換熱和輻射換熱，在溫度+60°C，海拔10 000 m的應(yīng)用條件下，在4.5 min這一時(shí)刻的設(shè)備溫度云圖如圖3所示。最高溫度為83.46°C，出現(xiàn)在熱源1處，最低溫度為62.44°C，出現(xiàn)在機(jī)殼邊緣處，其余熱源溫度在73.91°C ～82.16°C之間，部分器件不滿足III級(jí)降額允許溫度要求。

圖3 電源單元元器件及殼體溫度云圖

2.2 相變機(jī)殼方案

2.2.1 殼體設(shè)計(jì)

相變材料又稱潛熱儲(chǔ)能材料，在相變蓄熱過(guò)程中可吸收或放出大量能量。與金屬材料相比，相變材料具有相變潛熱大、相變過(guò)程溫度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。例如，石蠟類相變材料的固液相變潛熱為220 kJ/kg，鋁合金材料的比熱容為921 J/（kg·°C），1 kg相變材料在相變過(guò)程中吸收的熱量可以讓1 kg鋁合金的溫度上升239°C。因此利用相變儲(chǔ)熱技術(shù)可以有效降低結(jié)構(gòu)重量，控制設(shè)備的溫度。

相變材料自身的導(dǎo)熱系數(shù)很低，容易造成設(shè)備內(nèi)部較大的溫度梯度，在一定程度上制約相變熱沉裝置的實(shí)際應(yīng)用，因此強(qiáng)化相變材料的傳熱十分必要。

提高相變裝置的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)常見(jiàn)的設(shè)計(jì)手段有：1）以金屬殼體作為基體封裝相變材料，并設(shè)置導(dǎo)熱增強(qiáng)筋；2）加入具有高導(dǎo)熱性能的填料，如短切玻纖、石墨、銅粉、鋁粉等。導(dǎo)熱增強(qiáng)材料與殼體壁面之間通常會(huì)產(chǎn)生接觸熱阻，而接觸熱阻會(huì)在一定程度上降低傳熱效率，影響相變控溫的效果[6–7]。

利用金屬3D打印逐層熔覆增材制造的方式可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部金屬導(dǎo)熱增強(qiáng)材料與相變裝置殼體的一體化制造，消除界面熱阻，有效提高相變裝置的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。出于熱容量最大化和輕量化的考慮，金屬3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)相變裝置與復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備機(jī)殼的共形設(shè)計(jì)，其成形的零件致密性好，能夠成形高精度復(fù)雜異形金屬零件，且具有組織性能好的特點(diǎn)[8]，在滿足強(qiáng)度要求的前提下可以盡可能地減小封裝體的壁厚，增大相變材料的填充量。

根據(jù)某航天電子設(shè)備的熱源分布，在熱源安裝基板內(nèi)部有熱源區(qū)域設(shè)計(jì)密閉的空腔填充相變材料，在殼體內(nèi)設(shè)計(jì)金屬點(diǎn)陣來(lái)強(qiáng)化導(dǎo)熱，其余非熱源區(qū)域不填充相變材料，在殼體內(nèi)僅設(shè)計(jì)金屬點(diǎn)陣來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和減重。

金屬成型材料選用AlSi10Mg（采用該材料的3D打印產(chǎn)品很多），經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理后其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到320 MPa。殼體厚度設(shè)計(jì)為1 mm，采用3D打印殼體和填充相變材料的方式，整個(gè)殼體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量預(yù)計(jì)在1.05 kg左右。根據(jù)累積熱量（31 870.2 J）計(jì)算，相變材料的充裝量預(yù)計(jì)在0.15 kg左右，整個(gè)相變機(jī)殼質(zhì)量約為1.2 kg。金屬3D打印的相變裝置殼體及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 金屬3D打印的相變裝置殼體及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

2.2.2 相變材料

對(duì)于用于電子設(shè)備溫控的相變材料，除考慮材料屬性、過(guò)冷度、相變溫度、相變潛熱值及可操作性等指標(biāo)外，還要考慮它與基體材料或添加物之間的相容性，因?yàn)樵撓嗳菪灾苯雨P(guān)系到相變材料的使用壽命。本文選擇與鋁合金相容性較好的石蠟類有機(jī)相變材料。

某航天電子設(shè)備的極限環(huán)境初溫為+60°C，末期溫度控制在+80°C以內(nèi)，基板內(nèi)部填充的相變材料的相變點(diǎn)應(yīng)位于60°C ～80°C之間?？紤]到設(shè)備的相容性、材料屬性、經(jīng)濟(jì)性及可操作性等，選用正二十八烷作為相變材料，其物理性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 正二十八烷的熱物理性質(zhì)

正二十八烷屬于有機(jī)類相變材料，其優(yōu)點(diǎn)是與大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料相容，無(wú)腐蝕，無(wú)過(guò)冷現(xiàn)象，化學(xué)熱性能穩(wěn)定，熔化時(shí)體積變化率小，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱率低。

2.2.3 熱分析結(jié)果

采用相變機(jī)殼方案，在某航天應(yīng)用條件下在4.5 min這一時(shí)刻設(shè)備的溫度云圖如圖5所示。最高溫度為74.99°C，出現(xiàn)在熱源1 處，最低溫度為60.00°C，出現(xiàn)在機(jī)殼邊緣處，其余熱源溫度為63.18°C ～73.58°C，所有模塊溫度均滿足III級(jí)降額基板最高允許溫度要求。

圖5 設(shè)備內(nèi)部器件及殼體溫度云圖

熱源1相變殼體安裝面的溫度曲線如圖6所示。從圖6可以看出，相變材料在61.8°C左右發(fā)生相變，有效抑制了發(fā)熱模塊安裝面的溫升。

圖6 熱源1相變殼體安裝面溫升曲線

2.3 方案對(duì)比

從溫度指標(biāo)情況來(lái)看，采用相變機(jī)殼的方案，熱源的溫度水平較鋁合金機(jī)殼有了顯著的改善，器件殼溫從73.91°C ～83.46°C降到63.18°C ～74.99°C，降低了10°C左右。

從質(zhì)量指標(biāo)情況來(lái)看，鋁合金機(jī)殼的設(shè)計(jì)質(zhì)量為2.2 kg，而且如果要滿足溫度指標(biāo)要求，則還需要進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量來(lái)增大殼體熱容。相變機(jī)殼采用金屬3D打印的形式，在內(nèi)部設(shè)計(jì)三維點(diǎn)陣，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)在局部填充相變材料，利用其潛熱有效抑制了模塊的溫升，降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，整個(gè)相變機(jī)殼的質(zhì)量約為1.2 kg，相比鋁合金機(jī)殼方案，其整體質(zhì)量降低了約45%。此外，金屬3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜零件的制造、減少零件的研制周期等方面相比傳統(tǒng)的機(jī)械加工成型方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某航天電子設(shè)備熱控需求，基于相變控溫技術(shù)完成了相變機(jī)殼的熱設(shè)計(jì)，并在相應(yīng)的制備方法上創(chuàng)新性地采用了金屬3D打印工藝及相變材料填充的集成技術(shù)。得出的主要結(jié)論如下：1）對(duì)比單純金屬熱沉方案，相變裝置使電子設(shè)備獲得了更優(yōu)異的散熱溫控效果，可供類似電子設(shè)備的熱控設(shè)計(jì)參考；2）金屬3D打印可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)相變機(jī)殼的有效成型和結(jié)構(gòu)輕量化，可顯著增強(qiáng)彈載電子設(shè)備的實(shí)用性。

金屬3D打印相變機(jī)殼的強(qiáng)化散熱方案在國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道，三維點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)參數(shù)（如單位體積內(nèi)胞元的大小、結(jié)構(gòu)、數(shù)量等）在強(qiáng)化相變材料散熱功能和潛力上的影響有待進(jìn)一步研究細(xì)化，期待該研究結(jié)果能在促進(jìn)高端裝備結(jié)構(gòu)的升級(jí)換代中起到一定的推動(dòng)作用。