張 立,王 升,趙 靜

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著航天深空探測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能芯片和大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的使用越來(lái)越廣泛。一方面，電子器件芯片的功率不斷增大，體積逐漸縮小，且大多電子器件的待機(jī)發(fā)熱量低而運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量大，短時(shí)溫升大[1-4]；另一方面，對(duì)溫度波動(dòng)的控制要求越來(lái)越高，這些要求給航天器熱控帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。因此，電子產(chǎn)品抗熱沖擊散熱問(wèn)題的解決對(duì)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)具有十分重要的意義[5-7]。

利用相變材料可以很好地解決這一問(wèn)題。但是，如果將封裝好的相變塊直接應(yīng)用到電子設(shè)備時(shí)，需要通過(guò)黏接、螺釘固定等方式與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組合，這種設(shè)計(jì)有以下弊端：首先，通常直接應(yīng)用相變塊會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量的增加；其次，相變塊與結(jié)構(gòu)接觸面的接觸熱阻往往成為整個(gè)導(dǎo)熱路徑上的瓶頸，從而無(wú)法充分發(fā)揮相變材料的性能；再次，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)受力學(xué)振動(dòng)沖擊的能力也較弱。與結(jié)構(gòu)一體成型的相變控溫裝置有效解決了上述幾項(xiàng)問(wèn)題。綜上，將相變材料與載荷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)合一體化設(shè)計(jì)是一種可靠性很高的被動(dòng)熱控手段。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和相變材料復(fù)合一體化裝置的性能取決于其中的相變材料，而相變材料雖然具有理想的比熱容和相變潛熱，但是其導(dǎo)熱能力較低，極大地限制了其導(dǎo)熱的效率[8-10]。因此，一般會(huì)在相變材料中分散加入高導(dǎo)熱的填料，如金屬翅片，泡沫金屬和碳纖維等，從而形成具有較高表觀導(dǎo)熱系數(shù)的相變控溫裝置[11-13]。Qu等[14]采用泡沫銅作為相變材料的導(dǎo)熱增強(qiáng)體，研究分析了泡沫銅的孔隙率和孔密度對(duì)相變熱沉熱控性能的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，添加了泡沫銅的熱沉具有更低的表面溫度，并且通過(guò)適當(dāng)降低泡沫銅的孔隙率或者孔密度，熱沉的表面溫度將會(huì)進(jìn)一步降低。Zhu等[15]研究分析了泡沫銅孔隙大小，以及泡沫銅填充比率對(duì)相變熱沉溫控性能的影響，得到了與Qu 同樣的結(jié)論，即增加泡沫銅的孔隙能夠有效地降低熱源的溫度。Alshaer等[16]研究分析了兩種泡沫碳(CF-20和KL1-250，CF-20的熱導(dǎo)率為3.1 W/(m·K)，KL1-250的熱導(dǎo)率為40 W/(m·K))對(duì)相變熱沉控溫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，高熱導(dǎo)率的KL1-250泡沫碳結(jié)構(gòu)能更加快速地將熱源處的熱量傳遞到他處，進(jìn)而有效地提升了相變熱沉的溫控時(shí)間。

在高導(dǎo)熱填料的選用方面，以碳材料為基體的常用的導(dǎo)熱增強(qiáng)材料有兩種，為膨脹石墨和泡沫碳；另外，銅是自然界中易獲得導(dǎo)熱性能的優(yōu)異金屬物質(zhì)。基于此，本文選擇膨脹石墨、泡沫碳和泡沫銅3種導(dǎo)熱增強(qiáng)填料進(jìn)行對(duì)比研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)相變儲(chǔ)熱裝置的測(cè)試是本課題的重點(diǎn)之一，為了給工程設(shè)計(jì)及仿真提供真實(shí)可靠的依據(jù)，熱測(cè)試選擇在試驗(yàn)室內(nèi)搭建專門測(cè)試環(huán)境。主要測(cè)試設(shè)備如表 1所列。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖 1所示。

表1 測(cè)試設(shè)備

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Testing site

在試驗(yàn)室環(huán)境下，以定制電加熱片代替實(shí)際熱源；將電加熱片粘貼在相變控溫結(jié)構(gòu)凸臺(tái)上元器件發(fā)熱位置，模擬實(shí)際熱耗情況。通過(guò)在加熱片和相變儲(chǔ)熱裝置上安裝熱電偶來(lái)測(cè)試在相變儲(chǔ)熱器工作情況和溫度曲線，相變擴(kuò)熱板上的熱耗分布如圖 2所示。采用此種方式可以與仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，校正仿真模型，為仿真參數(shù)的選擇積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 相變擴(kuò)熱板上的熱耗分布Fig.2 Heat distribution of phase change board

相變控溫裝置的性能依賴于相變材料，故為其選用合適的相變儲(chǔ)能材料非常關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)初步仿真計(jì)算，為了滿足航天電子產(chǎn)品元器件I級(jí)降額的熱設(shè)計(jì)要求，元器件殼溫應(yīng)在75 ℃以下，因此選擇相變溫度73 ℃附近的石蠟作為裝置相變材料。

本文試驗(yàn)對(duì)象為3種不同導(dǎo)熱增強(qiáng)材料且厚度不同的6種相變控溫裝置，3種導(dǎo)熱增強(qiáng)材料分別為：膨脹石墨、泡沫碳、泡沫銅，其填充情況如圖 3所示。

圖3 相變擴(kuò)熱板導(dǎo)熱增強(qiáng)材料填充情況Fig.3 Filling of thermal conductivity reinforcement materials for phase change plate

3種導(dǎo)熱增強(qiáng)材料的當(dāng)量熱物性如表2所列。6種相變控溫裝置的具體信息如表3所列。

表2 導(dǎo)熱增強(qiáng)材料當(dāng)量熱物性

表3 相變擴(kuò)熱板相關(guān)信息

相變儲(chǔ)熱裝置，需要設(shè)置較多的測(cè)試點(diǎn)，以得到更加全面的試驗(yàn)結(jié)果，在試驗(yàn)時(shí)設(shè)置的測(cè)試點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 相變擴(kuò)熱板溫度測(cè)點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of temperature measuring points in phase change plate

試驗(yàn)中將6種相變控溫裝置分別按規(guī)定的形式布置好，分別加載相同熱功率，在9 h內(nèi)對(duì)電源和各測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)檢測(cè)。

2 數(shù)值模擬

為了掌握相變控溫裝置的宏觀熱性能，了解某些特定位置的溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系，采用等效比熱法進(jìn)行建模。

等效比熱法的基本思路是將材料的潛熱等效設(shè)置為材料在相變點(diǎn)的比熱突變，將相變材料的相變吸熱——放熱過(guò)程中潛熱發(fā)揮的作用等效為材料在相變點(diǎn)上附加的一個(gè)比熱突變，以顯熱代替潛熱，可以大大降低建模難度和計(jì)算復(fù)雜度。

相變材料的理論等效模型可以表達(dá)為方程組：

(1)

式(1)中，C為材料比熱，Csp為固相時(shí)的材料比熱，Clp為液相時(shí)的材料比熱，Ce為材料溫度相變過(guò)程中的等效比熱，T為材料溫度狀態(tài)，Tstart為相變起始溫度，Tend為相變結(jié)束溫度；其等效的關(guān)系也可直觀表達(dá)為如圖5所示。

圖5 等效關(guān)系圖Fig.5 Equivalent relationship

其中關(guān)鍵是相變范圍內(nèi)等效比熱Ce相比固態(tài)時(shí)材料比熱Csp的增量，剛好等于相變潛熱除以相變溫度范圍，以保證在相變過(guò)程中，潛熱剛好等于額外附加的比熱的效果。

(2)

式(2)中，h為相變材料的潛熱，δT為材料相變的溫度范圍。

本課題利用有限元軟件對(duì)相變裝置的熱性能進(jìn)行仿真分析，選用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)量為119 086個(gè)，熱耗如圖 2所示，由于試驗(yàn)中邊界溫度隨時(shí)間變化，為了準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)過(guò)程，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，仿真邊界溫度為試驗(yàn)采集的實(shí)際數(shù)據(jù)。分析模型如圖 6所示。相變中間過(guò)程的溫度分布如圖 7所示。

圖6 分析模型及網(wǎng)格Fig.6 Analysis model

圖7 相變中間過(guò)程的溫度分布Fig.7 Temperature distribution during simulation

3 結(jié)果與分析

圖 8為6塊相變控溫板測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的試驗(yàn)曲線。從測(cè)試結(jié)果可以看出，不同位置的相變擴(kuò)熱板外殼都在73 ℃附近發(fā)生了相變，曲線在這個(gè)位置的斜率明顯放緩，相變材料擴(kuò)熱板在相變過(guò)程中溫升約5 ℃，證明相變材料確實(shí)在預(yù)定溫度下發(fā)生了相變，并有效吸收了電加熱片的熱耗。

圖8 6塊相變控溫板測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的試驗(yàn)曲線Fig.8 Test curves of temperature change with time at the measuring points on the 6 phase change board

使用相變控溫裝置的目的就是控制與擴(kuò)熱板接觸的器件表面的溫度。

正如預(yù)期的一樣，表面溫度一開(kāi)始上升的很快。在到達(dá)第一個(gè)臨界點(diǎn)To=65 ℃之前，所有曲線幾乎按照同一斜率增長(zhǎng)，即所有測(cè)點(diǎn)溫度勻速上升，此時(shí)相變材料并未發(fā)揮作用，導(dǎo)熱增強(qiáng)材料也并未影響散熱器熱傳遞初期的冷卻效果。

很明顯，在達(dá)到相變臨界點(diǎn)后相變材料開(kāi)始熔化，各條曲線開(kāi)始分離并且斜率都明顯減小，表明相變材料開(kāi)始發(fā)揮效用。熔化過(guò)程中，離熱源近的曲線更加平坦，這表明離熱源近的地方相變材料發(fā)揮的作用更強(qiáng)，散熱效果得到了更大程度的改善。相變材料吸收的能量大于總潛熱后，相變材料完全相變，溫度曲線斜率開(kāi)始增加。裝置呈現(xiàn)出與普通材料一致的溫升曲線。

通過(guò)對(duì)6塊相變板在相同邊界條件、相同熱耗情況下的對(duì)比，對(duì)比了2號(hào)測(cè)溫點(diǎn)達(dá)到75℃的時(shí)間，針對(duì)1#、3#、5# 3塊薄板，其用時(shí)長(zhǎng)短順序?yàn)椋?3#板>5#板>1#板，針對(duì)2#、4#、6# 3塊厚板，用時(shí)長(zhǎng)短順序?yàn)椋?#板>6#板>2#板，而對(duì)比薄板與厚板發(fā)現(xiàn)，厚板的相變穩(wěn)定時(shí)間明顯長(zhǎng)于薄板。以上試驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明：其一，擴(kuò)熱板厚度，即相變材料的用量對(duì)相變裝置的儲(chǔ)熱能力影響最大；其二，在相變材料體積相同的情況下，泡沫碳復(fù)合相變板的儲(chǔ)熱能力最強(qiáng)，其次是泡沫銅相變板，膨脹石墨相變板的儲(chǔ)熱性能最差。

在斷電冷卻過(guò)程中，溫度曲線出現(xiàn)了明顯的溫度穩(wěn)定過(guò)程，這一過(guò)程是相變材料從液態(tài)轉(zhuǎn)換為固態(tài)的過(guò)程，溫度基本維持不變，熱量進(jìn)一步耗散，通過(guò)對(duì)6塊相變板冷卻過(guò)程中恒溫段的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相變持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短順序仍為：4#板>6#板>2#板>3#板>5#板>1#板，這也證明了泡沫碳復(fù)合相變板的相變能力最強(qiáng)，膨脹石墨復(fù)合相變板的相變能力最差。

通過(guò)本課題可得出結(jié)論，在3種相變復(fù)合材料中，泡沫碳復(fù)合相變板的儲(chǔ)熱能力最強(qiáng)。

在與試驗(yàn)情況相同的邊界條件下，對(duì)相變板的相變過(guò)程進(jìn)行仿真，得到溫度隨時(shí)間的仿真溫度曲線如圖9所示。通過(guò)對(duì)6組仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到6塊相變擴(kuò)熱板升溫用時(shí)長(zhǎng)短順序依次為：4#板>6#板>2#板>3#板>5#板>1#板，與試驗(yàn)結(jié)論一致，這也證明了該套相變過(guò)程的仿真參數(shù)的合理性和有效性，可以用來(lái)作為后續(xù)相變過(guò)程熱仿真的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

圖9 6塊相變控溫板測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的仿真曲線Fig.9 Simulation curves of temperature change with time at the measuring points on the 6 phase change board

4 結(jié)論

本文分析了相變控溫裝置的試驗(yàn)情況，對(duì)裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：

1)相變控溫裝置的仿真計(jì)算中，根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)接觸熱阻、輻射系數(shù)進(jìn)行取值，相變裝置的綜合熱參數(shù)按照相變材料和封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行加權(quán)平均，利用等效比熱法對(duì)相變過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，最后得到的仿真值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的較好，從而很好地驗(yàn)證了本研究計(jì)算模型的可靠性和準(zhǔn)確性；

2)首先，從相同熱耗情況下對(duì)6塊相變控溫裝置的儲(chǔ)熱能力和熱響應(yīng)速率進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)熱板厚度，即相變材料的用量對(duì)相變裝置的儲(chǔ)熱能力影響最大，其次，在相變材料用量相同的情況下，泡沫碳復(fù)合相變板的儲(chǔ)熱能力最強(qiáng)，其次是泡沫銅，性能最差的是膨脹石墨；泡沫碳復(fù)合相變板的相變能力最強(qiáng)，膨脹石墨復(fù)合相變板的相變能力最差；因此，在3種相變復(fù)合材料中，泡沫碳復(fù)合相變板的儲(chǔ)熱能力是最強(qiáng)的，在今后的應(yīng)用中，優(yōu)先建議使用泡沫碳復(fù)合相變板。

在下一步的工作中，將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，研究得到更加精確的相變過(guò)程仿真方法，使數(shù)值計(jì)算可以更好地模擬和預(yù)測(cè)相變控溫裝置的熱性能，為相變控溫裝置的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)支撐。