段燕波 王 維 王 玨 黃榮進(jìn) 李來風(fēng) 周 遠(yuǎn)

(1 中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(理化技術(shù)研究所) 北京 100190)

(2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

(3 松山湖材料實(shí)驗(yàn)室 東莞 523808)

(4 中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院 北京 100854)

1 引 言

隨著通信設(shè)備的發(fā)展,高性能,小型化的高溫超導(dǎo)濾波子系統(tǒng)對(duì)低溫環(huán)境的需求也逐漸放寬,散熱問題現(xiàn)在依舊靠傳統(tǒng)的風(fēng)冷來解決。小型低溫制冷機(jī)作為高溫超導(dǎo)濾波器子系統(tǒng)的重要組成部分,主要為濾波器提供一個(gè)穩(wěn)定的低溫環(huán)境,保證濾波器的靈敏度和穩(wěn)定性。

小型低溫制冷機(jī)由直線壓縮機(jī)、連接管及冷指組成[1],工質(zhì)在壓縮腔中被壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的壓縮熱,這部分熱量通過壓縮機(jī)殼體,冷指熱端向外部環(huán)境進(jìn)行排放。由于這部分熱量在有限時(shí)間內(nèi)不能及時(shí)排出,導(dǎo)致壓縮機(jī)和熱端溫度急劇上升,從而導(dǎo)致壓縮機(jī)效率降低,冷頭制冷效率下降,無法維持濾波器所需的溫度穩(wěn)定性,進(jìn)而會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行壽命和性能。為保證濾波子系統(tǒng)中的低溫源穩(wěn)定,需要讓制冷機(jī)溫度維持在一定范圍內(nèi)[2]。Tang 等人[3]于2017 年設(shè)計(jì)了一款基于自然對(duì)流,丙酮為工質(zhì)的冷卻翅片可散熱功耗為130 W,用于蒸汽室大功率LED的熱管理;Zhong 等人[4]于2020 年針對(duì)太陽(yáng)能集熱器設(shè)計(jì)了一款鋁型材的散熱翅片,在自然對(duì)流的條件下,可散熱負(fù)荷達(dá)到40 W。

本研究應(yīng)用Comsol 軟件對(duì)散熱翅片進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真模擬,在不同的加熱功率和不同模式散熱結(jié)構(gòu)下得到了其散熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布,同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)手段對(duì)具體的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性,最后分析了不同工況下的熱阻以及其散熱特性,提出優(yōu)化方案。

2 仿真模型建立及模擬

2.1 高溫超導(dǎo)濾波器子系統(tǒng)及散熱翅片三維模型

利用SolidWorks 軟件根據(jù)實(shí)物建立了用于高溫超導(dǎo)濾波器子系統(tǒng)中壓縮機(jī)和冷指散熱的翅片三維圖,如圖1 所示。主要散熱部分為壓縮機(jī)殼體以及冷指熱端,通過熱橋?qū)l(fā)熱部位和外部散熱殼體連接,將熱量傳輸至外部散熱殼體上經(jīng)過空氣自然對(duì)流散出。

圖1 小型低溫制冷機(jī)熱量產(chǎn)出示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat output for cryocooler

2.2 建立邊界條件及假設(shè)條件

將模型導(dǎo)入Cosmol 軟件中進(jìn)行模擬分析,壓縮機(jī)功率為2—12 W 可調(diào),因此將模型簡(jiǎn)化為圖2 所示,即散熱鋁板和一個(gè)熱源。

此翅片模型采用三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型為[5]:

式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);為x方向的溫度變化率,為y方向的溫度變化率,為z方向的溫度變化率。

模擬中所采用的自然對(duì)流傳熱系數(shù)利用公式[5]進(jìn)行計(jì)算:

式中:h為自然對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K);S為翅片間距,m;L為翅片長(zhǎng)度,m;H為翅片高度,m;ΔT=Th-Tamb為翅片表面平均溫度與環(huán)境間的溫差;β為熱膨脹系數(shù),1/K;k為空氣熱導(dǎo)率,W/(m·K);ν為運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s。所有空氣狀態(tài)參數(shù)均為膜溫度(T=(T)amb+Th)/2) 對(duì)應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)。

對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行材料物性設(shè)置,采用Cosmol 軟件中自帶的劃分網(wǎng)格方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理,模擬中采用如下假設(shè)條件:

(1)壓縮機(jī)和冷指熱端排放的熱量認(rèn)為全部由翅片和空氣自然對(duì)散出;

(2)忽略子系統(tǒng)中其它微弱發(fā)熱部件(如電源)散出的熱量;由散熱翅片具體情況以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的具體條件,將此模型邊界條件設(shè)置如下:模擬中設(shè)置環(huán)境溫度為23 ℃,自然對(duì)流傳熱系數(shù)設(shè)置為5 W/(m2·℃);采用第三類邊界條件求解,即:

(3)考慮散熱翅片對(duì)外散熱時(shí)的輻射換熱,鋁制翅片的輻射系數(shù)默認(rèn)為0.3 且不隨溫度改變而改變(室溫下為0.3);

(4)采用穩(wěn)態(tài)求解方式進(jìn)行求解,即模擬過程是在翅片達(dá)到穩(wěn)態(tài)(只考慮其穩(wěn)態(tài)解)熱平衡的條件下模擬的。

2.3 模擬結(jié)果與討論

如圖2 所示,采用Comsol 軟件對(duì)單純采用鋁制翅片散熱進(jìn)行模擬。功率變化區(qū)間為2—12 W,可以觀察到除中心加熱區(qū)域以外,其他區(qū)域內(nèi)溫度分布較為均勻,功率越大時(shí)其溫度分布越不均勻。同時(shí)由圖3 可以看出在環(huán)境溫度為23 ℃時(shí),隨著加熱功率的增加,鋁制翅片的最低和最高溫度基本呈線性增加,且隨著加熱功率的升高,翅片熱源位置和翅片末端的溫差是逐漸上升的。為避免熱源處溫度升溫過快,需要更加有效地將熱量散出。

圖2 12 W 和10 W 加熱功率時(shí)溫度分布Fig.2 Temperature distribution at 12 W and 10 W heating power

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示。主要包括散熱翅片,石墨烯導(dǎo)熱膜,加熱電源及數(shù)字多用表。熱源采用一個(gè)電阻為50 Ω 的加熱電阻,石墨烯導(dǎo)熱膜平面導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)802 W/(m·K),為清晰地分析其曾增強(qiáng)熱擴(kuò)散的能力,觀察了其SEM 圖,如圖3 所示,可以清晰地看到,其為層狀結(jié)構(gòu),總厚度約為0.3 mm。面內(nèi)熱導(dǎo)率高是由于多層μm 級(jí)的薄膜疊加而成,便于其在面內(nèi)傳導(dǎo)熱量,最終達(dá)到增大擴(kuò)熱量的目的。翅片溫度測(cè)點(diǎn)如4 所示,關(guān)注溫度的最大值和最小值,翅片中心熱源附近有溫度計(jì)。其溫度定義為Th和Tl表示鋁翅片的中心熱源溫度和翅片末端溫度;Ths和Tls分別表示鋁-導(dǎo)熱膜翅片的中心熱源處溫度和翅片末端溫度。

圖3 加熱功率對(duì)溫度的影響分析Fig.3 Influence of heating power on temperature

圖4 石墨烯導(dǎo)熱膜SEM 圖及翅片溫度測(cè)點(diǎn)分布Fig.4 SEM image of graphene thermal film and distribution of fin temperature measurement points

4 結(jié)果和分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5a 為加熱功率12 W,環(huán)境溫度為23 ℃時(shí),無高導(dǎo)熱石墨烯膜的鋁制翅片升溫曲線。從圖中可以看到,熱源附近溫度Th升溫速率很快,而翅片末端溫度Tl溫度響應(yīng)有部分緩慢。最終在此工況下最高溫度穩(wěn)定在58.2 ℃,最低溫度穩(wěn)定在53.3 ℃。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后整個(gè)鋁制翅片存在最大溫差 為5 ℃左右;同樣的,如圖5b 所示,當(dāng)把加熱功率設(shè)定為10 W 時(shí),達(dá)到穩(wěn)態(tài)后其最大和最小溫度分別穩(wěn)定在51.5 ℃和45.9 ℃,最大溫差穩(wěn)定在為5.6 ℃左右。由于單純采用鋁制翅片時(shí)熱擴(kuò)散性能沒有達(dá)到理想狀態(tài),還存在一定優(yōu)化的空間。為了提高給濾波子系統(tǒng)壓縮機(jī)和熱端散熱的能力,嘗試將高導(dǎo)熱石墨烯貼在鋁制翅片的背面以增加其熱擴(kuò)散能力,提高散熱效率。

如圖5a 所示,采集了增加導(dǎo)熱膜之后的溫度分布,可以發(fā)現(xiàn)在30 min 內(nèi)翅片溫度急劇上升,在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后熱源附近溫度點(diǎn)Ths穩(wěn)定在54.9 ℃,翅片末端溫度Tls穩(wěn)定在48.5 ℃,最大溫差為6.4 ℃左右;同理,圖5b 中當(dāng)功率為10 W 時(shí),最高溫度Ths和最低溫度Tls分別為48.8 ℃和43.6 ℃,溫差穩(wěn)定在5.3 ℃左右。對(duì)比圖5 a 和圖5 b 中的Th和Tl可以看到,當(dāng)增加導(dǎo)熱膜后最高和最低溫度都有明顯降低,功率為12 W 時(shí),最高和最低溫度分別降低了3.3 ℃和4.8 ℃;功率為10 W 時(shí),最大和最小溫度分別降低了2.7 ℃和2.3 ℃。且在圖5b 中,功率為10 W 時(shí),鋁翅片溫度Th和Tl達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間大約為80 min,而鋁-導(dǎo)熱膜翅片溫度Ths和Tls達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間為40 min,增加導(dǎo)熱膜后,將達(dá)到穩(wěn)態(tài)的溫度縮短了50%,可見增加導(dǎo)熱膜后散熱能力有一定的增強(qiáng),尤其當(dāng)功率更大時(shí)其效果會(huì)更加明顯。

圖5 加熱功率12 W 和10 W 時(shí)翅片溫度分布Fig.5 Fin temperature distribution for heating power of 12 W and 10 W

圖6 中展示了在不同功率下翅片的最大和最小溫度,可以看到,無論是鋁翅片還是鋁-導(dǎo)熱膜翅片,在2—6 W 內(nèi),其溫差有微小的增加,在8—12 W 范圍內(nèi),其溫差明顯增加?？傮w來看,溫度隨功率增加呈線性增加,與模擬結(jié)果基本一致。且無論最高溫度還是最低溫度,鋁-導(dǎo)熱膜翅片都比單獨(dú)鋁翅片有一定程度的下降,也說明導(dǎo)熱膜是有助于增強(qiáng)其散熱能力的。

圖6 不同加熱功率下翅片穩(wěn)態(tài)溫度分布Fig.6 Steady-state temperature distribution of fins under different heating powers

如圖7a 所示,為進(jìn)一步研究該散熱器在不同散熱工況下的散熱特性,在不同的熱負(fù)荷下對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。在2—8 W 范圍內(nèi)其穩(wěn)態(tài)溫度與圖6 中穩(wěn)態(tài)溫度基本一致,有部分差別是由于環(huán)境溫度的微小差異造成。在不同功率下,散熱翅片表面沒有明顯的溫度異常的情況。如圖7b 所示,在10 W-8 W-10 W變功率條件下,測(cè)試了導(dǎo)熱膜-鋁翅片8 W-10 W 間的散熱特性。在不同的功率下其表現(xiàn)沒有明顯異常,散熱特性良好,表明在不同的工況條件下其有良好的散熱能力。經(jīng)過10 W-8 W-10 W 熱循環(huán),鋁-導(dǎo)熱膜翅片依舊能保持良好的散熱能力,同時(shí)也證明鋁-導(dǎo)熱膜翅片對(duì)于濾波子系統(tǒng)的散熱能起到良好作用。

圖7 不同加熱功率下導(dǎo)熱膜-鋁翅片變功率特性Fig.7 Fin power characteristics under different thermal loads

4.2 兩種形式的散熱翅片性能評(píng)價(jià)

測(cè)試系統(tǒng)中翅片和環(huán)境之間傳熱的最大熱阻Rs以是評(píng)價(jià)散熱翅片的重要指標(biāo)。其定義如下:

式中,Rs為總熱阻,℃/W;Q為熱流量,W;Th和Tl分別為翅片上最高和最低溫度,℃。

不同熱負(fù)荷下兩種翅片和環(huán)境之間的傳熱熱阻如圖8 所示。結(jié)果表明,鋁翅片和鋁-導(dǎo)熱膜翅片和環(huán)境之間的傳熱熱阻均隨著加熱功率增加而降低,在2—12 W 熱負(fù)荷范圍內(nèi),兩種翅片的最大和最小總熱阻分別為4.5 ℃/W、3.05 ℃/W、2.93 ℃/W 和2.58 ℃/W,且鋁翅片的總熱阻均大于鋁-導(dǎo)熱膜翅片,同時(shí)也證明了鋁-導(dǎo)熱膜翅片散熱能力是強(qiáng)于單獨(dú)鋁翅片的。

圖8 不同加熱功率下翅片總熱阻Fig.8 Total thermal resistance of fins under different heating powers

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種用于高溫超導(dǎo)濾波器子系統(tǒng)中低溫壓縮機(jī)散熱的鋁-導(dǎo)熱膜熱擴(kuò)散器,在自然對(duì)流的條件下對(duì)鋁散熱器和鋁-導(dǎo)熱膜散熱器進(jìn)行了熱特性仿真和實(shí)驗(yàn)研究,將兩種不同模式的翅片進(jìn)行了對(duì)比研究,得到如下結(jié)論:在自然對(duì)流散熱方式下,鋁翅片在熱源附近的最高溫度為58.2 ℃,翅片末端最低溫度為53.3 ℃,可耗散的熱負(fù)荷為12 W,鋁-導(dǎo)熱膜翅片在熱源附近的溫度為54.9 ℃,翅片末端溫度為48.5 ℃,可耗散12 W 熱負(fù)荷;鋁-導(dǎo)熱膜翅片比傳統(tǒng)翅片的最高溫度和最低溫度都有明顯優(yōu)勢(shì),可明顯改善翅片升溫情況;對(duì)兩種翅片進(jìn)行了評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)兩種翅片和環(huán)境之間的傳熱熱阻隨熱負(fù)荷增加逐漸降低,但鋁-導(dǎo)熱膜翅片的傳熱熱阻一直低于鋁翅片,最大相差1.45 ℃/W。未來可以通過進(jìn)一步降低熱阻來進(jìn)一步提高濾波子系統(tǒng)的散熱能力。