彈載電子設(shè)備相變熱沉裝置散熱性能研究

尹本浩，劉芬芬，王 延

(中國電子科技集團公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

彈載電子設(shè)備相變熱沉裝置散熱性能研究

尹本浩，劉芬芬，王 延

(中國電子科技集團公司第二十九研究所， 四川 成都 610036)

文中介紹了一種用于彈載電子設(shè)備的相變熱沉裝置的設(shè)計方法及試驗研究。通過實驗對比了電子模塊在采用相變熱沉裝置、鋁塊和無熱沉3種情況下的工作溫度曲線，同時對比分析了相變熱沉裝置在不同熱流密度下的工作特性。結(jié)果表明，當熱源熱流密度較小時，相變熱沉裝置具有明顯的減緩熱源升溫的作用，對比鋁塊熱沉具有明顯的散熱功效。而隨著熱流密度的增加，其散熱優(yōu)勢逐漸減弱。同時，填料相變溫度點的選取和導熱增強體的設(shè)計，對相變熱沉裝置的散熱性能有很大的影響。

相變材料；熱沉；焓；熱流密度；散熱性能；熱傳導

引 言

航天、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、無法供風供液冷卻、體積重量限制、熱沉容量不夠、外部氣動加熱導入等多種苛刻條件。尤其是中段和末段工作的電子設(shè)備，其本身面臨著較高的工作環(huán)境初始溫度。隨著大規(guī)模集成電路和功率電子的日益普遍應用，彈載電子設(shè)備的散熱難題日益突出。

目前，彈載電子設(shè)備大多依靠自身的金屬結(jié)構(gòu)件來進行散熱[1-2]，即利用金屬結(jié)構(gòu)件的熱容，被動地蓄納電子模塊工作時耗散的熱量。在重量體積強限制條件下，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，彈載電子設(shè)備功耗增加，在工作末段散熱不足和溫度超限的情況愈發(fā)突出。

相變材料(Phase Change Materials, PCM)是指在特定溫度下，從一種聚集態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種聚集態(tài)的物質(zhì)，這一過程同時伴隨著大量儲熱或放熱的現(xiàn)象。本文采用固-液相變材料為填料設(shè)計彈載電子設(shè)備熱沉裝置，主要介紹相變熱沉裝置的設(shè)計要點、仿真分析與試驗結(jié)論。

1 相變熱沉裝置設(shè)計

彈載電子設(shè)備散熱的常用熱沉材料物性參數(shù)如表1所示。這幾種材料比熱容都較小，密度較高。相對而言，如圖1[3]所示，某相變材料處在相變溫度區(qū)間(圖中40 ℃～44 ℃)時，具有極大的焓值，從而可以吸納或釋放大量熱量。以相變材料為主體的電子設(shè)備熱沉裝置，主要有以下作用：1)以相變潛熱吸納電子設(shè)備廢熱，從而延緩器件工作發(fā)熱引起的溫度升高過程；2)相變過程中溫度較為穩(wěn)定，極大地緩解了電子器件的熱應力和熱沖擊；3)重量輕、吸熱量大，費效比得到提升。

表1 彈載電子設(shè)備常用熱沉材料物性參數(shù)

圖1 典型商用相變材料的焓值分布圖

1.1 相變材料的選擇

用于電子設(shè)備溫控的相變材料必須具備相變溫度區(qū)間與設(shè)備工作溫度區(qū)間匹配、相變潛熱高、相變可逆性好、熱穩(wěn)定性好、體積變化小、不易燃、安全性好等特點。如石蠟等烷烴類相變材料，相變潛熱可達160～250 kJ/kg，遠高于鋁合金和銅，密度僅約為0.8～0.9 g/cm3，能很好地滿足電子設(shè)備溫控需求，是相變熱沉裝置設(shè)計的常用選擇[4-6]。表2列出了常用商用相變材料的物性參數(shù)。

表2 常用商用相變材料[7]物性參數(shù)

注：Tm為相變溫度，ΔHf為溶解熱，ρ為密度。

粗煉石蠟和工業(yè)石蠟本身含有少量雜質(zhì)，具有雜質(zhì)帶來的弱酸堿性。本文選取的相變材料暫命名為PCM60、PCM44，名義相變溫度點在60 ℃、44 ℃，基于二十二烷系和二十四烷系等組份的精煉石蠟輔以改性添加劑能規(guī)避以上弱點。其物性參數(shù)：密度為800 kg/m3，導熱系數(shù)為0.2 W/(m·K)，固態(tài)比熱容為1 760 J/(kg·K)，液態(tài)比熱容為2 730 J/(kg·K)，相變潛熱值分別為176 kJ/kg和230 kJ/kg。

1.2 相變熱沉裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

相變熱沉裝置以中空的殼體結(jié)構(gòu)裝填相變材料封裝而成，結(jié)構(gòu)外形可以按需設(shè)計或共形設(shè)計，如圖2所示。出于熱容量最大化和輕量化的考慮，通常結(jié)構(gòu)設(shè)計中會盡可能減小封裝體壁厚、增大相變材料填充量。

圖2 不同結(jié)構(gòu)形式的相變熱沉裝置

相變熱沉裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點在于：1)相變過程中的抗膨脹力學設(shè)計；2)導熱增強設(shè)計。相變材料在固體-液體轉(zhuǎn)換過程中，會發(fā)生一定的體積膨脹或收縮，尤其是體積膨脹力巨大，封裝結(jié)構(gòu)支撐不住就會發(fā)生脹裂、變形、泄露等問題，造成相變熱沉裝置失效。如何有效化解這種膨脹力，關(guān)鍵在于設(shè)計思路的轉(zhuǎn)變：控制相變材料的填充量，即以高于工作最高溫度的融化態(tài)完成填充和真空封裝。同時，針對封裝體的薄壁結(jié)構(gòu)，減小跨距、輔以力學強度仿真進行校核計算。

相變材料有相變潛熱巨大的優(yōu)點，但同時存在導熱系數(shù)極低的問題，這極大地制約著相變熱沉裝置的散熱效率。提高相變熱沉裝置的名義導熱系數(shù)顯得非常必要。常見的導熱增強設(shè)計手段有：在相變材料中摻雜石墨、銅粉、鋁粉，或在封裝殼體內(nèi)設(shè)置金屬翅片作為導熱增強筋[4]，或采用泡沫銅、泡沫鋁、膨脹石墨基體吸附相變材料等措施[8-9]。本文基于后期批產(chǎn)穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的考慮，采用精細優(yōu)化設(shè)計的導熱增強筋，既穩(wěn)步提高了相變熱沉裝置整體的名義導熱系數(shù)，又能兼顧抗膨脹力學性能要求，同時簡化工藝工序，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 相變熱沉裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗設(shè)計

2.1 邊界條件

以一個功放電子模塊為工作對象，本文設(shè)計了如圖4所示的熱沉裝置。分別以實心鋁合金塊、填充PCM44和填充PCM60制作結(jié)構(gòu)外形完全相同的熱沉裝置，命名為HS00、HS44和HS60。表3為試驗熱沉樣本相關(guān)參數(shù)。

圖4 相變熱沉裝置工作示意圖

表3 試驗熱沉樣本

電子模塊的溫控要求是在工作中保持關(guān)鍵熱源器件的殼溫不超過85 ℃。本文評估各種熱沉裝置在室溫環(huán)境下(25 ℃)啟動工作的溫控性能和延時性能，以定性輔導后續(xù)工程設(shè)計。熱沉裝置與電子模塊采用螺釘螺接方式，接觸面有一定的平面度和粗糙度要求，均勻涂抹一層導熱硅脂。整體外表包覆保溫棉，隔離試驗環(huán)境和空氣對流的影響。采用OMEGA 0.127 mm的K型熱電偶測溫，傳送至NI 4353溫度采集模塊記錄，對電子模塊和熱沉均采用多點多面測溫取平均值。

2.2 理論蓄熱量計算

以熱源器件溫升至85 ℃為限，考慮一定的傳熱溫度梯度，假設(shè)此時試驗件達到名義溫度80 ℃的均溫體，可以按下式計算各類熱沉裝置的理論蓄熱量[10-11]。

Q=∑miciΔTi+mPHΔIPH

式中：mi為熱沉裝置及電子模塊組合體中各組分的質(zhì)量；ci為各組分的比熱容，包括金屬盒體、固態(tài)PCM和液態(tài)PCM等；ΔTi是各組分在相變前后各階段的溫升區(qū)間；mPH為填充相變材料的質(zhì)量；ΔIPH為相變焓值。

經(jīng)理論計算，HS00、HS44和HS60各熱沉裝置主體溫升至80 ℃所能吸收的熱量分別為30.7 kJ，49.5 kJ和46.9 kJ，對應于30 W電子模塊的可支持工作時間大約為17 min、27.5 min和26 min。實際工作中，還受到熱傳導速率、溫度梯度不均勻、相變材料內(nèi)部傳熱和熔化的遲滯性等影響[12]，因此以上推論可用于定性分析參考。

3 結(jié)果探討

3.1 設(shè)計仿真分析

相變散熱裝置的仿真分析有兩個目的：一方面可以以熱沉裝置的總熱容量和名義導熱系數(shù)為目標函數(shù)，優(yōu)化相變熱沉裝置的內(nèi)部增強筋設(shè)計；另一方面可以針對相變熱沉裝置的溫控可行性進行初步評估。與傳統(tǒng)仿真分析的不同之處在于相變材料的焓值分布圖決定了需要設(shè)置材料的熱物性參數(shù)為非定常參數(shù)表。本文主要通過仿真優(yōu)化分析優(yōu)化了相變熱沉裝置內(nèi)部的導熱增強筋設(shè)計。根據(jù)熱源器件的分布，導熱增強筋設(shè)定為非均勻的井字形隔筋，厚度0.8 mm，且開設(shè)各方向缺口以使各個隔筋小腔體互相聯(lián)通。

3.2 相變熱沉性能驗證試驗

電子模塊工作在30 W熱耗下時，使用不同熱沉裝置，從熱源器件測得的溫度曲線如圖5所示。可以看出，無熱沉、采用鋁塊熱沉HS00和采用HS44相變熱沉裝置條件下，電子模塊熱源器件的溫度升高到80 ℃的時間分別為9 min、18 min和45 min，HS44相變熱沉表現(xiàn)出明顯的溫控性能。

圖5 使用不同熱沉裝置的器件溫度曲線

由圖可見，無熱沉條件下，器件的溫度變化曲線呈快速近似線性的增長趨勢。在鋁塊熱沉HS00的作用下，器件的溫度曲線是較大斜率的凸形曲線。在相變熱沉HS44的作用下，溫度曲線的15 min前和40 min后均表現(xiàn)為凸形曲線形態(tài)，中間段在15 min至40 min呈現(xiàn)出一段溫升速率降低、斜率減小的凹形形態(tài)，溫度平緩上升，可以理解為該時間段內(nèi)相變過程正在發(fā)生。

3.3 不同相變填料的對比試驗

使用相變?nèi)埸c不同的PCM44和PCM60兩種材料制作了結(jié)構(gòu)相同的相變熱沉裝置HS44和HS60，在相同的電子模塊熱負載工作條件下，熱源器件的工作溫度曲線如圖6所示。

圖6 不同相變填料下的器件溫度曲線

圖中可以看出明顯的相變過程差異，即曲線的平緩段(假定此刻相變過程正在發(fā)生)熱源器件的溫度分別處于70 ℃～90 ℃和45 ℃～65 ℃，高于相變材料熔點10 ℃～30 ℃，這個溫度梯度反映的是電子模塊內(nèi)部和相變熱沉裝置內(nèi)的傳熱溫差。同時可以看出，該電子模塊在30 W熱耗下，若工作時長要求較短，則使用HS44能獲得更好的控溫效果；在工作時長超過50 min后，二者作用下的器件升溫趨勢接近，溫控性能基本一致。

3.4 不同加熱功率的影響

圖7為在電子模塊加載20～100 W不同熱功率條件下，使用相變熱沉裝置HS44的電子模塊中熱源器件溫度曲線圖。從該圖可以看出，隨著熱源功率的增大，熱流密度升高，模塊升溫逐漸加快，溫度曲線中的平緩段逐漸消失，相變材料的蓄熱與溫控功效明顯削弱。當熱源功率達到100 W時，使用該相變熱沉裝置相比無熱沉的情況，器件升溫到達80 ℃的時間僅延長約6 min，并且其溫控散熱性能還不如純鋁塊熱沉HS00，如圖8所示。該現(xiàn)象主要是因為相變材料及相變熱沉裝置的導熱率過低所致，熱傳導遲滯，熱源器件表面熱量累積。因此，相變熱沉裝置在超大熱耗、超大熱流密度的場景下具有較大的局限性。實際工程設(shè)計和使用中，應通過分析和測試，掌握相變熱沉裝置的應用邊界。

圖7 HS44熱沉加載不同功率下的器件溫度曲線

圖8 100 W大功率下的器件溫度曲線

3.5 高溫工作

圖9為電子模塊加載30 W熱功率條件下，HS60相變熱沉裝置分別在25 ℃和45 ℃環(huán)境中開始工作的器件溫度曲線。從中可以看出，在25 ℃環(huán)境下工作，溫度曲線明顯有一個平緩段，大約在70 ℃～90 ℃區(qū)間，持續(xù)時間約40 min。在平緩段前，溫度曲線斜率較大，在平緩段后，溫度曲線的斜率再次增大，這兩端都是因純粹依靠材料的定比熱容吸熱、熱容不足而引起的溫升近乎線性趨勢。當在45 ℃環(huán)境下啟動工作時，全程的溫度曲線斜率都沒有25 ℃環(huán)境啟動階段的斜率大，并且看不出明顯的相變發(fā)生平緩段。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和觀察HS60材料的焓值分布圖可知，在電子模塊啟動工作5 min內(nèi)，熱沉裝置溫度已部分達到55 ℃以上，已經(jīng)進入了HS60材料的相變發(fā)生區(qū)間(55 ℃～62 ℃)，可以理解為此后幾乎全程相變?nèi)刍荚诟鱾€局部逐步發(fā)生。結(jié)合3.3節(jié)試驗結(jié)論分析表明，相變材料的相變溫度區(qū)間與電子模塊的啟動溫度和許可最高工作溫度均應當保持一定的差距，設(shè)計中應權(quán)衡選取。

圖9 不同環(huán)境溫度啟動工作的器件溫度曲線

4 結(jié)束語

本文闡述了采用相變材料制作熱沉裝置解決彈載電子設(shè)備溫控需求的可行性，詳細介紹了設(shè)計要點和試驗過程。

試驗結(jié)論表明，在一般熱耗下，相變熱沉裝置對比鋁塊熱沉或無熱沉裝置，均能使彈載電子設(shè)備獲得更優(yōu)異的散熱溫控效果和減重效果。而相變熱沉裝置的應用中，對相變材料的相變溫度區(qū)間選取尤其重要。相變溫度區(qū)間應處于啟動環(huán)境溫度和器件工作最高許可溫度之間，建議均保持20 ℃左右的溫度差，這樣才可獲得較好的溫控效果。

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尹本浩(1983-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱力學技術(shù)研究。

Study on Heat Dissipation Performance of Phase Change Material Heat Sink in Missile Electronics

YIN Ben-hao，LIU Fen-fen，WANG Yan

(The29thResearchInstituteofCETC,Chengdu610036,China)

In this paper, the design method and experimental research of a phase change material (PCM) heat sink used for missile electronics are discussed. The operation temperature curves of electronic modules under 3 conditions of using PCM heat sink, aluminum block and working without heat sink are compared through experiment. The operation performance of PCM heat sink under different heat flux is also compared. Results show that PCM heat sink can apparently slow down the increasing of heat source temperature when heat flux is low, and it is much better than aluminum block as for heat dissipation performance. However, with the heat flux increasing, the heat dissipation performance of PCM heat sink gets worse. Also, it demonstrates that the selection of phase-transition point of PCM and the design of thermal conductivity enhancement structure have great influence on the heat dissipation performance.

phase change material; heat sink; enthalpy; heat flux; heat dissipation performance; thermal conductivity

2015-10-14

TN956；TK124

A

1008-5300(2015)06-0006-05