一種彈載電子產(chǎn)品儲(chǔ)熱裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李　響

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，　四川 成都 610036)

引　言

彈載平臺(tái)不同于地面、航空等其他領(lǐng)域平臺(tái)，其艙內(nèi)電子設(shè)備的散熱途徑非常有限，通常無(wú)法采用自然對(duì)流、強(qiáng)迫風(fēng)冷或液冷等常規(guī)方式散熱。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和武器裝備性能的快速提升，彈載電子產(chǎn)品的局部功率密度越來(lái)越高，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)熱裝置的熱容需求也越來(lái)越高。體積、重量直接關(guān)乎導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗能力，儲(chǔ)熱裝置在散熱途徑有限且熱容量接近飽和的情況下，難以通過(guò)增加體積、重量的方式來(lái)提升儲(chǔ)熱、散熱能力，因此，對(duì)提升儲(chǔ)熱裝置效能的研究是彈載產(chǎn)品領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一。

相變材料可在熔化過(guò)程中吸收大量相變潛熱并保持溫度相對(duì)穩(wěn)定[1]，其儲(chǔ)熱量往往高于同體積金屬材料。相變材料與導(dǎo)熱系數(shù)高的材料復(fù)合后，其導(dǎo)熱性能顯著加強(qiáng)，復(fù)合相變材料在溫控技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用日趨成熟。在彈載領(lǐng)域，復(fù)合相變材料是一種新型儲(chǔ)熱材料，其儲(chǔ)熱量大、重量輕、性能穩(wěn)定，比傳統(tǒng)金屬材料具有更優(yōu)異的溫控性能和減重效果[2]，應(yīng)用前景十分廣闊。

本文以某彈載電子產(chǎn)品的儲(chǔ)熱裝置為研究對(duì)象，主要介紹了該產(chǎn)品儲(chǔ)熱裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程。重點(diǎn)研究不同材料的金屬儲(chǔ)熱裝置和相變儲(chǔ)熱裝置的性能對(duì)比，得出各儲(chǔ)熱裝置性能特點(diǎn)，為該產(chǎn)品擇出最佳的儲(chǔ)熱裝置設(shè)計(jì)方案，并為相關(guān)材料儲(chǔ)熱裝置的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1　儲(chǔ)熱裝置的設(shè)計(jì)

1.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈載電子設(shè)備的組成分級(jí)依次為設(shè)備級(jí)、分機(jī)級(jí)、單元級(jí)，其中單元級(jí)是具有獨(dú)立功能和驗(yàn)收指標(biāo)的最小分級(jí)。單元級(jí)的體積和重量最小，散熱問(wèn)題最突出，需要使用高效儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)溫度控制，本文研究的儲(chǔ)熱裝置就是為一種彈載電子單元而設(shè)計(jì)的。該產(chǎn)品總熱耗為63 W，設(shè)備電路板上熱源分布如圖1所示，其中5個(gè)主要芯片的熱耗各為10 W，其余各處次要熱源為1 W或0.5 W。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，該產(chǎn)品的儲(chǔ)熱裝置外形為229 mm × 137 mm × 16.5 mm。最終設(shè)計(jì)的儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)外形如圖2所示，厚度方向的空間分布如圖3所示，本文將對(duì)比不同材料的儲(chǔ)熱裝置，各儲(chǔ)熱裝置樣件的結(jié)構(gòu)外形均與圖2、圖3一致。

圖1　電路板熱源分布

圖2　儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)

圖3　儲(chǔ)熱裝置厚度方向空間分布

傳統(tǒng)的儲(chǔ)熱裝置以金屬材料最為常見(jiàn)，金屬具有導(dǎo)熱系數(shù)高，物理性能穩(wěn)定、機(jī)械性能可靠、加工性好等特點(diǎn)。但隨著電子設(shè)備性能越來(lái)越強(qiáng)大，板級(jí)功率密度越來(lái)越高，而金屬儲(chǔ)熱裝置只能通過(guò)增加質(zhì)量和體積來(lái)提高儲(chǔ)熱量，其儲(chǔ)熱性能的局限性也越來(lái)越明顯。本文選用黃銅(H62)、鋁合金作為金屬儲(chǔ)熱裝置樣件，這兩種金屬材料的環(huán)境適應(yīng)性和力學(xué)性能都能滿足彈載電子設(shè)備的相關(guān)要求，并在軍工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是具有代表性的儲(chǔ)熱裝置工程材料。

復(fù)合相變材料儲(chǔ)熱裝置是由相變材料和導(dǎo)熱材料復(fù)合后，封裝于金屬殼體內(nèi)部制作而成的。相變材料種類繁多，從無(wú)揮發(fā)、密度小、熱膨脹率低、相變過(guò)程穩(wěn)定且可逆[2]等因素考慮，本文選用石蠟類固-液有機(jī)相變材料作為儲(chǔ)熱裝置填充工質(zhì)。石蠟相變材料儲(chǔ)熱裝置在相變過(guò)程充分完成的情況下，儲(chǔ)熱量高于同體積的上述兩種金屬材料，并且質(zhì)量也低于同體積的鋁合金。儲(chǔ)熱裝置體積一定的情況下，內(nèi)含相變材料越多，其儲(chǔ)熱量越高、質(zhì)量越輕。

石蠟類相變材料雖然具有很高的相變潛熱(不低于150 kJ/kg)，但其導(dǎo)熱性能很差，導(dǎo)熱系數(shù)不到10 W/(m·K)，而鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)通常在150 W/(m·K)以上。因此，相變材料儲(chǔ)熱裝置中，需要有導(dǎo)熱增強(qiáng)設(shè)計(jì)以提高復(fù)合后的整體導(dǎo)熱系數(shù)。常見(jiàn)的導(dǎo)熱增強(qiáng)材料有金屬粉末、泡沫金屬、泡沫碳等，綜合比較導(dǎo)熱性能、工程應(yīng)用成熟度與制作工藝性等因素，本文選擇泡沫銅作為增強(qiáng)導(dǎo)熱性的金屬骨架。

本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)熱裝置需滿足以下條件：環(huán)境溫度80 ℃，設(shè)備功耗63 W，連續(xù)工作3 min后，熱源殼溫不超過(guò)100 ℃。由此可知，最高溫升要求不高于20 ℃。因此，選用一種相變溫度為85 ℃的石蠟相變材料，其相變焓值約為250 J/g。

3種儲(chǔ)熱材料的物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1　3種儲(chǔ)熱材料的物性參數(shù)

石蠟類相變材料儲(chǔ)熱裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于：1)在體積一定的情況下盡量多填充相變材料；2)提高復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性，降低復(fù)合體與金屬殼體之間的熱阻；3)提升灌封技術(shù)的工藝性和成熟度。為了降低熱源接觸面的擴(kuò)散熱阻，將外殼與熱源接觸的導(dǎo)熱面的厚度設(shè)計(jì)為3 mm。由于相變材料儲(chǔ)熱量高、密度小，應(yīng)盡量多填充相變材料，最終設(shè)計(jì)填充石蠟60 g，填充區(qū)域厚度5 mm。導(dǎo)熱增強(qiáng)材料選骨架和孔隙直徑適中的20PPI泡沫紫銅，外殼為鋁合金(5A06)。為了降低導(dǎo)熱材料泡沫銅與鋁合金腔體的接觸熱阻，以過(guò)盈配合的方式將二者緊密貼合。

1.2　仿真及儲(chǔ)熱估算

已知兩種金屬材料的物性參數(shù)，通過(guò)瞬態(tài)熱仿真對(duì)兩種金屬儲(chǔ)熱裝置的溫控性能進(jìn)行評(píng)估，并得出儲(chǔ)熱裝置的溫度分布云圖，為測(cè)試點(diǎn)的布置提供參考。鋁合金儲(chǔ)熱裝置在工作3 min時(shí)的仿真結(jié)果如圖4所示，器件表面溫度最高96.22 ℃。銅合金儲(chǔ)熱裝置仿真結(jié)果如圖5所示，其溫度分布規(guī)律與圖4類似。仿真結(jié)果表明，銅合金(H62)儲(chǔ)熱裝置溫控性能好于鋁合金(5A06)，工作3 min時(shí)，銅合金儲(chǔ)熱裝置整體溫度比鋁合金低3 ℃。

圖4　鋁合金儲(chǔ)熱裝置3 min時(shí)表面溫度

圖5　銅合金儲(chǔ)熱裝置3 min時(shí)表面溫度

泡沫銅骨架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，石蠟在相變過(guò)程中的物性參數(shù)會(huì)有變化，兩者復(fù)合后，無(wú)法準(zhǔn)確建立仿真分析的數(shù)值模型，因此，通過(guò)實(shí)物測(cè)試來(lái)驗(yàn)證其性能會(huì)更為準(zhǔn)確。根據(jù)能量守恒，可以對(duì)相變儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱量進(jìn)行初步估算。

設(shè)備的發(fā)熱量可用式(1)估算：

Q1=PΔt

(1)

式中：設(shè)備熱耗P為40 W；工作時(shí)間Δt為180 s。求得發(fā)熱量Q1為7 200 J。

由于相變溫度區(qū)間為85 ℃±5 ℃，因此假設(shè)相變材料溫升ΔT為10 ℃，由式(2)可以求得相變材料儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱量。

Q2=mAlcAlΔT+mCucCuΔT+mPHΔhPH

(2)

式中：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后鋁合金殼體和泡沫銅的質(zhì)量mAl和mCu分別為480 g和50 g；cAl和cCu分別為鋁合金和泡沫銅的比熱容；填充相變材料質(zhì)量mPH為60 g；相變焓值ΔhPH為250 J/g。則在全部相變材料都完成相變的情況下，該儲(chǔ)熱裝置可儲(chǔ)熱19 600 J。

根據(jù)以上仿真及估算，3種儲(chǔ)熱裝置的理論儲(chǔ)熱量均可滿足要求。但由于相變儲(chǔ)熱裝置的溫升情況還受導(dǎo)熱系數(shù)和相變速度等因素的影響[4]，在工作時(shí)長(zhǎng)限定在3 min的情況下，相變過(guò)程的發(fā)生程度無(wú)法預(yù)計(jì)。

2　試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1　試驗(yàn)

由于溫度過(guò)載可能造成真實(shí)設(shè)備的芯片損壞，所以本試驗(yàn)采用發(fā)熱電阻作為熱源，用同等厚度的環(huán)氧玻璃布板模擬電路板。電阻散熱面與儲(chǔ)熱裝置間布置導(dǎo)熱襯墊，環(huán)氧玻璃布板螺裝在儲(chǔ)熱裝置上將各處電阻緊密壓貼，高靈敏度的熱電偶傳感器布置在電阻散熱面和導(dǎo)熱襯墊貼合面處。

為了測(cè)試儲(chǔ)熱裝置的性能，根據(jù)仿真結(jié)果圖4，選定3處溫度監(jiān)控點(diǎn)。點(diǎn)1為熱源殼溫最高處，即圖4中96.22 ℃處；點(diǎn)2與點(diǎn)1對(duì)應(yīng)且位于冷板背面，可反映儲(chǔ)熱裝置的導(dǎo)熱能力，即圖4中94.95 ℃處；點(diǎn)3為儲(chǔ)熱裝置遠(yuǎn)端溫度較低處，可反映儲(chǔ)熱裝置的整體溫升情況和對(duì)環(huán)境溫度的影響，即圖4中90.98 ℃處。

溫度試驗(yàn)在溫箱中進(jìn)行，各儲(chǔ)熱裝置處于同一工況下，環(huán)境溫度設(shè)置為80 ℃，導(dǎo)熱襯墊的導(dǎo)熱系數(shù)為5 W/(m·K)。在儲(chǔ)熱裝置和模擬熱源達(dá)到環(huán)境溫度并保溫2 h后開(kāi)始測(cè)試，測(cè)試時(shí)溫箱停止鼓風(fēng)。

2.2　結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。點(diǎn)1是熱源殼溫，設(shè)計(jì)要求工作期間點(diǎn)1的溫度不應(yīng)超過(guò)100 ℃。鋁合金儲(chǔ)熱裝置超過(guò)100 ℃，未滿足設(shè)計(jì)要求，銅合金、相變材料兩種儲(chǔ)熱裝置可滿足設(shè)計(jì)要求。其中“銅1”、“鋁1”試驗(yàn)結(jié)果比仿真結(jié)果偏高，分析是由于模擬熱源的接觸面積小于真實(shí)設(shè)備，熱源的熱流密度偏大所致，若采用真實(shí)熱源，點(diǎn)1處溫度將有所下降。由于試驗(yàn)中3種儲(chǔ)熱裝置的模擬熱源具有一致性，在對(duì)各儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行性能比較時(shí)，此偏差可不考慮。銅合金儲(chǔ)熱裝置點(diǎn)1處溫度比鋁合金低3 ℃，此結(jié)果與仿真一致?！跋?”曲線在1 min左右溫升幅度明顯減緩，說(shuō)明正在進(jìn)行相變。在前1 min 50 s內(nèi)，“銅1”的溫度低于“相1”和“鋁1”，此階段銅合金溫控性能最佳。隨著時(shí)間的增加，相變過(guò)程影響趨于明顯，1 min 50 s過(guò)后相變儲(chǔ)熱裝置溫控性能漸漸領(lǐng)先?？梢?jiàn)，觸發(fā)相變過(guò)程需要一定時(shí)間，在工作時(shí)間較短的情況下，銅合金由于導(dǎo)熱性優(yōu)良，具有更好的溫控性能，相變過(guò)程啟動(dòng)后，相變儲(chǔ)熱裝置溫控性能更佳。

圖6　各儲(chǔ)熱裝置的溫度曲線

圖7為各儲(chǔ)熱裝置在點(diǎn)1與點(diǎn)2、點(diǎn)3的溫差，反映了儲(chǔ)熱裝置的整體導(dǎo)熱性。試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)熱性從高到低依次是銅合金、鋁合金、相變材料?！跋?-2”溫差明顯高于“銅1-2”、“鋁1-2”，一方面說(shuō)明相變材料儲(chǔ)熱裝置整體導(dǎo)熱性能不如金屬，另一方面說(shuō)明相變材料儲(chǔ)熱量大，降低了點(diǎn)2處溫升速度。曲線“相1-3”較曲線“銅1-3”、“鋁1-3”有明顯的斜率變小，其原因是點(diǎn)1受相變過(guò)程影響，溫升減緩，點(diǎn)3遠(yuǎn)離熱源和相變材料，受相變過(guò)程影響相對(duì)較小。綜上所述，相變儲(chǔ)熱裝置的溫控性能和隔熱性能均為最佳。

圖7　各儲(chǔ)熱裝置溫差曲線

3　結(jié)束語(yǔ)

在3種儲(chǔ)熱裝置中，相變材料儲(chǔ)熱裝置最滿足產(chǎn)品需求。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在相變過(guò)程發(fā)生期間，相變潛熱發(fā)揮儲(chǔ)能作用，工作時(shí)間越長(zhǎng)，相變材料儲(chǔ)熱裝置的溫控優(yōu)勢(shì)越明顯。相變儲(chǔ)熱裝置質(zhì)量為0.59 kg，黃銅為2.4 kg，鋁合金為0.76 kg，當(dāng)熱負(fù)荷[5]具有短時(shí)、大功率和周期特點(diǎn)時(shí)，相變儲(chǔ)熱裝置具有儲(chǔ)熱多、質(zhì)量輕、熱隔離等多種優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

相變儲(chǔ)熱裝置的導(dǎo)熱性相對(duì)較低，一方面可以起到熱隔離的作用；另一方面，適當(dāng)提高導(dǎo)熱性可以使相變潛熱發(fā)揮更大的作用，增強(qiáng)儲(chǔ)熱裝置的溫控性能。因此，通過(guò)改進(jìn)工藝和設(shè)計(jì)來(lái)提升相變儲(chǔ)熱裝置的導(dǎo)熱性很有必要。

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