一種復合相變熱沉設計與散熱性能分析

林 佳，劉云峰，尹本浩，譚繼勇，陳顯才

（1. 中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都 610000；2. 火箭軍裝備部駐成都地區(qū)第四軍事代表室，成都 610052）

0 引言

彈載電子設備的發(fā)展趨勢是微小型化與高度集成化，而各種功能元器件的發(fā)熱功率大幅提升；如果發(fā)熱量未能及時有效耗散，就會造成熱量累積、溫度升高；當元器件的溫度超過其承受極限，會降低電子設備的可靠性，甚至失效[1]。據(jù)統(tǒng)計，電子設備功能的失效有55%是因其溫度超過限定值造成的[2]。因此，開發(fā)有效、可靠的散熱技術成為提高電子設備可靠性的關鍵措施之一。同時由于航天平臺的特殊條件限制，一般綜合使用熱管、熱電制冷、相變儲熱以及熱輻射等手段進行熱管理，這些散熱手段各有優(yōu)劣，應用場景也有所不同。對于系統(tǒng)平臺散熱能力有限、設備短時工作出現(xiàn)的超熱負荷、高熱流密度散熱問題，相變儲熱/散熱技術是最行之有效的技術手段之一。

相變儲熱/散熱技術是指利用固體相變材料（phase change material, PCM）在特定相變點溫度發(fā)生相變時吸收/釋放大量潛熱同時保持等溫或近似等溫的特性，將發(fā)熱設備溫度控制在一定范圍內的技術[3]。目前國內外相關領域已經(jīng)對該技術進行了大量研究和廣泛應用。Krishnan[4]發(fā)現(xiàn)將相變材料灌注到泡沫金屬內可使材料的熱導率和控溫能力顯著提升。凌子夜等[5]研究59 ℃和85 ℃兩種相變點的有機工質?膨脹石墨復合相變材料對模擬芯片的控溫特性，發(fā)現(xiàn)復合相變材料可以使芯片工作溫度控制在100 ℃以下的時間延長110%。張濤等[6]對泡沫銅復合相變儲熱裝置進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)泡沫銅作為填充材料能明顯改善相變儲熱裝置的整體性能。尹本浩等[7]研究了鋁熱沉、相變熱沉、無熱沉情況下電子設備的熱管理性能，驗證了相變熱沉的優(yōu)勢，同時對不同相變點的相變材料、不同環(huán)境溫度下的散熱性能進行了對比。馬預譜等[8]通過試驗對比研究了加裝鋁翅片和泡沫銅結構對石蠟儲熱性能的影響，結果表明前者儲熱性能更優(yōu)，而后者的儲能密度更高。

本文針對應用于彈載平臺的高功耗電子設備模塊，介紹了幾種不同結構形式的相變熱沉的封裝方法，并仿真分析、比較了它們的散熱性能；依據(jù)仿真結果并綜合各種產品化因素，進行優(yōu)化設計并制作熱沉樣件，然后對樣件進行散熱性能測試，并通過與仿真結果對比驗證仿真方法的可信度，旨在為后續(xù)彈載平臺設備或其他航天電子設備應用PCM進行溫控設計提供參考。

1 研究對象簡介

1.1 模塊結構布局

圖1為本文所研究的熱耗模塊結構示意，分為模塊功能部件和相變熱沉2部分，其中：模塊功能部件包含盒體、印制電路板（PCB）和功率器件；相變熱沉為在熱沉盒體中填充PCM的封裝結構。同時，本文對模塊本體中無關器件和結構進行簡化處理——僅保留主要功率器件，并將功率器件緊貼PCM熱沉盒體的對應凸臺。

圖1 熱耗模塊結構示意Fig. 1 Schematic diagram of the heat consumption module

1.2 模塊熱耗分布

模塊熱耗來自PCB上的各功率器件，計算模型中設置總熱耗為49.2 W，具體如表1所示。

表1 模塊熱耗分布Table 1 Heat consumption of the module components

功率器件熱耗分布及其與熱沉的對應位置如圖2所示。

圖2 熱源分布及其熱沉對應位置Fig. 2 Heat source distributions and corresponding heat sinks

2 相變散熱數(shù)學模型

針對流動和散熱問題，假設PCM相變前后密度保持不變，其控制方程即連續(xù)性方程、動量方程和能量方程分別為：

式中：u為速度；ρ為密度；P為壓力；μ為動力黏度；h為焓（含顯熱和潛熱）；k為導熱系數(shù)；T為溫度；S為源項。

對于固?液型PCM的仿真分析，文獻[9-11]主要介紹并對比了界面追蹤結合VOF法、焓?多孔介質法和等效比熱容法，因前2種方法需建立復雜模型且計算資源消耗巨大，故上述文獻均選擇了計算資源消耗較少且精度能夠滿足工程需求的等效比熱容法進行建模分析。

等效比熱容法忽略相變過程的微流動，將PCM的相變潛熱等效為顯性比熱容。對于理想PCM，相變發(fā)生在特定溫度點，其對應比熱容為無窮大值；而實際應用中材料的相變往往發(fā)生在某個溫度區(qū)間內，這就使得這個溫度范圍內的等效比熱容為定量的有限值，從而可以簡化計算。等效比熱容法的數(shù)學表達式為

忽略流動，將焓值代入，式(3)可簡化為

結合式(4)，則有

3 相變熱沉設計方式對比

根據(jù)相變熱沉的特點，其設計方式主要遵循以下原則：

1）盡量增強相變熱沉的綜合導熱性能和綜合潛熱；

2）封裝后無泄漏，且高、低溫下盒體不變形；3）盡量減少熱沉質量和封裝成本。

目前業(yè)內主流的相變熱沉設計方式有帶多孔骨架盒體灌封相變材料、帶隔筋盒體灌封相變材料和帶點陣金屬結構盒體灌封相變材料。

3.1 帶多孔骨架盒體灌封相變材料

帶多孔骨架盒體灌封相變材料有2種方式：

1）先在盒體結構內焊接或安裝多孔骨架基材，然后通過灌封工藝將純相變材料注入帶骨架的盒體，填充滿骨架內的多孔間隙，最后通過工藝手段實現(xiàn)密封，如圖3所示。多孔骨架基材可以是金屬（通常為銅和鋁），也可以是碳基材料（如膨脹石墨）。

圖3 多孔骨架盒體灌封相變材料封裝過程Fig. 3 Process of filling PCM into porous-skeleton box

2）采用通過混合粉末熱壓成型的多孔骨架復合相變材料成品，經(jīng)機械切割使其形狀匹配盒體內腔結構，然后將復合相變材料填充入盒體，并在側面或頂部預留一定的空間防止膨脹變形，最后通過工藝手段實現(xiàn)蓋板與盒體的連接和密封，如圖4所示。

圖4 金屬盒體封裝復合相變材料封裝過程Fig. 4 Process of filling composite PCM product into metal box

多孔復合相變材料的綜合熱物性參數(shù)計算公式如下：

等效密度為

等效熱導率為

等效潛熱為

等效比熱容為

其次，這種差異也體現(xiàn)在圖書出版業(yè)務的經(jīng)營管理。這些品牌，有外貿企業(yè)實力和經(jīng)營特色出口更多的書。因此，也有圖書貿易出口貿易的企業(yè)經(jīng)營管理意識創(chuàng)新的商業(yè)模式也起著重要的作用。

式(7)～(10)中，ε為孔隙率，下標0和l分別對應基材和相變材料。

3.2 帶隔筋盒體灌封相變材料

與帶多孔骨架盒體灌封相似，帶隔筋盒體灌封也是首先設計帶有隔筋的金屬盒體，然后在真空環(huán)境下將熔融的相變材料灌注到盒體內，最后在真空環(huán)境下焊接密封，如圖5所示。

圖5 帶隔筋金屬盒體封裝相變材料封裝過程Fig. 5 Process of filling PCM into metal box with fins

3.3 帶點陣金屬結構盒體灌封相變材料

帶點陣金屬結構盒體介于帶多孔基材盒體和帶隔筋金屬盒體之間，屬于拉伸主導型結構，遵行拓撲設計準則。點陣結構通常是與盒體、蓋板通過3D打印一體成型的。點陣結構主要有金字塔型、四面體型和3D-Kagome型3種形式，如圖6所示。與帶多孔基材盒體類似，帶點陣結構盒體也需要預留灌注相變材料的孔，然后在真空環(huán)境下將熔融的相變材料灌注到盒體內，最后在真空環(huán)境下進行焊接密封。

圖6 幾種點陣金屬結構示意Fig. 6 Illustration of several latticed metal structures

4 相變熱沉散熱性能仿真分析

4.1 材料熱物性參數(shù)

構成相變熱沉的各材料之熱物性參數(shù)如表2所示。

表2 材料熱物性參數(shù)Table 2 Thermal physical parameters of the materials used in simulation

4.2 初始及邊界條件

假設初始環(huán)境溫度為65 ℃，只能提供局部空氣自然對流條件，模塊腔體材料采用鋁合金LF6，發(fā)熱芯片與熱沉之間采用導熱絕緣墊，基于第3章給出的3種設計結構形式的相變熱沉，進行20 min非穩(wěn)態(tài)計算。

4.3 仿真結果

各相變材料的散熱性能仿真結果如表3所示。

表3 各相變材料散熱性能仿真結果Table 3 Simulation results of heat dissipation properties of different kinds of PCMs

從表3可以看出，泡沫銅復合相變材料的散熱效果最佳，膨脹石墨復合相變材料的次之，帶隔筋盒體和帶點陣金屬結構盒體灌封相變材料的散熱效果最差；但這也跟盒體中間金屬隔筋和點陣的密度有關——密度越大綜合導熱性能越好、散熱效果越好，但材料的整體質量也更大。圖7為幾種結構形式相變材料的截面溫度仿真云圖，可以看到，其結果與表3的數(shù)據(jù)得到相互印證。

圖7 不同結構形式相變材料的截面溫度云圖Fig. 7 Cross-sectional temperature distributions for different structure based PCMs

綜合質量和散熱性能，膨脹石墨復合相變材料最具應用優(yōu)勢，而采用金屬盒體封裝復合相變材料成品相對于帶多孔骨架盒體灌封相變材料工藝方法更簡單，成本也更低，故后續(xù)采用金屬盒體封裝膨脹石墨復合相變材料成品進行進一步研究和工程化應用驗證。

5 膨脹石墨?特種石蠟復合相變熱沉設計與分析驗證

5.1 熱沉設計與仿真

基于上述研究結果，針對新研的65 W高熱耗模塊，結合環(huán)境條件和減重要求，由能量守恒方程可知

其中：P為功率器件的功率；t為器件工作時間；cAl和cl分別為鋁和相變熱沉的比熱容；γl為相變材料的相變潛熱；mAl和ml分別為鋁和相變熱沉的質量；ΔT 為固態(tài)的溫升。

考慮一定余量后精細化設計了一款膨脹石墨?特種石蠟復合相變熱沉，總質量約505 g。其散熱性能仿真模型及仿真結果如圖8所示：工作10 min后，功率器件的最高溫度為91.1 ℃，低于國家軍用標準數(shù)字器件II級降額要求的電子器件最高工作溫度（100 ℃）[12]，故可認為該相變熱沉能夠解決新研模塊的散熱問題。

圖8 熱沉散熱性能仿真Fig. 8 Model and results of heat dissipation simulation

5.2 樣件散熱性能測試驗證

采用鋁合金盒體封裝膨脹石墨?特種石蠟復合相變材料成品工藝路徑，制造出與仿真模型一致的復合相變熱沉樣件，熱沉總質量499.3 g，比設計值少約 5 g，誤差約 1%。

為了檢驗相變熱沉在高溫環(huán)境下的散熱效果，并驗證仿真結果的準確性，對相變熱沉進行了65 ℃高溫環(huán)境實驗測試，如圖9所示，每個陶瓷模擬熱源均通過熱電偶進行測溫，并監(jiān)測環(huán)境溫度和熱沉底板溫度，通過溫箱加熱保溫維持高溫環(huán)境，用隔熱棉對熱沉進行隔離來模擬樣件的絕熱邊界條件，保溫2 h，待溫度穩(wěn)定后進行加電測試。

熱沉散熱性能的仿真與測試結果對比如圖10所示，可以看出：1）在 10 min工作時間內，測試結果最高溫度約95 ℃，滿足國家軍用標準數(shù)字器件Ⅱ級降額要求；2）測試結果和仿真結果表現(xiàn)出較為一致的溫度變化趨勢和相變特性區(qū)間；3）實測的功率器件最高溫度略高于仿真結果。

仿真與測試結果的偏差可能與測試條件有較大關系——陶瓷模擬熱源的加熱功率不穩(wěn)定，導熱絕緣墊壓緊力不夠導致接觸熱阻更大，相變材料的熱物性參數(shù)與仿真等效值不盡相同，相變材料與封裝盒體貼合度不夠導致傳熱熱阻較大，等等。因此，在后續(xù)工程化應用過程中，可將仿真結果疊加一定余量后作為設計輸入指導和優(yōu)化設計參考，以提高設計效率。另外，在實際樣件制造過程中，通過蓋板膨脹腔設計可增加蓄納空間，在相變材料受熱膨脹時有效緩解膨脹應力，降低泄漏風險，提高產品可靠性。

圖9 實物樣件和測試環(huán)境示意Fig. 9 Physical sample and testing environment

圖10 熱沉散熱性能仿真和測試結果對比Fig. 10 Comparison between simulation result and test results

6 結束語

本文對幾種不同的相變熱沉結構設計方法和工藝路徑進行分析，并通過仿真對比了各自的散熱性能，結合質量、成本等因素確定膨脹石墨?特種石蠟復合相變熱沉作為最優(yōu)解決方案。針對新研高熱耗模塊，精細化設計并制造了膨脹石墨?特種石蠟復合相變熱沉樣件。仿真和測試結果展示了較一致的相變特性和優(yōu)異的散熱性能，滿足熱管理指標要求。后續(xù)可通過優(yōu)化仿真模型、準確測試材料熱物性參數(shù)、改進測試方法等手段使仿真和測試結果更加準確有效，以進一步指導工程設計和應用。