用于電子設(shè)備熱管理的相變熱沉實(shí)驗(yàn)研究

劉晗月,韓 東

(1.弗迪動(dòng)力有限公司電控工廠硬件部仿真科，廣東 深圳 518000;2.南京航天航空大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

隨著電子封裝行業(yè)的飛速發(fā)展，電子元器件的功率大大增加，同時(shí)尺寸也極大的減小，這使得電子設(shè)備的熱流密度增大，在更高的溫度下工作，降低效率，因此開發(fā)一種新型有效的散熱技術(shù)是極為必要的。填充相變材料的相變熱沉作為一種新型的熱管理方式，最大特點(diǎn)在于其潛熱熱容大，在儲(chǔ)熱和放熱過程中溫度幾乎恒定，由熱源產(chǎn)生的大量熱量以潛熱的形式被相變材料吸收，可以有效地控制熱源的溫度[1]。如今，相變材料在電子行業(yè)[2-3]和太陽能存儲(chǔ)[4-5]中具有廣泛的應(yīng)用。然而，相變材料普遍存在導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點(diǎn)，這導(dǎo)致了熱沉蓄熱、放熱過程的效率低，熱量常常無法有效的吸收與釋放。

為了改善工作性能，在相變熱沉中添加金屬肋片等傳熱元件，可以大幅提高熱沉的換熱效率，同時(shí)工作過程穩(wěn)定可靠、壽命長(zhǎng)，是一種更簡(jiǎn)單有效的強(qiáng)化方式。國(guó)內(nèi)阮世庭等[6]通過數(shù)值模擬研究了陣列式肋片對(duì)石蠟類相變熱沉熔化過程中相變規(guī)律的影響，結(jié)果表明肋片尺寸對(duì)不同厚度的邊界層影響不同，邊界層越薄，對(duì)應(yīng)的肋片尺寸就要越小。韓廣順等[7]通過數(shù)值仿真研究了管翅型相變單元，結(jié)果表明翅片使得固-液界面分布更加均勻，而且強(qiáng)化了外管的導(dǎo)熱，強(qiáng)化了儲(chǔ)熱性能。

國(guó)外Hosseinizadeh等[8]研究了直肋對(duì)相變熱沉的影響，結(jié)果表明與沒有內(nèi)部直肋的熱沉相比，帶有直肋的熱沉具有更低的底面溫度，肋片的數(shù)量越多，熔化過程中的底部溫度就越低。Joneidi等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了RT35石蠟在不同形狀的銅制直肋熱沉中，在5 W加熱功率下，不同肋片數(shù)量、高度和厚度對(duì)熱沉內(nèi)部溫度分布和底面溫度的影響。結(jié)果表明，與其他參數(shù)相比增加肋片的數(shù)量，可以使溫度分布更加均勻，并且顯著改善了熔化過程，減小了熱沉內(nèi)部的傳熱熱阻。Zilong等[10]通過實(shí)驗(yàn)研究了板式肋片相變熱沉在熱負(fù)荷和PCM占比的影響下的熱管理性能，結(jié)果表明，肋片的存在有效地改善了相變熱沉的熱性能，肋片數(shù)越多，工作溫度就越低，在可接受的臨界溫度范圍內(nèi)電子設(shè)備的使用壽命更長(zhǎng)。

綜上所述，相變熱沉作為新型的熱管理器件，適用于電子器件的散熱，目前針對(duì)矩形的板式相變熱沉熔化過程各個(gè)階段的傳熱特性進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于圓柱形相變熱沉研究較少，現(xiàn)有研究的加熱功率也較低，通常不超過10 W。因此本文設(shè)計(jì)了相變熱沉實(shí)驗(yàn)臺(tái)，選擇相變材料石蠟，對(duì)三種不同的圓柱形相變熱沉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析在20 W、25 W和30 W功率加熱下不同肋片結(jié)構(gòu)的熱沉底面溫度的變化，為用于電子器件熱管理的相變熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括相變熱沉系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

其中相變熱沉系統(tǒng)包括橡膠墊圈，聚酰胺纖維外殼和蓋板以及相變熱沉本體，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，各組件的尺寸如表1所示。為了防止熱沉與外界熱量交換，相變熱沉放置在聚酰胺纖維(導(dǎo)熱率為0.2 W/(m·℃))外殼內(nèi)部，并通過上部蓋板進(jìn)行密封，為了防止空氣的泄露，蓋板和外殼之間放橡膠墊圈，并通過四個(gè)螺絲擰緊。相變熱沉底部放置不銹鋼云母加熱片來模擬半導(dǎo)體制冷片的加熱，為了減小加熱器之間的接觸熱阻，在熱沉與加熱器之間涂抹硅脂來強(qiáng)化換熱。相變材料石蠟填充在熱沉內(nèi)部，熱沉結(jié)構(gòu)為鋁，材料物性如表2所示。

圖2 熱沉結(jié)構(gòu)示意圖

表1 相變熱沉各部件尺寸

表2 石蠟與鋁的物性參數(shù)

為了研究熱沉內(nèi)部肋片結(jié)構(gòu)(中心閥桿和徑向肋)對(duì)熱沉工作的影響，本文設(shè)計(jì)的三種熱沉結(jié)構(gòu)如圖3所示，分別為沒有肋片的熱沉、有中心閥桿的熱沉和有中心閥桿和徑向肋的熱沉，并設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的安裝結(jié)構(gòu)。將熱沉分為厚度為2 mm的鋁制外殼和肋片結(jié)構(gòu)兩部分，通過肋片結(jié)構(gòu)底部的螺紋將熱沉組裝在一起，這樣可以及時(shí)調(diào)整熱沉的結(jié)構(gòu)，方便快捷，經(jīng)濟(jì)性好。

圖3 熱沉實(shí)物圖

加熱系統(tǒng)由不銹鋼云母加熱片和穩(wěn)壓器組成，加熱器實(shí)物如圖4所示。加熱器的最大功率為60 W，為了研究不同功率下熱沉的工作性能，由型號(hào)為Zhaoxin KXN-6020D的穩(wěn)壓器來調(diào)節(jié)功率。在本文中采用的加熱功率有20 W、25 W和30 W。

圖4 加熱器實(shí)物圖

溫度采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集儀和K型熱電偶組成，四個(gè)熱電偶測(cè)得溫度數(shù)據(jù)通過型號(hào)為XMT-J800W的溫度巡檢儀監(jiān)控，溫度數(shù)據(jù)通過型號(hào)為Keysight-34972A的數(shù)據(jù)采集儀傳遞到電腦中儲(chǔ)存，每5 s采集一次數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)過程總是存在誤差，由設(shè)備精度引起的誤差是不可避免的。本實(shí)驗(yàn)中使用的K型熱電偶，穩(wěn)壓器和數(shù)據(jù)采集儀均存在誤差。功率由設(shè)備精度引起的間接誤差計(jì)算

(1)

在本文的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)功率為最大功率30 W時(shí)，最大功率誤差計(jì)算為±1.2 W。誤差分析的結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

為了研究不同加熱功率下不同肋片結(jié)構(gòu)的熱沉工作特性，將實(shí)驗(yàn)工況做以下設(shè)置：Case a為沒有中心閥桿和徑向肋的熱沉，Case b為有中心閥桿的熱沉，Case c為有中心閥桿和徑向肋的熱沉，具體設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)初始溫度如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置和初始溫度

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)具體操作步驟如下：

(1)計(jì)算要稱重石蠟的質(zhì)量，打開電源使加熱器加熱熱沉，功率為20 W，將石蠟慢慢放入熱沉內(nèi)使其逐漸熔化。

(2)待石蠟全部熔化后，將熱電偶放入蓋板對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的位置，熱電偶底部放入測(cè)點(diǎn)的小孔內(nèi)，對(duì)其后將蓋板蓋緊，擰緊螺栓將其固定。

(3)打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，觀察熱電偶是否正常工作，數(shù)據(jù)采集是否正常。

(4)待熱沉冷卻到室溫后，打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一切正常后，將加熱器接入電源，選擇相應(yīng)的功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

(5)數(shù)據(jù)采集完成后，待熱沉冷卻到室溫后，進(jìn)行不同加熱工況的實(shí)驗(yàn)。

(6)重復(fù)上述步驟，完成不同結(jié)構(gòu)熱沉的實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 石蠟熔化輪廓變化

為了研究石蠟熔化過程中肋片結(jié)構(gòu)的影響，按照熱沉結(jié)構(gòu)分為熱沉內(nèi)壁面、中心閥桿和肋片壁面兩部分，Case c實(shí)驗(yàn)過程石蠟熔化輪廓變化如圖5所示，從圖中可以看出在200 s時(shí)石蠟只有在熱沉內(nèi)壁面右側(cè)很小部分、中心閥桿和肋片壁面周邊為液相，中心閥桿和肋片傳遞的熱量遠(yuǎn)大于內(nèi)壁面。隨著熔化的進(jìn)行，400 s時(shí)熱沉內(nèi)壁面和肋片周圍的石蠟全部為液相，底部熔化的液相石蠟也因?yàn)樽匀粚?duì)流效應(yīng)運(yùn)動(dòng)到上部，固相石蠟也隨之下降，加速了上部石蠟的熔化。到600 s時(shí)，貼近壁面的固相石蠟輪廓進(jìn)一步縮小，高度也進(jìn)一步降低，到800 s時(shí)固相石蠟受到肋片結(jié)構(gòu)的影響分為小塊，并在浮力作用下運(yùn)動(dòng)到熱沉上部，進(jìn)一步加速了石蠟的熔化。

圖5 石蠟熔化過程輪廓變化

2.2 加熱功率對(duì)熱沉底面溫度變化影響

Case a在不同加熱功率作用下，底面溫度變化如圖6所示。從圖中可以看出，Case a溫度是線性升高的，因?yàn)閮?nèi)部沒有強(qiáng)化換熱的結(jié)構(gòu)，熱量只能通過底部加熱面和側(cè)壁面進(jìn)行傳遞，會(huì)在底部和側(cè)壁面形成一層液相界面，只有通過導(dǎo)熱和微弱的自然對(duì)流來進(jìn)行換熱，底面熱量難以傳遞到上部，使得溫度不斷升高。在30 W的加熱功率下，600 s時(shí)底面溫度就已經(jīng)達(dá)到80 ℃。

圖6 Case a不同加熱功率下底面溫度變化

Case b在不同加熱功率下底面溫度變化如圖7所示，與Case a相比由于增加了內(nèi)部閥桿，Case b的熱性能得到了提高，出現(xiàn)了短暫的底面溫度基本不變的“平臺(tái)期”，但是在這之前溫度是線性增加的。功率為30 W時(shí)，溫度先是達(dá)到了84 ℃，然后迅速的降低到72 ℃，出現(xiàn)了一個(gè)短暫的“波峰”。這是因?yàn)閮?nèi)部閥桿強(qiáng)化了換熱，使得小部分熱量傳遞到了熱沉上部，但底面附近的石蠟開始熔化并出現(xiàn)液相界面時(shí)，上部仍是固相。當(dāng)上部的石蠟達(dá)到熔化溫度并開始熔化時(shí)，也就是700 s時(shí)，由于重力的作用，整塊石蠟會(huì)突然下落到加熱面附近，在較大的溫度差作用下石蠟開始迅速熔化，相變潛熱吸收了底部大量的熱量，溫度迅速降低，出現(xiàn)了200 s短暫的“平臺(tái)期”。

圖7 Case b不同加熱功率下底面溫度變化

Case c在不同加熱功率下底面溫度變化如圖8所示，因?yàn)橛兄行拈y桿和徑向肋的存在，內(nèi)部換熱得到強(qiáng)化，上部石蠟的熔化不會(huì)滯后于底部，消除了“波峰”，熱沉工作時(shí)溫度變化較為穩(wěn)定，并且取得在30 W功率加熱下最長(zhǎng)的“平臺(tái)期”和最低的工作溫度。

圖8 Case c不同加熱功率下底面溫度變化

綜上可以得出肋片結(jié)構(gòu)對(duì)熱沉的性能有顯著的影響，三種不同的熱沉結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出三種不同的溫度變化趨勢(shì)。當(dāng)熱沉工作臨界溫度為75 ℃時(shí)，上述三種熱沉結(jié)構(gòu)只有Case c在30 W時(shí)依然能夠正常工作。當(dāng)加熱功率為20 W時(shí)，三種不同結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界溫度75 ℃所需要的時(shí)間分別為698 s、1 270 s和1 066 s，Case b反而取得了最長(zhǎng)的工作時(shí)間，相比于Case c工作時(shí)間延長(zhǎng)了19.1%。而加熱功率為25 W時(shí)，Case b因?yàn)樵?15 s時(shí)出現(xiàn)了“波峰”導(dǎo)致工作時(shí)間大幅降低。但當(dāng)臨界溫度為80 ℃時(shí)，在25 W加熱功率下Case b又取得了最長(zhǎng)的工作時(shí)間1 158 s。因此熱沉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮加熱功率和臨界溫度的作用，熱沉內(nèi)部肋片結(jié)構(gòu)比例的增大可以在較大工作功率時(shí)保證熱沉的正常工作，但在較低的加熱功率下，熱沉的熱負(fù)荷較低，適量減少熱沉內(nèi)肋片的比例反而可以延長(zhǎng)工作時(shí)間。

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了不同熱沉結(jié)構(gòu)在不同加熱功率下的性能，從當(dāng)前工作中得如下結(jié)論：

(1)熱沉工作過程受到自然對(duì)流效應(yīng)的影響，上部石蠟先完全熔化，中心閥桿和肋片傳遞的熱量遠(yuǎn)大于內(nèi)壁面。

(2)徑向肋和中心閥桿顯著的提高了熱沉的熱性能，中心閥桿可以使熱沉出現(xiàn)“平臺(tái)期”，徑向肋可以消除“波峰”。肋片結(jié)構(gòu)占比越大，熱沉工作過程中底面溫度就越低。

(3)不論熱沉結(jié)構(gòu)如何，加熱功率的增加都會(huì)提高熱沉的工作溫度，并縮短熱沉的工作時(shí)間。加熱功率越高，越需要增加肋片結(jié)構(gòu)來提高熱沉的熱性能。

(4)熱沉內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮加熱功率，臨界溫度的綜合影響，選擇合適的熱沉的結(jié)構(gòu)。