高溫旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)

譚 雯，沈三民，楊 峰

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

1995年Yeh提到，電子設(shè)備的故障中有55%是由于缺乏良好的溫度控制引起的。隨著電子設(shè)備結(jié)構(gòu)逐漸變得緊湊、小型化，電子元器件上的熱流密度大大增加。如果設(shè)備溫度達(dá)到一定程度，就會(huì)導(dǎo)致元器件失效，使整個(gè)設(shè)備失效或損壞。

電子設(shè)備熱控制方法較多，如風(fēng)冷、液冷、相變溫控、隔熱防護(hù)等。由于應(yīng)用環(huán)境的限制，常規(guī)的風(fēng)冷、液冷存在體積較大、對(duì)環(huán)境溫度依賴較大、無(wú)法隨電子設(shè)備旋轉(zhuǎn)等問(wèn)題，所以熱控制選擇外部隔熱防護(hù)和內(nèi)部相變儲(chǔ)熱。

隔熱防護(hù)通過(guò)使用傳熱系數(shù)低的功能材料減緩熱量傳遞速度，保證一定時(shí)間內(nèi)電子設(shè)備工作在適宜的溫度。常用的隔熱材料有無(wú)機(jī)隔熱材料和有機(jī)隔熱材料。有機(jī)類包括酚醛泡沫復(fù)合材料、氧化鋁陶瓷泡沫材料。無(wú)機(jī)類包括纖維類隔熱材料、多孔性陶瓷材料以及氣凝膠材料等。由于Si O氣凝膠具有低密度、高孔隙率、低折射率，熱導(dǎo)率僅有0.02 W/（m·K），所以被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、石化、冶金、建筑等領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代，美國(guó)ASPEN研究將氣凝膠保溫隔熱材料應(yīng)用于高超聲速飛行器、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等，有效地阻止了熱量的傳遞。何翔等人對(duì)多層隔熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得出隔熱結(jié)構(gòu)能夠有效阻止環(huán)境熱量傳遞到內(nèi)部，使得內(nèi)部溫度達(dá)到需要。

相變材料在一定溫度范圍內(nèi)可以發(fā)生相態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)吸收或者釋放熱量的目的。完全相變前材料可以長(zhǎng)時(shí)間維持在相變溫度附近。相變溫控具有潛熱大、可以選擇不同熔點(diǎn)的材料進(jìn)行溫度控制的特點(diǎn)，減小了電子設(shè)備散熱對(duì)環(huán)境溫度的依賴。相變材料按照形態(tài)可以分為固-固相變材料、固-液相變材料、固-汽相變材料和液-汽相變材料等，固-汽和液-汽相變潛熱較大，但相變過(guò)程體積變化較大導(dǎo)致封裝困難。工程中常用固-固相變材料或固-液相變材料。石蠟具有潛熱大、成本低、無(wú)過(guò)冷、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛用于電子設(shè)備熱控系統(tǒng)中。王虎軍等人將相變冷板應(yīng)用于彈載電子設(shè)備中，通過(guò)熱仿真分析證明相變冷板有明顯優(yōu)勢(shì)，可以滿足熱控制需要。美國(guó)阿波羅15號(hào)月球車(chē)，月球通信中繼單元裝配了相變溫控系統(tǒng)。Marc Hodes研究了用于手機(jī)的相變溫控系統(tǒng)，手機(jī)以恒定3 W的功率發(fā)熱時(shí)，達(dá)到上限工作溫度的時(shí)間延長(zhǎng)了40 min。高林星等人基于石蠟相變材料設(shè)計(jì)了可用于彈載電子設(shè)備的儲(chǔ)熱裝置，在熱功耗為45.3 W、外部環(huán)境為60℃的條件下，儲(chǔ)熱裝置具有明顯優(yōu)勢(shì)。

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究的需求，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)裝有電子設(shè)備來(lái)采集和傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生熱量積累，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)熱環(huán)境非常惡劣，為了保證電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)艙內(nèi)電子設(shè)備進(jìn)行熱控制設(shè)計(jì)。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的電子設(shè)備在艙內(nèi)高溫環(huán)境中的工作需求，本文提出了一種采用外部隔熱防護(hù)與內(nèi)部相變吸熱相結(jié)合的熱控制設(shè)計(jì)，應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)果表明，熱控制結(jié)構(gòu)可以保證電子設(shè)備穩(wěn)定工作。

1 熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，支撐殼外徑為Φ110 mm，高為60 mm，外部包裹有一定厚度的隔熱材料。支撐殼內(nèi)部空腔尺寸為70 mm×70 mm×50 mm，用于存放相變材料盒對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行相變冷卻。支撐殼通過(guò)螺栓與旋轉(zhuǎn)軸的套筒鎖緊，可以隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電子設(shè)備通過(guò)螺釘與相變材料盒壁鎖緊。支撐殼及相變材料盒均為鋁合金材料，隔熱材料采用Si O氣凝膠，相變材料采用石蠟。為了減小相變材料液化后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的離心慣性力影響，同時(shí)提升熱傳導(dǎo)性能，在相變材料盒內(nèi)部添加方形金屬蜂窩骨架。

圖1 熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及相變盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)學(xué)模型

進(jìn)行模擬仿真前假設(shè)：沿隔熱層水平方向的溫度傳遞可以忽略，熱量?jī)H在厚度方向傳遞；隔熱結(jié)構(gòu)與環(huán)境不進(jìn)行熱交換。將隔熱層的熱傳遞問(wèn)題轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)傳熱問(wèn)題，溫度分布滿足瞬態(tài)傳熱方程：

式中：是密度；是比熱容；是傳遞時(shí)間；是厚度；是處的溫度；是導(dǎo)熱系數(shù)。

建立隔熱層傳熱的幾何模型，材料的熱物性參數(shù)如表1所示。隔熱層外壁為恒壁溫條件，=250℃，其他壁面為絕熱壁面。

表1 材料熱物理性能

2.2 仿真結(jié)果與分析

隔熱層厚度分別為10 mm，20 mm，30 mm，通過(guò)瞬態(tài)仿真計(jì)算，得出250℃的外部環(huán)境溫度下持續(xù)60 min的溫度分布，如圖2所示。由圖2可知：當(dāng)厚度為10 mm，20 mm，30 mm，隔熱層內(nèi)側(cè)溫度分別為136.45℃，77.1℃，49.543℃，隨著隔熱層厚度增加，內(nèi)壁溫度越低，隔熱效果越好；當(dāng)隔熱層厚度為30 mm時(shí)，內(nèi)壁溫度為49.543℃，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖2 10 mm，20 mm，30 mm厚隔熱層的溫度分布云圖

3 相變儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子設(shè)備總熱功耗為5 W，產(chǎn)生的總熱量=。假設(shè)隔熱結(jié)構(gòu)處在一個(gè)理想的絕熱環(huán)境中，不考慮熱源及相變材料的對(duì)外換熱，熱源發(fā)出的所有熱量都被相變材料吸收。由于電子設(shè)備尺寸較小，相變盒的金屬顯熱與相變材料的潛熱相比可忽略不計(jì)，因此相變材料的用量=，是相變材料的潛熱，可計(jì)算出=112.5 g。相變材料盒尺寸為70 mm×70 mm×50 mm。

3.2 數(shù)學(xué)模型

使用Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，溫度場(chǎng)求解基于焓-孔隙法，利用能量方程和融化/凝固模型建立固相和液相相統(tǒng)一的能量方程，控制方程為：

連續(xù)性方程：

能量方程：

動(dòng)量方程：

3.3 仿真結(jié)果與分析

電子設(shè)備內(nèi)部溫度與支撐殼內(nèi)壁的溫度變化一致，為使計(jì)算可靠，取最高溫度60℃作為初始溫度進(jìn)行計(jì)算。選用相變溫度為60℃的石蠟，在相變區(qū)間潛熱為160 k J/kg，材料熱物理性能見(jiàn)表1。要求電子設(shè)備在連續(xù)工作60 min后，最高溫度不超過(guò)80℃。建立三種模型，模型1內(nèi)部無(wú)相變材料，模型2內(nèi)部有相變材料，模型3加入蜂窩骨架。將電子設(shè)備上主要發(fā)熱的功率芯片簡(jiǎn)化為8 mm×8 mm×3 mm的熱源，熱源功率為5 W，初始環(huán)境溫度為60℃，忽略內(nèi)部自然對(duì)流，采用Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算。求解器采用非耦合、隱式、二維的求解方法，物理模型采用非穩(wěn)態(tài)、層流、固/液相變模型，采用SIMPLE算法來(lái)處理溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的耦合。

模型1的溫度云圖如圖3所示，沒(méi)有熱控制手段時(shí)，熱量會(huì)一直積累，60 min后最高溫度達(dá)到99.4℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子設(shè)備要求的最高工作溫度。當(dāng)相變材料直接填充在盒內(nèi)空腔中，相變材料通過(guò)相變吸熱將產(chǎn)生的熱量存儲(chǔ)起來(lái)，60 min后模型2的溫度云圖如圖4所示，溫度最高為75.6℃，滿足電子最高工作溫度的限制。

圖3 模型1的溫度云圖

圖4 模型2的溫度云圖

當(dāng)內(nèi)部有蜂窩骨架，相變材料存儲(chǔ)在蜂窩骨架中，經(jīng)過(guò)60 min后，模型3的溫度云圖如圖5所示，最高溫度為70.9℃，滿足工作溫度的要求。三種模型的溫度曲線如圖6所示。由圖6可知：添加相變材料能夠有效地吸收電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，與無(wú)相變材料的情況相比，最高溫度降低23.8℃；與有蜂窩骨架的相變材料盒相比，最高溫度相差4.7℃。結(jié)果表明，添加蜂窩骨架的模型可以增大蜂窩骨架與相變材料的接觸面積，能夠有效增強(qiáng)熱傳導(dǎo)效率，使相變可以同時(shí)、均勻地發(fā)生，在完全相變前的相同時(shí)間里能夠存儲(chǔ)更多的熱量，從而模型3的溫度比模型2更低。

圖5 模型3的溫度云圖

圖6 三種模型的溫度曲線圖

4 結(jié) 論

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)惡劣的高溫環(huán)境下電子設(shè)備的工作需要，本文利用仿真軟件對(duì)熱控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的熱結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)電子設(shè)備在高溫環(huán)境下持續(xù)工作60 min的需求。仿真結(jié)果表明：在外部環(huán)境溫度為250℃時(shí)，隔熱層材料越厚，內(nèi)壁熱流越小，溫度越低，隔熱效果越好；30 mm SiO氣凝膠氈隔熱層可在60 min內(nèi)保證設(shè)備內(nèi)部溫度不高于60℃；在相變盒尺寸不變的情況下，添加相變材料可以有效地吸收電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量；蜂窩骨架增強(qiáng)了相變材料的導(dǎo)熱性能，使溫度分布均勻。添加金屬蜂窩骨架和相變材料的情況下，60 min后電子設(shè)備最高溫度為70.6℃。通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的熱控制方案可以實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備運(yùn)行的需求。

注：本文通訊作者為沈三民。