相變材料深空控溫技術(shù)研究

張 立,王 升,趙 靜

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著航天深空探測技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能芯片和大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的使用越來越廣泛。一方面，電子器件芯片的功率不斷增大，體積逐漸縮小，且大多電子器件的待機(jī)發(fā)熱量低而運(yùn)行時發(fā)熱量大，短時溫升大[1-4]；另一方面，對溫度波動的控制要求越來越高，這些要求給航天器熱控帶來很大挑戰(zhàn)。因此，電子產(chǎn)品抗熱沖擊散熱問題的解決對產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)具有十分重要的意義[5-7]。

利用相變材料可以很好地解決這一問題。但是，如果將封裝好的相變塊直接應(yīng)用到電子設(shè)備時，需要通過黏接、螺釘固定等方式與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組合，這種設(shè)計(jì)有以下弊端：首先，通常直接應(yīng)用相變塊會帶來產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量的增加；其次，相變塊與結(jié)構(gòu)接觸面的接觸熱阻往往成為整個導(dǎo)熱路徑上的瓶頸，從而無法充分發(fā)揮相變材料的性能；再次，這種結(jié)構(gòu)經(jīng)受力學(xué)振動沖擊的能力也較弱。與結(jié)構(gòu)一體成型的相變控溫裝置有效解決了上述幾項(xiàng)問題。綜上，將相變材料與載荷產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)合一體化設(shè)計(jì)是一種可靠性很高的被動熱控手段。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和相變材料復(fù)合一體化裝置的性能取決于其中的相變材料，而相變材料雖然具有理想的比熱容和相變潛熱，但是其導(dǎo)熱能力較低，極大地限制了其導(dǎo)熱的效率[8-10]。因此，一般會在相變材料中分散加入高導(dǎo)熱的填料，如金屬翅片，泡沫金屬和碳纖維等，從而形成具有較高表觀導(dǎo)熱系數(shù)的相變控溫裝置[11-13]。Qu等[14]采用泡沫銅作為相變材料的導(dǎo)熱增強(qiáng)體，研究分析了泡沫銅的孔隙率和孔密度對相變熱沉熱控性能的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明，添加了泡沫銅的熱沉具有更低的表面溫度，并且通過適當(dāng)降低泡沫銅的孔隙率或者孔密度，熱沉的表面溫度將會進(jìn)一步降低。Zhu等[15]研究分析了泡沫銅孔隙大小，以及泡沫銅填充比率對相變熱沉溫控性能的影響，得到了與Qu 同樣的結(jié)論，即增加泡沫銅的孔隙能夠有效地降低熱源的溫度。Alshaer等[16]研究分析了兩種泡沫碳(CF-20和KL1-250，CF-20的熱導(dǎo)率為3.1 W/(m·K)，KL1-250的熱導(dǎo)率為40 W/(m·K))對相變熱沉控溫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，高熱導(dǎo)率的KL1-250泡沫碳結(jié)構(gòu)能更加快速地將熱源處的熱量傳遞到他處，進(jìn)而有效地提升了相變熱沉的溫控時間。

在高導(dǎo)熱填料的選用方面，以碳材料為基體的常用的導(dǎo)熱增強(qiáng)材料有兩種，為膨脹石墨和泡沫碳；另外，銅是自然界中易獲得導(dǎo)熱性能的優(yōu)異金屬物質(zhì)?；诖耍疚倪x擇膨脹石墨、泡沫碳和泡沫銅3種導(dǎo)熱增強(qiáng)填料進(jìn)行對比研究。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)內(nèi)容

對相變儲熱裝置的測試是本課題的重點(diǎn)之一，為了給工程設(shè)計(jì)及仿真提供真實(shí)可靠的依據(jù)，熱測試選擇在試驗(yàn)室內(nèi)搭建專門測試環(huán)境。主要測試設(shè)備如表 1所列。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖 1所示。

表1 測試設(shè)備

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.1 Testing site

在試驗(yàn)室環(huán)境下，以定制電加熱片代替實(shí)際熱源；將電加熱片粘貼在相變控溫結(jié)構(gòu)凸臺上元器件發(fā)熱位置，模擬實(shí)際熱耗情況。通過在加熱片和相變儲熱裝置上安裝熱電偶來測試在相變儲熱器工作情況和溫度曲線，相變擴(kuò)熱板上的熱耗分布如圖 2所示。采用此種方式可以與仿真結(jié)果進(jìn)行比對，校正仿真模型，為仿真參數(shù)的選擇積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 相變擴(kuò)熱板上的熱耗分布Fig.2 Heat distribution of phase change board

相變控溫裝置的性能依賴于相變材料，故為其選用合適的相變儲能材料非常關(guān)鍵。經(jīng)過初步仿真計(jì)算，為了滿足航天電子產(chǎn)品元器件I級降額的熱設(shè)計(jì)要求，元器件殼溫應(yīng)在75 ℃以下，因此選擇相變溫度73 ℃附近的石蠟作為裝置相變材料。

本文試驗(yàn)對象為3種不同導(dǎo)熱增強(qiáng)材料且厚度不同的6種相變控溫裝置，3種導(dǎo)熱增強(qiáng)材料分別為：膨脹石墨、泡沫碳、泡沫銅，其填充情況如圖 3所示。

圖3 相變擴(kuò)熱板導(dǎo)熱增強(qiáng)材料填充情況Fig.3 Filling of thermal conductivity reinforcement materials for phase change plate

3種導(dǎo)熱增強(qiáng)材料的當(dāng)量熱物性如表2所列。6種相變控溫裝置的具體信息如表3所列。

表2 導(dǎo)熱增強(qiáng)材料當(dāng)量熱物性

表3 相變擴(kuò)熱板相關(guān)信息

相變儲熱裝置，需要設(shè)置較多的測試點(diǎn)，以得到更加全面的試驗(yàn)結(jié)果，在試驗(yàn)時設(shè)置的測試點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 相變擴(kuò)熱板溫度測點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of temperature measuring points in phase change plate

試驗(yàn)中將6種相變控溫裝置分別按規(guī)定的形式布置好，分別加載相同熱功率，在9 h內(nèi)對電源和各測試點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)檢測。

2 數(shù)值模擬

為了掌握相變控溫裝置的宏觀熱性能，了解某些特定位置的溫度隨時間變化的關(guān)系，采用等效比熱法進(jìn)行建模。

等效比熱法的基本思路是將材料的潛熱等效設(shè)置為材料在相變點(diǎn)的比熱突變，將相變材料的相變吸熱——放熱過程中潛熱發(fā)揮的作用等效為材料在相變點(diǎn)上附加的一個比熱突變，以顯熱代替潛熱，可以大大降低建模難度和計(jì)算復(fù)雜度。

相變材料的理論等效模型可以表達(dá)為方程組：

(1)

式(1)中，C為材料比熱，Csp為固相時的材料比熱，Clp為液相時的材料比熱，Ce為材料溫度相變過程中的等效比熱，T為材料溫度狀態(tài)，Tstart為相變起始溫度，Tend為相變結(jié)束溫度；其等效的關(guān)系也可直觀表達(dá)為如圖5所示。

圖5 等效關(guān)系圖Fig.5 Equivalent relationship

其中關(guān)鍵是相變范圍內(nèi)等效比熱Ce相比固態(tài)時材料比熱Csp的增量，剛好等于相變潛熱除以相變溫度范圍，以保證在相變過程中，潛熱剛好等于額外附加的比熱的效果。

(2)

式(2)中，h為相變材料的潛熱，δT為材料相變的溫度范圍。

本課題利用有限元軟件對相變裝置的熱性能進(jìn)行仿真分析，選用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)量為119 086個，熱耗如圖 2所示，由于試驗(yàn)中邊界溫度隨時間變化，為了準(zhǔn)確模擬試驗(yàn)過程，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，仿真邊界溫度為試驗(yàn)采集的實(shí)際數(shù)據(jù)。分析模型如圖 6所示。相變中間過程的溫度分布如圖 7所示。

圖6 分析模型及網(wǎng)格Fig.6 Analysis model

圖7 相變中間過程的溫度分布Fig.7 Temperature distribution during simulation

3 結(jié)果與分析

圖 8為6塊相變控溫板測點(diǎn)溫度隨時間變化的試驗(yàn)曲線。從測試結(jié)果可以看出，不同位置的相變擴(kuò)熱板外殼都在73 ℃附近發(fā)生了相變，曲線在這個位置的斜率明顯放緩，相變材料擴(kuò)熱板在相變過程中溫升約5 ℃，證明相變材料確實(shí)在預(yù)定溫度下發(fā)生了相變，并有效吸收了電加熱片的熱耗。

圖8 6塊相變控溫板測點(diǎn)溫度隨時間變化的試驗(yàn)曲線Fig.8 Test curves of temperature change with time at the measuring points on the 6 phase change board

使用相變控溫裝置的目的就是控制與擴(kuò)熱板接觸的器件表面的溫度。

正如預(yù)期的一樣，表面溫度一開始上升的很快。在到達(dá)第一個臨界點(diǎn)To=65 ℃之前，所有曲線幾乎按照同一斜率增長，即所有測點(diǎn)溫度勻速上升，此時相變材料并未發(fā)揮作用，導(dǎo)熱增強(qiáng)材料也并未影響散熱器熱傳遞初期的冷卻效果。

很明顯，在達(dá)到相變臨界點(diǎn)后相變材料開始熔化，各條曲線開始分離并且斜率都明顯減小，表明相變材料開始發(fā)揮效用。熔化過程中，離熱源近的曲線更加平坦，這表明離熱源近的地方相變材料發(fā)揮的作用更強(qiáng)，散熱效果得到了更大程度的改善。相變材料吸收的能量大于總潛熱后，相變材料完全相變，溫度曲線斜率開始增加。裝置呈現(xiàn)出與普通材料一致的溫升曲線。

通過對6塊相變板在相同邊界條件、相同熱耗情況下的對比，對比了2號測溫點(diǎn)達(dá)到75℃的時間，針對1#、3#、5# 3塊薄板，其用時長短順序?yàn)椋?3#板>5#板>1#板，針對2#、4#、6# 3塊厚板，用時長短順序?yàn)椋?#板>6#板>2#板，而對比薄板與厚板發(fā)現(xiàn)，厚板的相變穩(wěn)定時間明顯長于薄板。以上試驗(yàn)現(xiàn)象說明：其一，擴(kuò)熱板厚度，即相變材料的用量對相變裝置的儲熱能力影響最大；其二，在相變材料體積相同的情況下，泡沫碳復(fù)合相變板的儲熱能力最強(qiáng)，其次是泡沫銅相變板，膨脹石墨相變板的儲熱性能最差。

在斷電冷卻過程中，溫度曲線出現(xiàn)了明顯的溫度穩(wěn)定過程，這一過程是相變材料從液態(tài)轉(zhuǎn)換為固態(tài)的過程，溫度基本維持不變，熱量進(jìn)一步耗散，通過對6塊相變板冷卻過程中恒溫段的對比發(fā)現(xiàn)，相變持續(xù)時間長短順序仍為：4#板>6#板>2#板>3#板>5#板>1#板，這也證明了泡沫碳復(fù)合相變板的相變能力最強(qiáng)，膨脹石墨復(fù)合相變板的相變能力最差。

通過本課題可得出結(jié)論，在3種相變復(fù)合材料中，泡沫碳復(fù)合相變板的儲熱能力最強(qiáng)。

在與試驗(yàn)情況相同的邊界條件下，對相變板的相變過程進(jìn)行仿真，得到溫度隨時間的仿真溫度曲線如圖9所示。通過對6組仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到6塊相變擴(kuò)熱板升溫用時長短順序依次為：4#板>6#板>2#板>3#板>5#板>1#板，與試驗(yàn)結(jié)論一致，這也證明了該套相變過程的仿真參數(shù)的合理性和有效性，可以用來作為后續(xù)相變過程熱仿真的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

圖9 6塊相變控溫板測點(diǎn)溫度隨時間變化的仿真曲線Fig.9 Simulation curves of temperature change with time at the measuring points on the 6 phase change board

4 結(jié)論

本文分析了相變控溫裝置的試驗(yàn)情況，對裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明：

1)相變控溫裝置的仿真計(jì)算中，根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對接觸熱阻、輻射系數(shù)進(jìn)行取值，相變裝置的綜合熱參數(shù)按照相變材料和封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行加權(quán)平均，利用等效比熱法對相變過程進(jìn)行數(shù)值模擬，最后得到的仿真值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的較好，從而很好地驗(yàn)證了本研究計(jì)算模型的可靠性和準(zhǔn)確性；

2)首先，從相同熱耗情況下對6塊相變控溫裝置的儲熱能力和熱響應(yīng)速率進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)熱板厚度，即相變材料的用量對相變裝置的儲熱能力影響最大，其次，在相變材料用量相同的情況下，泡沫碳復(fù)合相變板的儲熱能力最強(qiáng)，其次是泡沫銅，性能最差的是膨脹石墨；泡沫碳復(fù)合相變板的相變能力最強(qiáng)，膨脹石墨復(fù)合相變板的相變能力最差；因此，在3種相變復(fù)合材料中，泡沫碳復(fù)合相變板的儲熱能力是最強(qiáng)的，在今后的應(yīng)用中，優(yōu)先建議使用泡沫碳復(fù)合相變板。

在下一步的工作中，將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，研究得到更加精確的相變過程仿真方法，使數(shù)值計(jì)算可以更好地模擬和預(yù)測相變控溫裝置的熱性能，為相變控溫裝置的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)支撐。