小型水下作業(yè)設(shè)備相變熱控技術(shù)研究*

楊小虎，鄭召利，陳 凱，陳 列

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所熱能動(dòng)力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430205）

引 言

海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源，是科學(xué)研究、商業(yè)開(kāi)采、國(guó)防軍事等重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域。近年來(lái)，隨著海洋開(kāi)發(fā)力度的加大，水下無(wú)人作業(yè)設(shè)備（包括水下探測(cè)器、水下機(jī)器人、水下信號(hào)接收器、信號(hào)發(fā)生器、中繼站等）得到迅速發(fā)展。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海底地質(zhì)勘探、水下科學(xué)考察、海洋資源開(kāi)采、水下信號(hào)采集與傳輸、漁業(yè)活動(dòng)等越來(lái)越依賴高性能水下作業(yè)設(shè)備的使用。

水下無(wú)人作業(yè)設(shè)備內(nèi)部有大量的電子器件、電池、小型電機(jī)等功率設(shè)備和元器件，在其運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這些熱量如果不能被及時(shí)排出，將導(dǎo)致器件溫度持續(xù)升高。過(guò)高的溫度會(huì)影響功率器件的工作性能、使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性，甚至?xí)l(fā)安全事故。因此，可靠高效的散熱技術(shù)是水下無(wú)人作業(yè)設(shè)備持續(xù)、安全、穩(wěn)定工作的重要保障。

小型水下無(wú)人作業(yè)設(shè)備不攜帶原動(dòng)力系統(tǒng)，一般依靠電池提供驅(qū)動(dòng)電力。設(shè)備體積小，重量輕，無(wú)法配備專門的散熱系統(tǒng)，一般是直接通過(guò)設(shè)備殼體向外部水域排放多余熱量。作業(yè)設(shè)備在水下處于運(yùn)動(dòng)作業(yè)狀態(tài)時(shí)，殼體與海水之間對(duì)流傳熱，散熱效果較好；但當(dāng)設(shè)備處于水下靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，殼體與海水之間通過(guò)自然對(duì)流散熱，散熱能力大幅降低。

近年來(lái)，隨著海洋探測(cè)及開(kāi)發(fā)活動(dòng)的快速發(fā)展，水下無(wú)人作業(yè)設(shè)備不斷向著多功能、智能化、長(zhǎng)續(xù)航、大深度方向發(fā)展。設(shè)備內(nèi)部功率器件不斷增多，電池容量不斷增大，相應(yīng)地，設(shè)備內(nèi)部總發(fā)熱量越來(lái)越大，熱失效問(wèn)題日益凸顯，特別是在設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，微弱的自然對(duì)流冷卻已不能滿足其高散熱需求。不同于地面或空間設(shè)備的散熱，小型水下無(wú)人作業(yè)設(shè)備無(wú)法利用性能更好的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器散熱。其散熱瓶頸在于終端海水環(huán)境，若采用水冷技術(shù)，則又面臨通海高壓環(huán)境、腐蝕、需額外增設(shè)復(fù)雜泵閥管路等問(wèn)題。因此，針對(duì)小型水下無(wú)人作業(yè)設(shè)備在海洋環(huán)境有限空間下的發(fā)熱問(wèn)題，急需研發(fā)更加簡(jiǎn)單高效的散熱技術(shù)。

相變材料是在一定的溫度或溫度范圍內(nèi)發(fā)生固液相變的材料，其固液相轉(zhuǎn)變過(guò)程往往伴隨著巨大的潛熱吸收或釋放。利用這一特性，可以進(jìn)行熱能的儲(chǔ)存和利用，可有效緩解工程實(shí)踐中熱能的供給和使用在時(shí)間和量級(jí)上的不匹配問(wèn)題[1]，在太陽(yáng)能儲(chǔ)存與利用[2]、建筑節(jié)能、電網(wǎng)削峰填谷（夜間蓄冷蓄熱）、余熱回收利用、冷鏈物流等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[3-5]。特別是在芯片熱沖擊防護(hù)領(lǐng)域，相變材料可用于瞬時(shí)性或間歇性工作的電子器件的溫控[6-7]。芯片工作時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱量，相變材料吸收熱量并熔化，同時(shí)芯片溫度幾乎保持不變，因此可以有效抑制芯片溫升，防止器件過(guò)熱；芯片停止工作后，相變材料將吸收的熱量釋放到周圍環(huán)境中并凝固，為抵抗下一次熱沖擊做好準(zhǔn)備?；谶@一原理，相變材料可用在移動(dòng)電子設(shè)備冷卻、芯片熱沖擊防護(hù)、電動(dòng)汽車電池包熱管理、恒溫服裝、航天電子溫控等領(lǐng)域[8]。

本文提出了一種小型水下作業(yè)設(shè)備儲(chǔ)熱模塊，利用相變材料被動(dòng)吸熱方式對(duì)設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱元器件進(jìn)行散熱，以解決現(xiàn)有的自然冷卻技術(shù)方案無(wú)法滿足大功率散熱需求的問(wèn)題。研究了不同熱功率條件下相變儲(chǔ)熱模塊的熱控性能，并將其與原有的自然冷卻方法進(jìn)行了對(duì)比。研究了典型熱功率條件下有機(jī)相變材料和金屬相變材料的熱控性能，揭示了兩者的典型特征和熱控效果。

1 模型與方法

1.1 水下作業(yè)設(shè)備相變熱控模塊

圖1為本文構(gòu)建的基于相變儲(chǔ)熱的小型水下作業(yè)設(shè)備示意圖。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，這里以一個(gè)典型熱功率元件為例進(jìn)行建模，忽略其他器件、結(jié)構(gòu)和設(shè)備。該模型主要包含5個(gè)部分：設(shè)備殼體、相變材料、發(fā)熱元器件、熱源封裝結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。殼體為不銹鋼球體結(jié)構(gòu)，外徑為110 mm，厚5 mm。殼體底部區(qū)域?yàn)橹锌战Y(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充相變材料。熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)為鋁制結(jié)構(gòu)；發(fā)熱元器件為圓柱狀結(jié)構(gòu)（Φ10 mm×20 mm）；熱源封裝結(jié)構(gòu)為銅質(zhì)材料，各材料的主要熱物性見(jiàn)表1。

圖1 水下作業(yè)設(shè)備相變熱控模塊簡(jiǎn)化模型

表1 結(jié)構(gòu)材料主要熱物性

發(fā)熱元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過(guò)封裝結(jié)構(gòu)和熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳遞到設(shè)備殼體。相變材料封裝于殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，一方面吸收來(lái)自熱源的熱量，另一方面將部分熱量傳導(dǎo)至殼體外部，并通過(guò)自然對(duì)流的方式將熱量排到周圍水域，從而實(shí)現(xiàn)相變吸熱和自然冷卻耦合并行散熱。當(dāng)設(shè)備完成高功率作業(yè)、恢復(fù)常規(guī)低功率作業(yè)時(shí)，其發(fā)熱量大幅減少，殼體通過(guò)自然對(duì)流冷卻將發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量和相變材料吸收的熱量同時(shí)排出。相變材料放熱并恢復(fù)固相狀態(tài)，以應(yīng)對(duì)下一次高功率作業(yè)熱沖擊。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

采用焓法模型考慮相變材料固液相變傳熱過(guò)程，忽略相變材料液相區(qū)域的自然對(duì)流，因此只需求解傳熱方程。整個(gè)計(jì)算模型的總焓能量守恒方程為：

式中：ρ為材料的密度；k為材料的熱導(dǎo)率；q為體積發(fā)熱源項(xiàng)，除在發(fā)熱元器件區(qū)域外，其他區(qū)域均為0；t為時(shí)間；T為溫度；H是總焓，它包括顯熱焓hs和潛熱焓La，即H=hs+La。

顯熱焓定義為：

式中：href是參考溫度Tref下的焓；cp為比熱容。

潛熱焓與局部液相分?jǐn)?shù)φ成正比，即La=φΔH（ΔH為PCM的熔化潛熱）。對(duì)于固體結(jié)構(gòu)區(qū)域，潛熱焓為0。

這里采用的固液相變傳熱模型忽略了相變材料內(nèi)部液相區(qū)域的自然對(duì)流及其引起的自然對(duì)流傳熱，將對(duì)流和相變耦合的傳熱問(wèn)題簡(jiǎn)化為純粹的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。在之前的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[9-10]中已經(jīng)證實(shí)：對(duì)于器件散熱這類小尺度小溫差問(wèn)題，相變材料液相區(qū)域的自然對(duì)流傳熱相對(duì)于導(dǎo)熱而言可以忽略，此時(shí)該模型具有很好的精度，且可以大大減少計(jì)算耗時(shí)。

仿真模型中忽略發(fā)熱器件向周圍空氣域的傳熱，重點(diǎn)考慮其通過(guò)熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)向設(shè)備殼體和外界海水的傳熱，即將發(fā)熱元器件外表面、熱源封裝結(jié)構(gòu)外表面、熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)外表面及設(shè)備殼體內(nèi)表面設(shè)置為絕熱邊界。設(shè)備殼體外部為靜止水域，其溫度T0為20°C，殼體與水域之間通過(guò)自然對(duì)流散熱。按照球體外自然對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[11]，當(dāng)特征溫差在20°C～50°C范圍時(shí)，換熱系數(shù)h在23.90～27.24 W/(m·K)之間變化。為便于計(jì)算，這里統(tǒng)一將換熱系數(shù)h設(shè)置為恒定值25 W/(m·K)。假定整個(gè)模塊的初始溫度Tini為20°C（等溫），發(fā)熱元器件內(nèi)施加大小均勻的熱源項(xiàng)，其發(fā)熱功率為P，本文考慮P為5～20 W時(shí)的工況。

相變材料有兩種備選方案：低熔點(diǎn)金屬相變材料鎵和有機(jī)相變材料十八烷，兩者的主要熱物性見(jiàn)表2。

表2 典型的有機(jī)和低熔點(diǎn)金屬相變材料主要熱物性

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)相變材料與金屬相變材料性能對(duì)比

圖2直觀地展示了熱源功率為15 W時(shí)不同時(shí)刻相變熱控模塊的溫度云圖（左半邊）和液相體積分?jǐn)?shù)云圖（右半邊）。使用鎵作為相變材料時(shí)，在t為100 s，300 s，500 s時(shí)，熱源溫度T分別為58°C，69°C，76°C，相變材料熔化分?jǐn)?shù)f分別為0.06，0.41，0.77；使用十八烷作為相變材料時(shí)，各時(shí)刻對(duì)應(yīng)的熱源溫度T分別為69°C，99°C，120°C，相變材料熔化分?jǐn)?shù)f分別為0.08，0.58，0.92。不難看出，鎵的熱控性能明顯優(yōu)于十八烷，這主要得益于其較高的熱導(dǎo)率（比十八烷高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)）。此外，鎵的體積熔化潛熱為489 MJ/m3，十八烷的體積熔化潛熱為177 MJ/m3。這意味著鎵的儲(chǔ)熱密度更大，相同體積下能吸收更多的相變潛熱，因此在相同時(shí)刻，鎵的熔化分?jǐn)?shù)小于十八烷，其持續(xù)作用時(shí)間更長(zhǎng)。

圖3定量地給出了熱源平均溫度和相變材料熔化分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線，并以不添加相變材料的情形作為基準(zhǔn)參考。可以看到，鎵基相變材料在其熔化過(guò)程中可以顯著抑制熱源溫升，而十八烷相變熱控模塊反而使熱源溫度高于不使用相變材料時(shí)的溫度。這主要是因?yàn)椴捎面壔嘧儫峥啬K時(shí)，熱源熱量在通過(guò)殼體時(shí)，一部分被相變材料吸收，另一部分通過(guò)殼體外表面?zhèn)魅胫車?，因而熱源的溫升受到抑制；而使用十八烷相變熱控模塊時(shí)，十八烷熱導(dǎo)率較低，不僅影響了熱量在內(nèi)部的傳遞和吸收，還阻礙了熱量向殼體外表面的傳遞，因而使得設(shè)備的散熱性能惡化。以熱源溫度到達(dá)80°C的時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，不使用相變材料時(shí)為219 s，十八烷熱控模塊只能持續(xù)158 s，鎵基相變熱控模塊持續(xù)時(shí)間高達(dá)589 s，使得熱源工作時(shí)間延長(zhǎng)至采用自然冷卻時(shí)的2.7倍。

圖2 相變熱控模塊的溫度云圖（左半邊）和液相體積分?jǐn)?shù)云圖（右半邊）（P =15 W）

圖3 熱源平均溫度和相變材料熔化分?jǐn)?shù)變化曲線

2.2 不同熱功率下金屬相變模塊的熱控性能

從前面的結(jié)論可知，低熔點(diǎn)金屬鎵是理想的候選相變材料。這里針對(duì)鎵基相變熱控模塊，研究其在不同熱功率下的熱控性能。圖4直觀地展示了使用鎵基相變材料和不使用相變材料時(shí)設(shè)備的溫度云圖。在P為15 W，t為200 s，400 s，600 s，800 s時(shí)，無(wú)相變材料的熱源溫度分別為78°C，96°C，108°C，116°C，使用相變材料鎵時(shí)，對(duì)應(yīng)的溫度分別為64°C，72°C，81°C，89°C，最大溫度抑制效果達(dá)到27°C。

圖5定量地展示了熱源功率為5 W，10 W，15 W，20 W時(shí)，熱源溫度隨時(shí)間的變化曲線。圖6為對(duì)應(yīng)的相變材料熔化分?jǐn)?shù)曲線。熱源功率從5 W到20 W變化時(shí)，相應(yīng)的相變材料完全熔化時(shí)間分別為2 227 s，1 098 s，757 s，592 s。相變材料完全熔化時(shí)，有相變材料和無(wú)相變材料的熱源溫差達(dá)到最大，最大溫差分別為15°C，22°C，27°C，30°C。也就是說(shuō)，熱源功率越高，相變材料鎵的溫度抑制效果就越明顯。

圖4 不同時(shí)刻設(shè)備的溫度云圖（P =15 W）

圖5 不同熱功率下熱源平均溫度隨時(shí)間的變化

圖6 不同熱功率下相變材料熔化分?jǐn)?shù)變化曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種小型水下作業(yè)設(shè)備儲(chǔ)熱模塊，研究了典型熱功率條件下相變儲(chǔ)熱模塊的熱控性能，并對(duì)比了不同類型相變材料的熱控效果。結(jié)果表明：相比于原有的自然冷卻方式，低熔點(diǎn)金屬相變儲(chǔ)熱模塊可將設(shè)備的正常工作時(shí)間有效延長(zhǎng)至采用自然冷卻時(shí)的2.7倍，起到較好的熱防護(hù)作用；而有機(jī)相變材料由于傳熱性能差，反而阻礙了熱量向外殼體的傳遞，惡化了設(shè)備的散熱性能。本文提出的相變熱控模塊具有零功耗、儲(chǔ)熱密度大、工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。利用設(shè)備原有的殼體空間填充相變材料，不額外增加體積，不影響設(shè)備內(nèi)部空間，可實(shí)現(xiàn)相變吸熱和自然冷卻耦合并行散熱，有效防止設(shè)備內(nèi)部器件或設(shè)備發(fā)生過(guò)熱損壞，為水下無(wú)人作業(yè)設(shè)備持續(xù)、安全、穩(wěn)定、高效工作提供保障。