移動電子設備相變熱控單元熱性能的數值仿真

吳 斌 邢玉明

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

移動電子設備相變熱控單元熱性能的數值仿真

吳 斌 邢玉明

(北京航空航天大學 航空科學與工程學院,北京 100191)

采用相變材料(PCM,Phase Change Material)的熱控制單元(TCU,Thermal Control Unit)可以很好地實現對可移動電子設備的熱控制,避免設備過熱而引起的熱故障.建立了分析 TCU熱性能的二維數學模型,并進行了數值計算.結果表明:加肋和填充泡沫-PCM復合材料的設計方案可以顯著提高 TCU熱性能,能很好地滿足電子元件的工作要求.此外,還對加肋和填充泡沫-PCM提高 TCU性能的效果進行了比較,結果表明:填充泡沫-PCM復合材料的方案更具優勢.所得結論對移動電子設備 TCU的設計和優化有一定的指導作用.

相變材料;熱控制單元;熱性能;肋;泡沫-PCM復合材料

溫度對電子設備的性能有極大的影響,美國空軍調查結果表明超過 55%的電子設備故障是由溫度因素引起的,因此,電子設備的熱控制顯得極為重要[1].熱控制手段分為被動和主動兩種:被動式熱控制多采用空氣自然對流方式對電子元件進行冷卻散熱,散熱效果差,主要用于低功率電子設備;主動式熱控制采用風扇等驅動冷卻介質與電子元件發生強迫對流換熱,冷卻效果好,但風扇等附加動力設備需額外耗能且存在噪音,主要用于大功率電子設備.可移動電子設備如筆記本電腦、可穿式電子設備等,因其輕質、緊湊和密封要求,主動式熱控制方案的采用會額外增加電力需求、體積和重量,因此,采取自然對流冷卻方法更具優勢,但傳統的直接自然對流冷卻無法滿足要求,基于這些考慮提出了采用相變熱控制單元(TCU,Thermal Control Unit)的解決手段.

相變 TCU由相變材料(PCM,Phase Change Material)和導熱強化器(TCE,Thermal Conductivity Enhancer)構成,當工作中的電子設備溫度達到PCM熔點時,PCM熔化,在 PCM熔化階段電子設備溫度幾乎保持不變,PCM的高潛熱使少量的PCM就可吸收大量的熱,而 PCM與外界空氣發生自然對流散熱,以保證充分的吸熱能力,這樣電子設備就可在相對較長的時間內以低于限制要求的溫度正常工作.常用的有機 PCM導熱系數較小,需強化其導熱效果,為此在儲存 PCM的 TCU中放置 TCE,主要采取肋片強化形式,此外,還可采用金屬蜂窩或泡沫相變復合材料[2-6].

本文以文獻[3]中的筆記本電腦處理器芯片TCU為研究對象,分別采用直肋 TCE和鋁泡沫-PCM復合材料對芯片溫度影響進行數值研究.

1 數學模型

圖1為 TCU結構示意圖,該 TCU包括熱源(芯片)段、PCM和 TCE(或泡沫-PCM復合材料)段以及環氧樹脂(外殼)段 3部分.芯片熱源為體積均分熱源,芯片工作時,將產生的熱量傳遞給PCM,PCM段外側表面與外界空氣發生對流換熱,熱源與環氧樹脂層兩側端面、熱源下端面及環氧樹脂上端面絕熱.各部分能量方程分別為

熱源:

當采用泡沫-PCM復合材料時,有:

圖1 TCU結構示意圖

泡沫-PCM復合材料的有效導熱系數 kmix的計算式可參考文獻[6]得出:

環氧樹脂:

式中,C=ρc為物質的熱容,ρ為密度,c為比熱容;T為溫度;t為時間;k為導熱系數;Q為熱源散熱量;ε為泡沫孔隙率;下標 H,P,F,mix,s和 Epoxy分別表示熱源、PCM、肋、泡沫-PCM復合材料、泡沫骨架和環氧樹脂.

對 PCM控制方程采用有效熱容法進行處理求解,即式(2)中的可表示為

式中,ΔHm為 PCM相變潛熱;ΔT為假定的發生相變的小溫差.

初始條件:

邊界條件:

式中,Ta為外界環境溫度;h為空氣對流換熱系數;L為 TCU長度;H為 TCU高度.

2 數值解法和算法

將 3部分求解區域各自劃分網格,將圖 1所示縱向添加 4片直肋的TCU二維物理模型劃分為 28(橫向)×26(縱向)個網格,其中熱源區域、PCM區域和環氧樹脂區域縱向分別劃分 3,20和 3個網格,橫向各肋段區域均劃分 2個網格,為保證計算精度,時間步長取 1 s,時間和空間步長再細化后對計算結果影響不大.將控制微分方程在以網格節點為中心的控制體積內用有限體積法進行數值離散,采用全隱格式;用交替方向的隱式格式與三對角矩陣解法相結合的方法來求解方程.在離散方程時,控制體積界面上的物性參數取兩個相鄰節點物性參數的調和平均值.在每個時間步內對各控制方程進行耦合迭代求解,直至結果收斂.

3 結果及分析

本文對圖 1所示的 TCU進行研究和分析,考慮到該移動電子設備(筆記本電腦)的使用條件,選擇石蠟類有機物二十烷作為 PCM,二十烷具有潛熱大、無毒、穩定、無腐蝕性等優點,且熔點低于設備芯片的容許溫度;鋁具有導熱系數和熱容大、密度小的特點,適合移動電子設備輕質的特點,在此作為 TCE(直肋)和泡沫骨架材料.TCU各部分材料的熱物性參數[8]如表 1所列,幾何參數如下[3]:HH=0.001 5 m,HPCM=0.01m,HEpoxy=0.003m,肋寬 L1=0.001m,L=0.0265m,計算采用的 TCU初始溫度和環境溫度都為 20℃.

表 1 材料熱物性參數

3.1 加肋對熱源的影響

對肋化 TCU熱性能的研究基本可基于含肋量(肋體積分數)和熱源功率這兩方面的影響因素進行分析研究,圖 2所示為恒定熱源功率條件下,肋片體積分數對熱源溫度的影響,其中體積分數 4.25%,8.5%,12.75%和 17%分別對應的是1～4片直肋.為更好地分析加肋對 TCU熱性能的影響,對純 PCM時熱源溫度進行了計算分析:初始階段,PCM還未開始熔化,吸收的熱量以顯熱形式儲存,此階段熱源溫度迅速上升直至 PCM開始熔化;PCM開始熔化至完全熔化期間,由于PCM潛熱大,此時 PCM的有效熱容相當于增加了 100多倍,熱源釋熱量被 PCM以顯熱和潛熱形式儲存,但 PCM的弱導熱性使得 PCM過熱而導致熱源溫度以低于之前的速度繼續攀升,直至達到恒定溫度.加肋可強化 PCM導熱,使 PCM內熱流分布更為均勻,熱源溫度接近于 PCM熔點且基本不變,直到 PCM完全熔化后,熱源溫度才開始持續上升直至恒定溫度,且由于 PCM過熱得到抑制與外界空氣對流換熱量增加,因此,恒定溫度相比純 PCM時顯著下降.由圖可見,加肋后,熱源溫度有顯著降低,且肋片體積分數越大(肋片越多),熱源溫度越低,說明肋片的加入使 PCM熔化更為均勻,PCM的過熱得到很好地抑制;此外,可以發現,肋片數量的增加可進一步降低熱源溫度,但降低的幅度越來越小.

圖2 恒定功率熱源時,肋片體積分數對熱源溫度的影響

實際中,移動電子設備很少處于全負荷運行狀態,一般為周期性負荷運行.電子元件溫度周期性大幅度變化,最高溫度和平均波動溫度較大都會加速電子元件的老化,縮短其使用壽命,因此,在周期性熱源功率下,上述參數是衡量 TCU設計的重要標準.圖 3為熱源功率周期性(10W/5W)變化時,肋體積分數對熱源溫度的影響,此時熱源功率按 10W/15min和 5W/30min的頻率交替出現.由圖可見,在初始階段,PCM逐漸熔化,熱源的平均溫度逐漸升高,溫度振幅逐漸變大,直至穩定.加肋后,由于肋片有效地強化了 PCM導熱,熱流分布更為均勻,PCM過熱被抑制,與外界環境對流換熱量增加.因此,熱源的平均溫度較純PCM時明顯降低,且在 PCM完全熔化之前,熱源溫度始終維持在 PCM熔點附近,變化幅度較小,直到 PCM完全熔化時,熱源溫度才開始大幅振蕩.此外,還可以發現,當肋體積分數大于 8.5%時,熱源溫度變化趨勢趨于一致,肋片增加的同時降低了 PCM含量,也就減少了 PCM的有效吸熱量,因此,10%的肋片體積分數可視為最佳設計.

PCM完全熔化時間是 TCU設計的一個主要參數,而熱源功率大小直接影響 PCM的熔化時間,因此,對熱源功率影響 TCU熱性能的分析可避免元件出現故障.圖 4所示為肋體積分數為10%時,恒定熱源功率對熱源溫度的影響.由圖可見,PCM熔化時間隨著熱源功率增加而縮短,大功率熱源使 PCM過熱的可能性變大,從而導致TCU熱控功能的下降,元件出現故障的幾率變大;TCU可很好地控制小功率熱源溫度.圖 5所示為肋體積分數為 10%時,周期性熱源功率對熱源溫度的影響,此時熱源功率按 15min的頻率交替.由圖可見,加肋后由于 PCM過熱被抑制,熱源最高溫度和平均波動溫度較純 PCM時明顯降低;在 PCM完全熔化之前,熱源溫度始終維持在PCM熔點附近,且變化幅度較小,直到 PCM完全熔化時,熱源溫度才開始大幅振蕩.此外,還可看到,隨著熱源功率的增加,穩定狀態下熱源平均溫度升高,振幅也隨之加大,元件正常工作時間縮短.

圖3 周期性功率熱源時,肋體積分數對熱源溫度的影響

圖4 恒定熱源功率對熱源溫度的影響

圖5 周期循環熱源功率對熱源溫度的影響

3.2 填充泡沫-PCM對熱源的影響

加肋雖然可使 PCM內熱流分布更加均勻,但其對 PCM導熱的強化只是在肋片附近更為顯著,離肋片越遠,效果越差,而泡沫-PCM復合材料因高導熱骨架與 PCM很好地結合,PCM整體導熱得到很好地強化,熱流分布極為均勻,因此,采用泡沫-PCM復合材料的 TCU熱性能會更好.圖 6為恒定功率熱源時,泡沫孔隙率對熱源溫度的影響.由圖可見,泡沫-PCM相比純 PCM能更好地冷卻熱源,由于孔隙率越小即泡沫骨架含量越大,越能提高泡沫復合材料的有效導熱性能,因此,熱源溫度就越低,但隨著孔隙率的減小,熱源溫度降低的幅度也越來越小,這是因為孔隙率的減小增加了骨架的含量,降低了 PCM的含量,PCM吸熱量減少.圖 7所示為周期性功率熱源時,泡沫孔隙率對熱源溫度的影響.與前述加肋類似,泡沫復合材料的填充使 PCM過熱被抑制,熱源最高溫度明顯降低.此外,還可以發現,當孔隙率小于 0.95時,熱源溫度降低幅度已經很小.因此,在此采用孔隙率 0.95的泡沫-PCM復合材料可視為最優設計.

圖6 恒定功率熱源時,泡沫孔隙率對熱源溫度的影響

圖7 周期性功率熱源時,泡沫孔隙率對熱源溫度的影響

為進一步考察加肋和填充泡沫復合材料對TCU熱性能強化程度,如圖 8所示,對兩種最優設計方案下熱源溫度進行了比較,其中肋體積分數為 10%,泡沫孔隙率為 0.95,采用恒定功率(7.5W)熱源和周期性功率(10W/5W)熱源.由圖可見,這兩種最優設計方案所取得的冷卻效果基本相同,恒定功率和周期性功率時,加肋條件下的熱源溫度分別比填充泡沫時高 0.44和0.28℃.但由于鋁(肋和泡沫骨架材料)的密度約為 PCM的 3.5倍,因此,采用肋體積分數 10%的TCU總質量比孔隙率0.95的泡沫-PCM設計方案增加了 10%,從輕質方面來看,填充泡沫-PCM的TCU更具優勢.

圖8 肋和泡沫-PCM對熱源溫度影響的比較

4 結 論

1)加肋和填充泡沫-PCM復合材料的設計方案都能有效地提高 TCU的熱性能,且填充物含量越大效果越好,但效果差別變小,因此,存在最優的設計以滿足電子元件工作要求和輕質要求;

2)熱源功率大小也會影響 TCU熱性能,大功率熱源容易使 TCU性能惡化;

3)較小孔隙率的泡沫-PCM就能獲得較大含量加肋 TCU熱控效果,這意味著填充泡沫-PCM在輕質方面較加肋更具優勢,而輕質 TCU設計是移動電子設備的重要要求,因此,在條件容許時,盡量選擇填充泡沫-PCM復合材料的 TCU設計.

References)

[1]Yeh L T.Review of heat transfer technologies in electronic equipment[J].Journal of Electronic Packaging,1996,117(4):333-339

[2]Kandasamy R,Wang X Q,Mujumdar A S.Transient cooling of electronicsusing phase changematerial(PCM)-based heat sinks[J].J Applied Thermal Engineering,2008,28(8/9):1047-1057

[3]Alawadhi E M.Thermal analyses of a PCM thermal control unit for portable electronic devices:experiment and numerical studies[D].Pittsbargh:Mechanical Engineering Department,Carnegie Mellon University,2001

[4]Nayak KC,Saha S K,Srinivasan K,et al.A numericalmodel for heat sinks with phase changematerials and thermal conductivity enhancers[J].Int JHeat and Mass Transfer,2006,49(11):1833-1844

[5]Sharma A,TyagiV V,Chen CR,et al.Review on therm alenergy storage with phase changematerialsand applications[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,13(2):318-345

[6]Lafdi K,Mesalhy O,Elgafy A.Graphite foams infiltrated with phase change materials as alternative materials for space and terrestrial thermal energy storage applications[J].Carbon,2008,46(1):159-168

[7]Khan M A,RohatgiP K.Numerical solution to a moving boundary problem in a compositemedium[J].Numerical Heat Transfer Part A:Applications:an International Journal of Computation and Methodology,1994,25(2):209-221

[8]Belen Z,Jose M M,Luisa F C,et al.Review on thermal energy storage with phase change:materials,heat transfer analysis and applications[J].Applied Thermal Engineering,2008,23(3):251-283

(編 輯 :李 晶)

Numerical investigation of phase change thermal controlunit for portable electronic devices

Wu Bin Xing Yuming

(School of Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

The thermal control unit(TCU)using phase change material(PCM)can well perform thermal control for portable electronic devices,and avoid itover heating.Two-dimensional mathematical model of TCU was presented,and numerical simulation was conducted to analyze its thermal performance.The results show that adding fins and filling with foam-PCM composite material can significantly improve thermal performance of TCU and satisfy the need of electronics working condition.Further,effectiveness of TCU by the two kinds of design was compared,and the design of filling with foam-PCM was superior to another one.The conclusion provides guidelines for portable electronic devices TCU design and optimization.

phase change material;thermal control unit;thermal performance;fins;foam-PCM composite material

TK 512+.4

A

1001-5965(2010)11-1330-05

2009-10-26

國家自然科學基金資助項目(50876004)

吳 斌(1983-),男,江西永豐人,博士生,wb-buaa@126.com.