一種相變熱沉的參數化影響分析

謝 標

（中國電子科技集團公司第三十八研究所國家級工業設計中心，安徽合肥230088）

0 引言

隨著電子技術的發展，電子器件的特點趨向高集成、小體積、大熱耗，隨之帶來的就是電子器件的散熱問題。在短周期的工作模式下，如彈載、低軌星載雷達等，熱耗器件產生的熱不能及時有效地傳遞出去，就會導致溫度快速上升，影響電子器件的壽命，甚至導致工作失效[1]。

相變材料在相變過程中可以吸收或釋放大量潛熱，同時溫度只在較小范圍內變化，因而可以利用這一特性對一些具有較高熱流密度的熱耗器件進行有效的溫控[2]。石蠟類相變材料因其具有較大的潛熱和穩定的物理性質而被廣泛采用，但是需要采取有效措施來解決其導熱性能較差的問題。應用金屬結構的相變熱沉能有效提升相變材料的等效熱導率[3]，同時避免熱沉總重量較大的問題。

金屬結構與相變材料復合必須保證足夠多的接觸面積才能使相變材料發揮其特性。因此，設計針肋式相變熱沉時，應使每個針肋的尺寸足夠小，但伴隨針肋尺寸過小的是加工難度的快速提升；同時，金屬部分與相變材料部分的比例，即金屬結構孔隙率，關系到相變熱沉的等效熱導率和總體重量，而這兩者是處于矛盾關系的。因此，有必要對影響相變熱沉的關鍵性參數進行分析。

1 研究方法

1.1 相變熱沉的結構

相變熱沉采用含有針肋陣列的蓋板（圖1）與相變容器進行復合，以蓋板的底面作為發熱器件安裝面，以減小熱流傳熱路徑的熱阻，結構如圖2所示。發熱器件的熱量通過針肋蓋板擴展面擴展，然后傳至相變材料中，以顯熱和潛熱的方式儲存起來。

圖1 針肋陣列蓋板

1.2 仿真模型

為了研究針肋相變熱沉的溫控特性，針對一個簡化的相變單元建模進行分析，如圖3所示。

圖2 熱沉示意圖

圖3 相變單元

相變區域的投影尺寸為10 mm×10 mm，高度為15 mm，中間填有方形的針肋，兩端采用與針肋相同的材料進行封蓋，厚度為5 mm。

2 仿真結果分析與討論

2.1 條件與假定

為了研究不同孔隙率和多孔介質孔徑尺度對相變板相變過程的影響，建立簡化模型，利用等效熱容法對相變過程進行分析。選取鋁作為針肋、蓋板和基板的主材，選取正十八烷作為相變材料，相變溫度為28.2℃，相變潛熱為243 kJ/kg。

仿真過程做以下假定：

（1）相變材料熱物性為常數，不隨溫度變化而變化；

（2）忽略液態相變材料的流動。

選取初始溫度為25℃，在基板底部施加熱流邊界條件，熱流大小為10 000 W/m2。

2.2 針肋尺寸的影響

對多孔介質孔徑尺度這個因素進行分析。對不同的孔隙率0.51、0.64、0.75、0.84、0.91、0.96，分別考慮翅片區含有2×2，3×3，…，9×9的矩陣分布的針肋翅片，通過仿真計算獲得相變單元從初始溫度25℃到全部相變材料完全融化所需要的時間，相變過程如圖4所示。可以看出，相變開始時，多孔介質中的框架將熱量傳導至蓋板和相變材料，由于相變材料熱導率較低，當整個框架結構溫度超過相變區后，相變材料依然沒有相變完全。

圖4 相變過程

不同孔隙率時相變材料融化時間與翅片尺寸的關系如圖5所示。可以看出，孔隙率不變時，隨著針肋數量的增加，融化時間逐漸減少，這主要是因為增加肋片數量擴大了相變材料與肋片的接觸面積。但繼續增加翅片數量對相變時間的影響越來越小，直至相變時間趨于穩定。圖中也可以看出同樣數量的翅片，不同孔隙率時，相變時間也不同，且隨著孔隙率的增大而增加。

圖5 不同孔隙率時相變材料融化時間與翅片尺寸的關系

2.3 孔隙率的影響

取每種孔隙率下相變時間趨于穩定時的參數，可得出相變時間隨孔隙率的變化情況，如圖6所示。由于多孔介質孔隙率增加，相變材料的量也隨之增加，因此相變時間也增加。

圖7給出了相變材料完全融化時的最優肋片尺寸與孔隙率的關系。從圖中可以看出，在本研究假設（多孔介質是由針肋陣列組成）的情況下，最優的多孔介質的孔徑尺度是與孔隙率基本呈線性變化的關系。

3 結語

本文針對針肋式相變熱沉進行了參數化分析，從分析結果可以看出，孔隙率和多孔介質孔徑尺度是影響相變溫控系統的重要參數。研究表明：（1）孔隙率不變時，隨著針肋數量的增加，融化時間逐漸減少，最終趨于穩定；（2）最優的多孔介質的孔徑尺度是與孔隙率基本呈線性變化的關系。根據熱控需求，在相變材料的量確定后，理論上多孔介質孔隙率越小、孔徑尺度越小越能充分發揮相變材料的特性，但隨之而來的就是系統重量的增加和加工工藝難度的提升。本研究為相變裝置精細化設計提供了依據。

圖6 相變時間隨孔隙率變化關系

圖7 最優針肋邊長與孔隙率關系