某航天電子設備金屬3D打印相變機殼設計*

毛麗娜，胡文超，董國攀

（合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥230088）

引 言

彈載電子設備在工作中面臨著諸多限制，如空間密閉、狹小，無法供風、供液和冷卻，受體積、重量限制，熱沉容量不夠，外部氣動、加熱、導入等，在中段和末段工作的電子設備更是面臨著較高的工作環(huán)境初始溫度。

彈載電子設備短時工作的特點決定其多采用熱傳導及熱沉儲熱等被動冷卻方式進行散熱[1]。在嚴格的重量、體積限制條件下，有限的結構材料熱沉容量往往難以有效吸納電子設備的熱耗。近年來，彈載電子設備的功耗增加，在工作末段散熱不足和溫度超限的情況愈發(fā)突出[2]。

相變儲能裝置是利用相變材料在相變過程中存儲或釋放熱量的特性實現(xiàn)設備溫度控制的裝置，它同時具有能量儲存和溫度控制的功能[3–4]。利用相變材料為電子設備提供熱防護，電子設備產(chǎn)生的熱量被相變材料以熔化潛熱的形式吸收，設備溫度不會顯著升高。這種系統(tǒng)是完全被動的，非常可靠[1,5]。本文針對某航天電子設備的熱控需求，基于固–液相變控溫技術完成了相變機殼的熱設計，同時利用金屬3D打印技術實現(xiàn)了相變裝置與復雜結構設備機殼的共形設計，可供類似電子設備的熱控設計參考。

表1 設備內(nèi)部發(fā)熱器件的工作時間及熱耗

1 概述

某航天設備的發(fā)熱器件（熱源）安裝基板布置在機殼的中間位置，在A，B 兩面安裝，熱源1—4安裝在A面，熱源5—10安裝在B 面，元器件的布局如圖1所示。

圖1 電源單元內(nèi)部元器件布局示意圖

元器件的熱耗量及工作狀況見表1，其中峰值功耗為174.7 W。設備的極限應用條件為：環(huán)境溫度+60°C，海拔10 000 m，設備一次連續(xù)工作時間不少于4.5 min。器件溫升應滿足或優(yōu)于III級降額，轉化為基板要求后，設備中熱源1的最高允許殼溫為85°C，其余發(fā)熱器件的最高允許殼溫為80°C。設備內(nèi)部各熱源在應用條件下在各工作時間段的發(fā)熱量見表1，在此過程中器件累積的總熱量為31 870.2 J。

本文基于相變控溫技術完成了某航天電子設備機殼的熱設計，對比了以單純鋁合金及充裝相變材料鋁合金兩種殼體作為熱沉控制設備溫度的方案。同時，利用金屬3D打印技術實現(xiàn)了相變裝置與復雜結構機殼的共形設計。

2 設計分析

2.1 金屬機殼方案

設備鋁合金機殼結構由機械加工成型，材料為2A12–T4，質(zhì)量約為2.2 kg，如圖2所示。在建模過程中，根據(jù)熱分析軟件建模以及設備自身的特點對結構模型進行了簡化，主要包括：1）簡化了所有的螺紋孔、凸臺和筋；2）不考慮結構件表面的粗糙度；3）省略了印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）、蓋板、螺釘?shù)扰c模塊無直接接觸的結構，僅保留機殼和熱源自身，將機殼和熱源作為熱沉進行分析計算。熱源自身高13 mm，其熱物性參數(shù)按照鋁合金進行選取。

圖2 設備鋁合金機殼結構示意圖

考慮空氣對流換熱和輻射換熱，在溫度+60°C，海拔10 000 m的應用條件下，在4.5 min這一時刻的設備溫度云圖如圖3所示。最高溫度為83.46°C，出現(xiàn)在熱源1處，最低溫度為62.44°C，出現(xiàn)在機殼邊緣處，其余熱源溫度在73.91°C ～82.16°C之間，部分器件不滿足III級降額允許溫度要求。

圖3 電源單元元器件及殼體溫度云圖

2.2 相變機殼方案

2.2.1 殼體設計

相變材料又稱潛熱儲能材料，在相變蓄熱過程中可吸收或放出大量能量。與金屬材料相比，相變材料具有相變潛熱大、相變過程溫度穩(wěn)定等優(yōu)點。例如，石蠟類相變材料的固液相變潛熱為220 kJ/kg，鋁合金材料的比熱容為921 J/（kg·°C），1 kg相變材料在相變過程中吸收的熱量可以讓1 kg鋁合金的溫度上升239°C。因此利用相變儲熱技術可以有效降低結構重量，控制設備的溫度。

相變材料自身的導熱系數(shù)很低，容易造成設備內(nèi)部較大的溫度梯度，在一定程度上制約相變熱沉裝置的實際應用，因此強化相變材料的傳熱十分必要。

提高相變裝置的當量導熱系數(shù)常見的設計手段有：1）以金屬殼體作為基體封裝相變材料，并設置導熱增強筋；2）加入具有高導熱性能的填料，如短切玻纖、石墨、銅粉、鋁粉等。導熱增強材料與殼體壁面之間通常會產(chǎn)生接觸熱阻，而接觸熱阻會在一定程度上降低傳熱效率，影響相變控溫的效果[6–7]。

利用金屬3D打印逐層熔覆增材制造的方式可以實現(xiàn)內(nèi)部金屬導熱增強材料與相變裝置殼體的一體化制造，消除界面熱阻，有效提高相變裝置的當量導熱系數(shù)。出于熱容量最大化和輕量化的考慮，金屬3D打印技術可實現(xiàn)相變裝置與復雜結構設備機殼的共形設計，其成形的零件致密性好，能夠成形高精度復雜異形金屬零件，且具有組織性能好的特點[8]，在滿足強度要求的前提下可以盡可能地減小封裝體的壁厚，增大相變材料的填充量。

根據(jù)某航天電子設備的熱源分布，在熱源安裝基板內(nèi)部有熱源區(qū)域設計密閉的空腔填充相變材料，在殼體內(nèi)設計金屬點陣來強化導熱，其余非熱源區(qū)域不填充相變材料，在殼體內(nèi)僅設計金屬點陣來增強結構強度和減重。

金屬成型材料選用AlSi10Mg（采用該材料的3D打印產(chǎn)品很多），經(jīng)過內(nèi)部處理后其抗拉強度可達到320 MPa。殼體厚度設計為1 mm，采用3D打印殼體和填充相變材料的方式，整個殼體結構的質(zhì)量預計在1.05 kg左右。根據(jù)累積熱量（31 870.2 J）計算，相變材料的充裝量預計在0.15 kg左右，整個相變機殼質(zhì)量約為1.2 kg。金屬3D打印的相變裝置殼體及點陣結構如圖4所示。

圖4 金屬3D打印的相變裝置殼體及點陣結構

2.2.2 相變材料

對于用于電子設備溫控的相變材料，除考慮材料屬性、過冷度、相變溫度、相變潛熱值及可操作性等指標外，還要考慮它與基體材料或添加物之間的相容性，因為該相容性直接關系到相變材料的使用壽命。本文選擇與鋁合金相容性較好的石蠟類有機相變材料。

某航天電子設備的極限環(huán)境初溫為+60°C，末期溫度控制在+80°C以內(nèi)，基板內(nèi)部填充的相變材料的相變點應位于60°C ～80°C之間。考慮到設備的相容性、材料屬性、經(jīng)濟性及可操作性等，選用正二十八烷作為相變材料，其物理性質(zhì)見表2。

表2 正二十八烷的熱物理性質(zhì)

正二十八烷屬于有機類相變材料，其優(yōu)點是與大多數(shù)結構材料相容，無腐蝕，無過冷現(xiàn)象，化學熱性能穩(wěn)定，熔化時體積變化率小，缺點是導熱率低。

2.2.3 熱分析結果

采用相變機殼方案，在某航天應用條件下在4.5 min這一時刻設備的溫度云圖如圖5所示。最高溫度為74.99°C，出現(xiàn)在熱源1 處，最低溫度為60.00°C，出現(xiàn)在機殼邊緣處，其余熱源溫度為63.18°C ～73.58°C，所有模塊溫度均滿足III級降額基板最高允許溫度要求。

圖5 設備內(nèi)部器件及殼體溫度云圖

熱源1相變殼體安裝面的溫度曲線如圖6所示。從圖6可以看出，相變材料在61.8°C左右發(fā)生相變，有效抑制了發(fā)熱模塊安裝面的溫升。

圖6 熱源1相變殼體安裝面溫升曲線

2.3 方案對比

從溫度指標情況來看，采用相變機殼的方案，熱源的溫度水平較鋁合金機殼有了顯著的改善，器件殼溫從73.91°C ～83.46°C降到63.18°C ～74.99°C，降低了10°C左右。

從質(zhì)量指標情況來看，鋁合金機殼的設計質(zhì)量為2.2 kg，而且如果要滿足溫度指標要求，則還需要進一步增加結構的質(zhì)量來增大殼體熱容。相變機殼采用金屬3D打印的形式，在內(nèi)部設計三維點陣，在保證結構強度的前提下實現(xiàn)了輕量化設計。同時在局部填充相變材料，利用其潛熱有效抑制了模塊的溫升，降低了結構質(zhì)量，整個相變機殼的質(zhì)量約為1.2 kg，相比鋁合金機殼方案，其整體質(zhì)量降低了約45%。此外，金屬3D打印技術在實現(xiàn)形狀復雜零件的制造、減少零件的研制周期等方面相比傳統(tǒng)的機械加工成型方式具有明顯的優(yōu)勢。

3 結束語

本文針對某航天電子設備熱控需求，基于相變控溫技術完成了相變機殼的熱設計，并在相應的制備方法上創(chuàng)新性地采用了金屬3D打印工藝及相變材料填充的集成技術。得出的主要結論如下：1）對比單純金屬熱沉方案，相變裝置使電子設備獲得了更優(yōu)異的散熱溫控效果，可供類似電子設備的熱控設計參考；2）金屬3D打印可實現(xiàn)復雜結構相變機殼的有效成型和結構輕量化，可顯著增強彈載電子設備的實用性。

金屬3D打印相變機殼的強化散熱方案在國內(nèi)鮮有報道，三維點陣夾層結構參數(shù)（如單位體積內(nèi)胞元的大小、結構、數(shù)量等）在強化相變材料散熱功能和潛力上的影響有待進一步研究細化，期待該研究結果能在促進高端裝備結構的升級換代中起到一定的推動作用。