耐輻射破拆機器人控制器散熱結構設計與仿真分析

王晨程，劉 濤，張孟旋，劉慶運

(安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

隨著電子技術的快速發展，芯片集成度和模塊組裝密度得到了大幅提升，導致了機箱內部的熱流密度居高不下，為了使機箱可以正常安全地使用，要求機箱具有良好的散熱性能[1]。研究表明，在允許使用溫度范圍以外，電子元器件的溫度每升高10 ℃，其失效率就會增加一倍左右[2]。因此，如何保證機箱內部電子元件在指定的環境下穩定、可靠地工作，散熱設計成為必須考慮的重要因素之一。近年來，各類高校和科研機構廣泛地開展了電子設備散熱優化仿真技術的研究。任恒等[3]對某密閉機箱的結構布局進行了優化，設計了一種利于功率器件散熱的結構，仿真結果表明采用強迫風冷散熱方式，能夠將主要功率器件的殼溫降至85 ℃以下。李玲娜等[4]通過計算某機載密閉機箱與外部空氣自然對流冷卻下的熱流密度值分析了機箱的散熱性能，優化了機箱結構和內部布局，使機箱具備了良好的對流散熱性能。王飛等[5]采用水冷板和流道對某驅動控制器進行散熱，實驗驗證了其良好的散熱能力。以上介紹的多種散熱方法，均為一般環境下的散熱研究，但對核輻射環境而言，由于箱體外部輻射塵埃及內部控制器熱特性比較復雜，常規的散熱方法已不能滿足使用要求。為了滿足破拆機器人內部控制器在復雜環境中的散熱要求，還需要對控制器的散熱方法做進一步改進。

1 破拆機器人控制器散熱機箱建模

1.1 結構設計

該機箱按防護功能分為核防護模塊和控制器熱防護模塊兩個模塊。第一個模塊是控制器的核防護模塊，為減少核輻射帶來的危害，控制器機箱采用雙層結構設計，機箱最外層為鋁合金殼體，殼體內嵌入一個8 mm厚度的鉛盒，鉛盒的作用是屏蔽外部環境的核輻射以及阻擋輻射塵埃。第二個模塊是控制器熱防護模塊，主要利用TEC和相變材料給控制器內部的發熱部件降溫。機箱的外形尺寸為長350 mm、寬320 mm、高160 mm，控制器內部芯片最高允許溫度為95 ℃，機箱的抗輻照強度為30 Sv/h、累積劑量為100 Gy，機箱的結構如圖1所示。

圖1 機箱結構

控制器內部功耗器件利用Icepak中Block塊模型建立，其內部熱耗分布如圖2所示。

圖2 控制器內部熱耗分布

圖2中，A1～A7為控制器內部的發熱件模塊，A1～A7的具體功耗見表1。

表1 控制器內部各發熱件模塊熱耗表

1.2 散熱方式

控制器內部芯片在工作時產生的熱量幾乎占據了整個機箱的全部熱量，因此在散熱設計中控制器的散熱需要重點考慮。把控制器置于密封箱內，密封箱由鉛板和鋁合金組成，由于石蠟有一定的中子屏蔽能力，且有較大的蓄熱能力，選用石蠟相變材料作為填充物。TEC半導體制冷片冷端通過一種導熱硅脂貼附在控制器的外殼壁上，熱端通過相變材料吸收熱量，保證TEC的制冷性能。從整體設計來看，半導體制冷與相變材料的相變吸熱是實現控制器內部芯片降溫的主要方法，TEC和相變材料布局示意圖如圖3所示。

圖3 TEC和相變材料布局示意圖

2 相變材料幾何建模及TEC工作特性分析

2.1 相變材料幾何建模

從傳熱的角度來看，石蠟熔化過程中的固液相問題的本質是相變傳熱，也被稱為Stefan問題[6]。對于相變材料，焓法以蓄熱材料的溫度和焓一起作為求解變量，這樣可以在整個區域建立統一的能量方程，其控制方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：ρ為液態相變材料的密度；u、v分別為液態相變材料的速度在x方向上和y方向上的分量；μ為動力黏度；λ為導熱系數；Cp為比熱容；p為壓強；Su、Sv分別為x方向上和y方向上的動量源項；H為相變焓；Sh為能量源項。

關于焓的表達如下：

H=h+ΔH.

(5)

ΔH=βL.

(6)

(7)

其中：h為顯熱；ΔH為相變過程中吸收或者放出的反應熱；β為液相分數；L為相變潛熱；Tl為材料的液相溫度；Ts為材料的固相溫度。

2.2 TEC工作分析

TEC半導體制冷器的基本單元是半導體電偶。將一個N型半導體和一個P型半導體組成一對熱電偶，它們的帕爾貼效應比其他金屬強，能夠在節點處表現出明顯的制冷作用，其工作原理如圖4所示。

圖4 熱電制冷器原理

TEC冷端制冷量Qc(W)為：

Qc=2N{αITc-[(I2B)/(2G)]-kΔTG}.

(8)

其中：N為熱電偶對數；α為塞貝克系數，V/℃；I為TEC輸入電流，A；Tc為TEC冷端溫度，℃；B為TEC阻率，Ω·cm；G為TEC幾何系數，又稱G因子，即熱電偶截面積與高度的比值，cm；k為熱電偶對熱導率，W/(cm·K)；ΔT為TEC冷熱端溫差，℃。

3 熱仿真分析

3.1 邊界條件

(1) 環境參數。氣流入口邊界條件，模型進口邊界給定空氣的平均風速為0.5 m/s，環境溫度設定為55 ℃。

(2) 材質。機箱外殼材質為鋁合金，屏蔽材料設置為鉛，部分導熱金屬部件采用紫銅以提高導熱系數。

TEC：根據具體的TEC產品型號，將電流、電壓和熱電偶對數等參數輸入到軟件自帶的TEC模塊。

石蠟相變材料：因為相變過程是瞬時發生，物性參數也跟著發生變化，用等效比熱容法和等效導熱系數法進行模擬，相關參數如表2所示。

表2 相變材料物性參數

純液相和純固相區域物性參數分別為常數，在兩相糊狀區對其進行線性處理，計算公式如下：

(9)

(10)

其中：a、b、c、d為常數，根據石蠟相變材料的熔點確定。

3.2 仿真結果分析

為驗證模型的可靠性，進行了對比仿真實驗。環境溫度設置為55 ℃，利用ANSYS Icepak軟件對設計的散熱結構進行數值模擬，得出了方案的熱仿真結果。無散熱輔助結構的控制器內部溫度分布云圖如圖5所示。

圖5 無散熱控制器內部溫度分布云圖 圖6 控制器外部溫度分布云圖 圖7 控制器內部溫度云圖

環境溫度設置為55 ℃，添加了設計的散熱模型的熱仿真溫度分布云圖如圖6、圖7所示。

由圖5仿真結果可見，在沒有提供散熱防護的措施下，控制器內部芯片最高溫度達到了105.2 ℃；由圖6和圖7可知，當提供了設計的散熱防護結構時，集中在控制器內部的熱量明顯減少，內部芯片最高溫度僅為80.1 ℃。

4 結語

利用熱仿真軟件Icepak分析，不加散熱模式下，環境溫度為55 ℃，控制內部溫度明顯增高，達到了105.2 ℃，超過了控制器使用的溫度條件。通過對比發現，添加了散熱模型的熱模擬結果表明，在環溫55 ℃下，功放芯片溫度分布在70 ℃和81.1 ℃之間，該器件最高功率芯片的最高溫度為80.1 ℃，低于最大允許溫度95 ℃，滿足電子元件在高輻射高熱環境下穩定可靠的工作要求。