一種減振導熱裝置的設計及導熱對比實驗分析

岳宗帥 苗世亮 齊 沖 李 宏 王 婕 林強強

（北京精密機電控制設備研究所航天伺服驅動與傳動技術實驗室,北京 100076）

減振導熱裝置主要應用于含有高功率發熱元器件的驅動電路組件中，其既要兼顧電子產品減振需求，又要將高功率發熱元器件產生的熱量通過導熱的方式傳遞到產品外殼，通過外殼實現向外界環境進一步的散熱[1]。本文針對減振導熱裝置的減振及導熱性能需要開展試驗研究，旨在驗證導熱絕緣墊＋導熱膜的散熱方案的有效性，以及在隨機振動條件下，金屬減振器可滿足力學環境需要，并保證不會對導熱膜造成損傷。

1 導熱試驗

1.1 試驗方案設計

針對減振導熱裝置設計導熱試驗方案[2]。試驗工裝結構如圖1所示，由金屬薄板、均熱儲能板、柔性導熱帶、導熱壓板、工裝底板和4只支座型金屬減振器組成。

圖1 試驗工裝結構

導熱部分由柔性導熱帶、均熱儲能板、導熱壓板組成。4只金屬減振器在減振導熱系統中起到減振作用。柔性導熱帶由300μm厚的石墨烯薄膜疊加10層構成，通過合理裁剪達到使用的目的。均熱儲能板采用鋁材[3]，導熱系數高。金屬薄板采用銅材質，在薄板上粘貼薄膜電加熱片，模擬設備發熱區域，以恒定功率提供熱載荷。熱載荷由金屬薄板傳遞到均熱儲能板上，再由柔性導熱帶將均熱儲能板上的熱載荷傳導到工裝底板上。此處工裝底板模擬設備外殼，在導熱試驗過程中，工裝底板外側采用水冷，提供恒定的溫度邊界[4]。

1.2 試驗條件

減振導熱裝置由導熱膜實現導熱功能，導熱膜對稱布置，選擇導熱膜進行溫度測量，測量位置位于導熱膜中線，T型熱電偶由鋁紙至導熱薄膜，共計16個測點，熱電偶分布在柔性導熱帶的不同位置，以測量整個柔性導熱帶的溫度梯度[5]。T型熱電偶T1～T4安裝在測量位置1處，T5～T8安裝在測量位置2處，T9～T12安裝在測量位置3處，T13～T16安裝在測量位置4處。熱電偶的分布位置：加熱片周圍的熱電偶為T1、T5、T9、T13，金屬薄板上的熱電偶為T2、T6、T10、T14，柔性導熱帶上的熱電偶為T4、T7、T11、T15，工裝底板上的熱電偶為T4、T8、T12、T16。

金屬薄板上粘貼薄膜電加熱片，以提供恒定功率（90 W）熱載荷。工裝底板與導熱壓板之間黏合導熱絕緣墊，工裝底板另一側用水冷，提供恒定的溫度邊界（15 ℃～35 ℃）。具體示意如圖2所示。

圖2 水冷邊界狀態及測量位置

1.3 試驗工況

本輪共計開展了3個試驗工況：

（1）工況1：減振導熱裝置（拆除柔性導熱帶和金屬減振器）＋雙層導熱絕緣墊；減振導熱裝置與加熱片和工裝底板之間分別黏合75 W導熱率的導熱絕緣墊；加熱片的熱載荷直接通過導熱絕緣墊傳遞至均熱儲能板和工裝底板上；涉及的熱電偶為T1、T4、T5、T8、T9、T12。

（2）工況2：減振導熱裝置＋雙層導熱絕緣墊；減振導熱裝置與加熱片和工裝底板之間分別黏合75 W導熱率的導熱絕緣墊；由于減振導熱裝置上安裝有減振器，導致均熱儲能板不能直接接觸工裝底板，使得加熱片的熱載荷先通過一層導熱絕緣墊傳導到均熱儲能板上，再通過柔性導熱帶把均熱儲能板上的熱載荷傳導到工裝底板上；涉及的熱電偶為T1～T16。

（3）工況3：減振導熱裝置（拆除柔性導熱帶）與加熱片和工裝底板之間直接金屬接觸無導熱絕緣墊；涉及的熱電偶為T1、T4、T5、T8、T9、T12。

1.4 試驗結果分析

本輪先后開展了3個工況的導熱試驗，試驗時，加熱片接入直流電源的電壓，控制加熱片的輸出功率。將T型熱電偶連接至溫度測量系統，溫度測量裝置連接至計算機，由溫度測量軟件實時測量數據?？紤]到伺服控制器整體工作時間，本次試驗每個工況的試驗時長均在30 min以上。每個工況下各測點溫度變化曲線如圖3～圖5所示。

圖3 工況1各測點溫度隨時間變化情況

圖4 工況2各測點溫度隨時間變化情況

圖5 工況3各測點溫度隨時間變化情況

從圖3可以看出，工況1在拆除減振器的情況下，加熱片上的熱載荷直接通過導熱絕緣墊傳遞到均熱儲能板和工裝底板上。加熱片開始加熱后，加熱片附近測點開始升溫；熱量傳遞到工裝底板后，工裝底板與加熱片附近溫度同步上升；加熱30 min后，加熱片附近的溫度達到110 ℃，金屬薄板處的溫度達到98 ℃，工裝底板處溫度達到92 ℃。從加熱片附近到工裝底板的溫度差在20 ℃以內，且較為穩定，導熱效果良好，可以證明減振導熱裝置內的均熱儲能板和導熱絕緣墊具有很好的導熱性能。

從圖4可以看出，工況2中均熱儲能板不能直接接觸工裝底板，使得加熱片的熱載荷先通過一層導熱絕緣墊傳導到均熱儲能板上，再通過柔性導熱帶把均熱儲能板上的熱載荷傳導到工裝底板上。加熱片開始加熱后，加熱片附近測點開始升溫，熱量逐漸傳遞到遠處。根據導熱膜、工裝底板上的測點溫度情況判斷，熱量傳遞到底板上的速度較快，在底板溫度開始上升后，底板與加熱片附近溫度同步上升。加熱30 min后，加熱片附近的溫度達到110 ℃，金屬薄板處的溫度達到98 ℃，工裝底板處溫度達到80 ℃左右。從加熱片附近到工裝底板的溫度差在30 ℃以內，可以有力地證明減振導熱裝置內柔性導熱帶可高效地把均熱儲能板上的熱載荷傳導到工裝底板上。

從圖5可以看出，工況3在不考慮導熱的情況下，直接采用4只金屬減振器進行減振。加熱片開始加熱后，加熱片附近測點開始升溫，加熱30 min后，加熱片附近的溫度達到140 ℃，工裝底板處溫度達到40 ℃左右。從加熱片附近到工裝底板的溫度差在100 ℃以內，熱量傳遞到底板上較慢，底板與加熱片附近的溫度差值較大，加熱片附近溫度過高，導熱效果差。工況3在無導熱絕緣墊導熱的情況下，加熱片附近測點的溫度高于工況1和工況2，可證明減振導熱裝置能使加熱片的熱載荷同步擴散到均熱儲能板和工裝底板上，使加熱片附近溫度不會升至過高，可證明減振導熱裝置中導熱絕緣墊+導熱膜的散熱方案的有效性。

2 振動試驗

2.1 試驗工裝設計

此系統的工裝設計包括模擬負載、減振導熱裝置、4只金屬減振器、工裝底板。模擬負載與減振導熱裝置的質量之和約為0.75 kg。將減振導熱裝置和模擬負載通過金屬減振器與工裝進行裝配，再將工裝緊固在振動臺上。試驗時控制點在振動臺臺面和工裝上，測量點在配重上。試驗設計的安裝狀態：將專用配重通過幾只金屬減振器與工裝進行裝配，將彈墊擰平，再將工裝緊固在振動臺上（見圖6）。

圖6 試驗安裝示意圖

2.2 試驗條件

測試要求：將配重通過減振導熱裝置安裝在工裝板上，按表1中試驗條件，進行隨機振動測試。試驗照片見圖7。

表1 隨機振動鑒定試驗條件

圖7 X、Y、Z三個方向試驗照片

2.3 試驗結果

本次隨機振動試驗的減振導熱裝置選用了300μm厚的導熱膜（包含4只JZW1305-1金屬減振器），試驗結果見表2。X方向的減振效率達到70%，Y方向的減振效率達到72.2%，Z方向的減振效率達到69.6%。整體減振效率約為70%，可證明減振導熱裝置有良好的減振作用。

表2 DRJZZ-01隨機振動試驗結果匯總

2.4 外觀檢查

試驗后，對300μm石墨烯導熱膜的外觀進行了檢查，如圖8所示。

圖8 試驗后石墨烯薄膜外觀圖

從圖8可以看出，石墨烯導熱膜外觀無異常，未發生折斷、破裂、掉沫現象，隨機振動試驗未對石墨烯薄膜造成額外損傷。

3 結論

本文對減振導熱裝置開展了3個工況的導熱試驗和隨機振動試驗。由上文可知，導熱效果以加熱片附近測點與工裝底板上測點溫度的差值來評估，溫度差值越小說明導熱效果越好，熱載荷可快速從加熱片傳遞到工裝底板。導熱試驗結果顯示，減振導熱裝置會使加熱片的熱載荷同步擴散到均熱儲能板和工裝底板上，使加熱片附近溫度不會升至過高，從而證明了減振導熱裝置中導熱絕緣墊+導熱膜的散熱方案的有效性。從隨機振動試驗結果來看，在隨機振動條件下，減振導熱裝置減振效率在70%左右，減振效果明顯，且不會造成300μm石墨烯導熱膜損壞，驗證了減振導熱裝置中減振方案的有效性。