應(yīng)用于大功率彈載微波組合的相變儲(chǔ)熱模塊設(shè)計(jì)

李 剛,劉雨隴,葉 鋒,張棚芳

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

近年來,電子設(shè)備高集成度、小體積、大功率的特點(diǎn)日益凸顯,能否快速高效散熱成為直接影響設(shè)備工作穩(wěn)定性和可靠性的重要因素。尤其在彈載密閉的工作環(huán)境中,不具備風(fēng)冷、液冷等主動(dòng)散熱條件,且在彈載系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),為了避免大功率電子設(shè)備對其他設(shè)備的熱影響,通常在設(shè)備接觸面之間采取隔熱措施。因此,大功率設(shè)備無法通過熱傳導(dǎo)的方式與鄰近設(shè)備進(jìn)行熱交換,導(dǎo)致系統(tǒng)散熱問題更突出。如何實(shí)現(xiàn)密閉空間中設(shè)備可靠、高效的熱管理,已成為制約彈載電子設(shè)備發(fā)展的重大難題[1]。在實(shí)際工作場景中,由于彈載設(shè)備飛行時(shí)間短,內(nèi)部電子設(shè)備實(shí)際有效工作時(shí)間短,可采用熱沉瞬態(tài)儲(chǔ)熱技術(shù)提升設(shè)備自身的儲(chǔ)熱能力[2],以解決短時(shí)間內(nèi)設(shè)備溫升過高的問題。目前,相變儲(chǔ)熱是提高設(shè)備儲(chǔ)熱能力的重要手段之一。

相變儲(chǔ)熱模塊的儲(chǔ)熱能力主要由相變儲(chǔ)熱介質(zhì)的焓值決定。各種相變儲(chǔ)熱介質(zhì)中,作為有機(jī)相變材料的石蠟是應(yīng)用最廣泛的一種材料。石蠟的成本低,制備簡單,化學(xué)穩(wěn)定性高,熔融溫度范圍可調(diào),具有較高的相變焓值。但石蠟材料的導(dǎo)熱性能較差(一般導(dǎo)熱系數(shù)約0.2 W·m-1·K-1),遠(yuǎn)低于一般金屬材料。內(nèi)部的熱傳導(dǎo)效率極低,易形成較大的溫差,嚴(yán)重影響了石蠟相變的儲(chǔ)熱效果。導(dǎo)熱不良可能引起相變材料在有效時(shí)間內(nèi)的利用率降低,導(dǎo)致局部溫度超出設(shè)計(jì)值,甚至直接導(dǎo)致溫控失效。因此,改善相變材料的導(dǎo)熱能力,增強(qiáng)其快速儲(chǔ)熱能力,將會(huì)大大推動(dòng)相變材料在實(shí)際工程中的運(yùn)用。

常用的提升相變材料導(dǎo)熱性能的制備工藝是共混法[3],即通過在石蠟中添加高導(dǎo)熱金屬粉末、碳粉材料或高導(dǎo)熱無機(jī)材料等填料,在石蠟材料的基體內(nèi)部形成三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),從而提高石蠟相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)[4]。傳統(tǒng)的共混法具備工藝簡單,成本低的優(yōu)點(diǎn)。但對于石蠟內(nèi)部的導(dǎo)熱填料的穩(wěn)定性無法控制,容易產(chǎn)生沉積、分層等現(xiàn)象,導(dǎo)致石蠟復(fù)合材料不同部位的導(dǎo)熱系數(shù)不均。為達(dá)到理想的導(dǎo)熱系數(shù),必須添加大量的導(dǎo)熱填料,由此減少了儲(chǔ)熱材料石蠟本身的含量,降低了儲(chǔ)熱材料潛熱性能。

近年來新興的一種高導(dǎo)熱相變材料制備工藝是泡沫法,其包括金屬泡沫、碳泡沫和碳纖維三維骨架法。具有網(wǎng)絡(luò)泡沫結(jié)構(gòu)的金屬材料、碳材料或碳纖維模板,它們自身的多孔隙結(jié)構(gòu)可以帶來較高的力學(xué)強(qiáng)度和導(dǎo)熱性。將石蠟相變材料灌注到泡沫材料的孔隙內(nèi)部,形成完整高效的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),在結(jié)構(gòu)上有著更好的穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性能。與泡沫金屬材料相比,碳材料泡沫或纖維具有密度更低、導(dǎo)熱系數(shù)更高的特點(diǎn)[5]。但是泡沫法工藝復(fù)雜,成本高,暫不是主流的工業(yè)生產(chǎn)方法。

本文提出了一種儲(chǔ)熱模塊的設(shè)計(jì)與加工方法,通過將相變復(fù)合材料灌注到金屬殼體的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)熱模塊的研制。基于此法,針對某型號(hào)大功率彈載微波組合設(shè)計(jì)了一種相變儲(chǔ)熱模塊,最后通過數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)分析的方法驗(yàn)證了該儲(chǔ)熱模塊的散熱能力。

1 微波組合散熱需求介紹與分析

1.1 微波組合結(jié)構(gòu)

本文提出的彈載微波組合由5層功能模塊疊裝組成。如圖1所示,該組合結(jié)構(gòu)尺寸為165 mm×130 mm×86.5 mm,總熱耗為211 W。彈體內(nèi)高溫環(huán)境溫度為60 ℃,無外部散熱途徑,要求連續(xù)工作10 min后模塊表面溫度不超過105 ℃。組合總質(zhì)量≤2.2 kg,微波組合的功率密度(單位體積的熱流量)為0.11 W/cm3。經(jīng)計(jì)算,僅依靠微波組合自身的熱容無法滿足其工作時(shí)間或工作溫度的需求。

圖1 微波組合結(jié)構(gòu)示意圖(未加儲(chǔ)熱模塊)

1.2 組合熱源分布

該組合5層功能模塊熱器件分布如圖2所示。熱源器件在5層功能模塊上均有分布,主要集中在功放模塊一。

圖2 各層模塊發(fā)熱器件分布示意圖

各層功能模塊質(zhì)量、熱耗分布如表1所示,各層模塊總質(zhì)量2.18 kg,滿足組合總重量要求。整個(gè)微波組合熱耗為211 W,其中功放模塊一熱耗為140 W,占整個(gè)組合熱耗的66.35%。因此,考慮緊貼功放模塊一下方增加相變儲(chǔ)熱模塊來提高組合散熱能力,以達(dá)到微波組合的工作要求。

表1 各層模塊質(zhì)量、熱耗統(tǒng)計(jì)表

1.3 儲(chǔ)熱模塊設(shè)計(jì)

該儲(chǔ)熱模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示,由相變復(fù)合材料和儲(chǔ)熱主體結(jié)構(gòu)組成。相變復(fù)合材料選用碳粉與石蠟固液復(fù)合成相變材料。主體結(jié)構(gòu)為內(nèi)部有三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的金屬殼體。內(nèi)部三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)可以增加金屬殼體與相變材料的接觸面積,改善儲(chǔ)熱模塊內(nèi)部的導(dǎo)熱情況,在有效的工作時(shí)間內(nèi)更加充分地發(fā)揮儲(chǔ)熱模塊的性能。

圖3 儲(chǔ)熱模塊結(jié)構(gòu)示意圖

儲(chǔ)熱主體結(jié)構(gòu)的材料及結(jié)構(gòu)形式對儲(chǔ)熱模塊內(nèi)部的導(dǎo)熱性能有重要影響,直接影響模塊的相變效率和溫度分布。

首先,主體結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有較高的導(dǎo)熱性能,可以將熱源產(chǎn)生的熱量快速傳遞到相變材料內(nèi)部。其次,結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)合理分布。主體結(jié)構(gòu)在內(nèi)部與相變材料交叉形成三維的導(dǎo)熱和儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu),形成較好的機(jī)械強(qiáng)度,保證儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性。同時(shí)結(jié)合先進(jìn)的增材制造工藝,通過其具有的自由實(shí)體成形高性能增材制造的特征,可以完成內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造[6]。

實(shí)際應(yīng)用中,微波組合結(jié)構(gòu)件的常用金屬材料包括鋁合金、不銹鋼、銅等。其中不銹鋼的加工難度大,導(dǎo)熱性能差(導(dǎo)熱系數(shù)約為16 W·m-1·K-1),遠(yuǎn)不及鋁合金(導(dǎo)熱系數(shù)約為160 W·m-1·K-1)和銅(導(dǎo)熱系數(shù)約為400 W·m-1·K-1)的導(dǎo)熱能力,但銅的密度較高,限制了其應(yīng)用場景。因此,在綜合考慮導(dǎo)熱系數(shù)、質(zhì)量、加工性之間的平衡后,選用鋁合金材料6061作為儲(chǔ)熱主體結(jié)構(gòu)材料。

模塊主體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系,但是受到加工工藝方式的限制,一些結(jié)構(gòu)只能停留在理論設(shè)計(jì)層面。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)加工方式不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)已變得可行。基于增材制造技術(shù),實(shí)現(xiàn)了殼體內(nèi)部三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的加工,提高了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)。在相同體積質(zhì)量前提下可以得到更好的導(dǎo)熱性能,獲得導(dǎo)熱性能、體積質(zhì)量的最優(yōu)比。

2 儲(chǔ)熱設(shè)計(jì)及估算

該儲(chǔ)熱模塊所用主要材料參數(shù)如表2所示。

表2 各材料參數(shù)

微波組合總的發(fā)熱量估算:

Qt=P·Δt

(1)

式中:P為微波組合的平均熱耗;Δt為實(shí)際工作的時(shí)間;Qt為產(chǎn)生的總熱量。微波組合平均熱耗為211 W,持續(xù)工作10 min。經(jīng)計(jì)算得到總熱量為126.6 kJ。

微波組合從環(huán)境溫度60 ℃到表面極限溫度105 ℃,最大允許溫升為45 ℃。組合總質(zhì)量為2.18 kg。主體結(jié)構(gòu)的主要部分為鋁合金。

若不采用儲(chǔ)熱材料,僅靠鋁合金自身熱容儲(chǔ)熱,可根據(jù)下式估算設(shè)備持續(xù)工作600 s后的溫度。

Tmax=T0+ΔT

(2)

ΔT=Qt/(Ca×ma)

(3)

式中:T0為微波組合工作的初始環(huán)境溫度;Ca為組合的等效比熱容;ma為組合的總質(zhì)量。

此時(shí)計(jì)算得到組合持續(xù)工作600 s后的表面溫度為124.8 ℃,遠(yuǎn)超出表面極限溫度105 ℃,不滿足設(shè)計(jì)要求。

增加儲(chǔ)熱模塊后,估算微波組合中除儲(chǔ)熱模塊外,部分的熱容所吸收的熱量。

Q0=C0·(ma-m0)Δt

(4)

式中:C0為組合的近似熱容;ma為組合總質(zhì)量;m0為儲(chǔ)熱模塊的總質(zhì)量。根據(jù)式(4)計(jì)算得到儲(chǔ)熱模塊外的組合所吸收的熱量為74.592 kJ,儲(chǔ)熱模塊待吸收的熱量為52.008 kJ。

忽略儲(chǔ)熱模塊中鋁合金部分熱容所吸收的熱量,估算儲(chǔ)熱相變材料的用量。

m1=Q1/(H+C1ΔT)

(5)

式中:H為相變材料的焓值;Q1為儲(chǔ)熱模塊待吸收熱量;C1為相變材料的比熱容;ΔT為允許的溫升;m1為儲(chǔ)熱相變材料的總質(zhì)量。根據(jù)式(5)計(jì)算得到儲(chǔ)熱相變材料的質(zhì)量為189 g,對應(yīng)儲(chǔ)熱材料體積為210 cm3。

此時(shí),儲(chǔ)熱相變材料的體積小于儲(chǔ)熱模塊內(nèi)部可用空間體積(252 cm3),體積滿足設(shè)計(jì)需求。考慮到儲(chǔ)熱模塊中鋁合金自身熱容所吸收的熱量,根據(jù)式(2)、(3)進(jìn)行驗(yàn)算,計(jì)算得到微波組合持續(xù)工作600 s后的表面溫度為102.5 ℃,滿足理論設(shè)計(jì)要求。

3 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析

3.1 等效熱容法的仿真分析

利用ANSYS Icepak熱分析軟件進(jìn)行微波組合的熱仿真設(shè)計(jì)。建立的仿真模型如圖4所示,該仿真模型中的儲(chǔ)熱模塊厚度為16.5 mm,位于功放模塊一下方,并緊貼發(fā)熱芯片的安裝底面。微波組合總熱耗為211 W,環(huán)境為真空,環(huán)境溫度為60 ℃,工作時(shí)間為10 min。

圖4 微波組合熱仿真模型(含儲(chǔ)熱模塊)

儲(chǔ)熱模塊的主體結(jié)構(gòu)材料采用鋁合金6061,相變材料為碳粉與石蠟的復(fù)合材料。該相變材料在相變過程中溫度區(qū)間為2 ℃。

Ce=H/ΔTr

(6)

式中:ΔTr為相變過程的溫度區(qū)間;Ce為相變材料的等效熱容。根據(jù)式(6)計(jì)算得到該相變材料在相變階段的等效熱容為90 kJ·kg-1·K-1,其曲線如圖5所示。

圖5 復(fù)合相變材料等效熱容曲線(-55～+150 ℃)

為簡化運(yùn)算,在仿真計(jì)算時(shí)假設(shè):

1) 殼體與熱源器件接觸緊密,忽略安裝面接觸熱阻。

2) 忽略環(huán)境中其他設(shè)備對微波組合的熱影響。

通過仿真計(jì)算得到微波組合工作時(shí)間段內(nèi)的溫度隨時(shí)間變化曲線,如圖6所示。由圖可以看出,在微波組合工作10 min后,表面最高溫度為101 ℃。滿足表面溫度≤105 ℃的設(shè)計(jì)要求。

圖6 組合表面溫度隨工作時(shí)間變化仿真曲線

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案中的理論估算和熱仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用增材制造工藝制作內(nèi)部有三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的儲(chǔ)熱主體結(jié)構(gòu),將相變復(fù)合材料灌注其中,完成儲(chǔ)熱模塊樣品的制作,如圖7所示。

圖7 儲(chǔ)熱模塊實(shí)驗(yàn)樣品及內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型

搭建熱測試系統(tǒng),對儲(chǔ)熱模塊的散熱效果進(jìn)行實(shí)測。熱測試系統(tǒng)由儲(chǔ)熱模塊(被測件)、5層功能模塊(模擬熱源)、溫度采集系統(tǒng)(安捷倫34970A)、可調(diào)電源(安捷倫E3633A)和高溫箱(哈丁HLT7 VO-40W3C)組成,如圖8所示。高溫箱的初始環(huán)境溫度設(shè)置為60 ℃。

圖8 儲(chǔ)熱模塊的測試原理框圖

3.3 測試與仿真結(jié)果對比

如圖9所示,多路溫度傳感器貼合模塊表面測點(diǎn),通過溫度采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理分析,得到微波組合工作前600 s的溫度隨時(shí)間變化曲線,如圖10所示。實(shí)測結(jié)果表明,600 s時(shí)模塊表面最高溫度為104.1 ℃,最大溫升為44.1 ℃。前面由仿真計(jì)算結(jié)果得到,模塊表面最高溫度為101 ℃,溫升為41 ℃。由于測試熱電偶粘貼位置差異、設(shè)備內(nèi)部熱阻設(shè)置和模型參數(shù)簡化等誤差的影響,模塊溫升實(shí)測結(jié)果相較仿真計(jì)算結(jié)果存在一定的偏差,最大偏差為7.6%。在一般工程設(shè)計(jì)中,該偏差值在合理的誤差范圍內(nèi),仿真及測試結(jié)果可作為工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

圖9 儲(chǔ)熱模塊熱測試的測點(diǎn)分布

圖10 組合表面溫度隨工作時(shí)間變化實(shí)測曲線(含儲(chǔ)熱模塊)

為驗(yàn)證儲(chǔ)熱設(shè)計(jì)的必要性,用同體積的鋁合金熱沉替代儲(chǔ)熱模塊。在相同熱測試環(huán)境中測試微波組合表面溫度變化,得到溫度隨時(shí)間變化曲線,如圖11所示。實(shí)測結(jié)果表明,在組合工作約400 s時(shí),表面溫度即達(dá)到105 ℃,工作持續(xù)時(shí)間不滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 組合表面溫度隨工作時(shí)間變化實(shí)測曲線(含鋁合金熱沉)

4 結(jié)束語

本文提出了一種彈載微波組合儲(chǔ)熱模塊的設(shè)計(jì)與加工方法。利用增材制造工藝制作出儲(chǔ)熱模塊樣品,并同時(shí)搭建了儲(chǔ)熱模塊的熱測試系統(tǒng),開展了樣品的儲(chǔ)熱性能測試。結(jié)果表明,本文提出的將相變材料灌注到金屬殼體的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所成型的儲(chǔ)熱模塊加工工藝簡單、易實(shí)現(xiàn),且具有較好的導(dǎo)熱和儲(chǔ)熱能力,這解決了彈載產(chǎn)品在短時(shí)、高熱量情況下的高效熱控問題,并為彈載大功率電子設(shè)備熱管理提供了一種行之有效的技術(shù)途徑。