基于Workbench的膨脹石墨相變材料熱沉優(yōu)化設計*

胡家渝

(中國電子科技集團公司第十研究所， 四川 成都 610036)

基于Workbench的膨脹石墨相變材料熱沉優(yōu)化設計*

胡家渝

(中國電子科技集團公司第十研究所， 四川 成都 610036)

隨著彈載平臺飛行時間越來越長，速度越來越快，使用普通的熱設計措施，如利用器件或結構自身的熱容來延緩核心器件溫度上升的做法已經越來越不適用。文中對使用膨脹石墨PCM(相變材料)的彈載相變熱沉進行了參數(shù)化建模及分析，利用Ansys Workbench的DM(Design Modeler)參數(shù)化分析流程，使用Icepak并結合虛擬比熱法進行了計算，得出了影響某實際工程中PCM熱沉效能的幾個相關參數(shù)及其最優(yōu)值。

相變材料；膨脹石墨；優(yōu)化設計；虛擬比熱法

引 言

由于導彈的戰(zhàn)技指標要求，其飛行速度越來越快，時間越來越長，彈體表面及附近處于高速、高溫的物理環(huán)境下，彈載電子設備散熱系統(tǒng)中完全沒有了外部的空氣熱沉。使用普通的熱設計措施，如利用器件或結構自身的熱容來延緩核心器件溫度上升的做法已經越來越不適用，必須找到一種可靠、安全且滿足飛行時間要求的熱沉。PCM(相變材料)及相變熱沉早已在文獻[1-2]中被提及，但是可參考的具體設計案例很少。本文對使用膨脹石墨PCM的彈載相變熱沉進行了參數(shù)化建模及分析，并利用Ansys Workbench的DM(Design Modeler)的參數(shù)化分析流程，使用Icepak進行了計算，得出了影響某實際工程中PCM熱沉效能的幾個相關參數(shù)及其最優(yōu)值。

1 相變熱沉的材料選擇及設計

1.1 PCM的選擇

在文獻[1-2]中提及的PCM是各種石蠟，因碳原子數(shù)量不同其相變溫度也不同。相變溫度隨碳原子數(shù)量的增加而增加。在實際工程中，直接采用石蠟作為PCM主要有以下問題：

1)石蠟固相與液相的體積變化過大；

2)石蠟發(fā)生相變生成液相后具有流動性，容易引起電子設備某些功能器件的性能變化，如液相石蠟流到波導、微帶線上，且流動將導致方向性問題[3]；

3)石蠟遇高溫與可燃固體在一起容易起火，特別是在高溫的彈載平臺上；

4)石蠟的導熱系數(shù)過低，導致傳熱的擴散熱阻較大，石蠟熱沉的效能將大大降低。

綜上所述，人們采取了各種方法對其進行改性[4]，主要目的是降低流動性、提高導熱系數(shù)，同時在滿足此前提的情況下盡量提高材料的平均相變潛熱。目前主要采用金屬鋁泡沫摻入石蠟[5-7]或石墨片及金屬粉末摻入石蠟[8]的方式。采用新型的膨脹石墨加石蠟的方式在工程應用上研究較少。膨脹石墨PCM是以石蠟為相變材料、以膨脹石墨為支撐結構，利用膨脹石墨的多孔吸附特性，制備出的復合相變儲熱材料。不同的石蠟含量有不同的相變溫度，將其熱壓到封閉腔體內便形成了PCM熱沉。目前應用的幾種膨脹石墨PCM的基本性能見表1。下文的設計與優(yōu)化采用74#材料。

表1 所涉及的不同PCM的物性對比

1.2 PCM熱沉結構

根據(jù)實際器件及結構的特點設計了PCM熱沉框架，為使加工方便、測試便利，將PCM直接壓入網格腔體中形成PCM熱沉。器件直接和熱沉的底面接觸，通過傳導將熱量導入熱沉中，見圖1。

圖1 PCM熱沉結構

2 PCM熱沉的優(yōu)化設計

2.1 PCM熱沉的參數(shù)化

待優(yōu)化熱沉結構參數(shù)見圖2及表2、3。在目前的優(yōu)化過程中需要變化的是長度和寬度方向上的邊距e_dl、e_dw，及長度方向上單元數(shù)量e_number。為簡化分析過程，采用e_dl=e_dw即每個單元的各邊距完全相等進行建模。采用a=b=V及e_number=c對參數(shù)化模型進行驅動，其中V的取值為{1, 2, 3, 4, 5, 6}，而c的取值為{2, 3, 4}。為了降低建模的工作量，盡量實現(xiàn)自動化，裝配體零件之間采用UG關聯(lián)表達式(Inter-part Expression)將裝配體中零件之間的幾何尺寸參數(shù)相互關聯(lián)。當c取不同值導致拓撲結構發(fā)生變化后，每個PCM單元體自適應變更幾何尺寸，同時自適應調整裝配陣列的間距、數(shù)量參數(shù)。

圖2 PCM熱沉結構參數(shù)

參數(shù)意義參數(shù)名 長度方向邊距/mme＿dl 寬度方向邊距/mme＿dw 單元高度/mme＿h 單元長度/mme＿l 單元長度間距/mme＿l＿pitch 長度方向單元數(shù)e＿number 單元寬度/mme＿w 單元寬度間距/mme＿w＿pitch 裝配體x向陣列單元數(shù)p0＿array＿size 裝配體x向陣列間距/mmp1＿array＿offset 裝配體y向陣列單元數(shù)p2＿array＿size 裝配體y向陣列間距/mmp3＿array＿offset

表3 模型參數(shù)關系及取值

通過該方法，配合表3關系可大大提高建模速度。由于Ansys Workbench支持NX接口，因此可在DM中直接對以上3個參數(shù)進行修改，同時使用DM的Electronic工具將參數(shù)化模型簡化為Icepak中的單元體。只要c不變，更改a、b就可獲得不同的Icepak計算模型，且不同c值對應的不同a、b值只需進行一次Icepak物性參數(shù)及邊界的設置，大大加快了仿真分析速度。

本文主要對e_dl、e_dw及e_number進行優(yōu)化，其他參數(shù)考慮到實際加工等因素暫設定為常數(shù)。裝配體模型由pp3.prt和相變單元pcem_e.prt裝配而成。

2.2 優(yōu)化的分析流程

將參數(shù)化模型導入DM中后，需要修改其默認參數(shù)識別前綴“DS”為“e”才能在DM的參數(shù)列表中看到UG中設定的各參數(shù)，同時出現(xiàn)Parameter Set Bus。由于Ansys Workbench中沒有為Icepak列出專門的Analysis system，因此無法采用響應面方法對應的自動參數(shù)驅動優(yōu)化模式，只能采用半自動模式，即人工修改參數(shù)，然后計算得到結果。Ansys Workbench中的流程圖如圖3所示。

圖3 Ansys Workbench中優(yōu)化流程圖

2.3 PCM建模及試驗驗證

2.3.1 PCM建模

PCM的建模目前主要有3種方法：

1)通過界面追蹤結合VOF方法對PCM內部流動情況進行詳細模擬，如文獻[9-10]，此方法計算量大，多用于研究液相可流動PCM相變后的內部形態(tài)及傳熱傳質微觀現(xiàn)象；

2)焓-多孔介質法(Enthalpy-Porosity technique)，該法多用于分析晶體的相變過程，計算量較第1種方法小，常用于分析連續(xù)鑄造等工藝過程；

3)等效比熱法/虛擬比熱法，多用于分析PCM整體的物理特性，計算量小。

在用于電子設備散熱的PCM中常常關心集總參數(shù)的結果，例如加熱熱源溫度隨時間變化的關系，因此采用第3種方法比較合適。文獻[11-12]是在電子設備散熱中使用PCM計算的一些實例。等效比熱法的基本原理如下：

即對相變材料在相變區(qū)間的比熱進行修改，修改為相變期間的相變潛熱與相變溫度范圍溫度差的比值。文獻[11-12]所用的膨脹石墨PCM的相變區(qū)間ΔT為2 ℃。

2.3.2 試驗驗證

通過一個加工實物對該建模方法的分析結果進行了測試，實物見圖4。

圖4 驗證試驗實物

加熱采用聚酰亞胺加熱膜，加熱功率控制在43 W。在腔體底板上打孔，使用OMEGA的T分度熱電偶配合Aglient 34970A數(shù)據(jù)采集儀器進行數(shù)據(jù)采集，每隔2 s采集一次溫度數(shù)據(jù)。環(huán)境初始溫度20 ℃，試驗與仿真分析結果對比如圖5所示。

圖5 試驗與仿真分析結果對比

由圖5可見，該方法的精度在工程上可以接受。

2.4 優(yōu)化的計算結果及分析

通過不同的參數(shù)設定進行優(yōu)化設計的模型及計算結果如圖6～圖11所示。計算模型沒有考慮蓋子及4個安裝耳。計算時間3 600 s，腔體材料為6061，為加快計算速度沒有考慮輻射換熱情況。溫度監(jiān)控點與測試時一致。瞬態(tài)計算考察的時間為1 h。

圖6 4單元熱沉(壁面厚度1、2、3、4、5、6 mm)

圖7 4單元熱沉底面監(jiān)控點溫度隨時間變化

圖8 6單元熱沉(壁面厚度1、2、3、4、5、6 mm)

圖9 6單元熱沉底面監(jiān)控點溫度隨時間變化

圖10 8單元熱沉(壁面厚度1、2、3、4、5、6 mm)

圖11 8單元熱沉底面監(jiān)控點溫度隨時間變化

所得溫度隨時間分布曲線明顯可分為3部分：

1)第一顯熱段，吸熱主要由結構和PCM的顯熱承擔；

2)潛熱段，該階段溫升曲線斜率明顯變小，主要由PCM的相變潛熱發(fā)揮吸熱作用；

3)第二顯熱段，PCM潛熱作用完畢，相變過程結束，熱量由結構和相變后PCM的顯熱吸收。

所有仿真分析數(shù)據(jù)分布在一張透視圖上，如圖12所示。

圖12 所有仿真計算的溫度時間變化圖

同時，對典型時間位置處的溫度分布進行了橫向比較(圖13～圖15)，所取時間點為其3個階段大約的中心時間位置，分別為360 s、1 440 s、3 060 s。

圖13 360 s時監(jiān)控點溫度比較

圖14 1 440 s時監(jiān)控點溫度比較

圖15 3 060 s時監(jiān)控點溫度比較

由圖13可見，在無相變發(fā)生時，熱點溫度的變化幾乎只和熱沉的質量相關，質量越大溫度越低。由圖14可見，當相變開始發(fā)生時，熱點溫度和熱沉的擴散熱阻、相變發(fā)生的程度等密切相關，就優(yōu)化的計算結果看，6單元最差，4單元最好。圖15表明，相變末端的溫度變化，其狀態(tài)和相變時接近。

圖16為3種壁厚下不同類型結構溫度橫向比較，由圖可見，如果不考慮質量和溫度控制時間，最優(yōu)結果是4單元6 mm壁厚結構形式；如考慮到彈上重量控制問題，最優(yōu)結果是8單元3 mm壁厚結構形式。

圖16 3種壁厚下不同類型結構溫度橫向比較

對于該結構，其他特點還包括：

1)壁厚越薄，相變時間越長，相差約300～400 s不等，但相變過程熱源溫度越高；

2)壁厚越厚，相變時間越短，但相變過程熱源溫度越低，相差5～7 ℃。

如果器件的溫度允許，且飛行時間很長，宜選擇壁厚較薄的結構。由于本項目對重量控制較為嚴格，最終選定3 mm壁厚、8單元的結構形式。

3 結束語

本文通過Ansys Workbench結合Icepak對采用膨脹石墨PCM的熱沉進行了優(yōu)化設計及分析，給出了一個工程實例的設計過程及優(yōu)化參數(shù)，對類似工程有參考意義。后續(xù)工作將通過分析熱沉內部溫度場在與PCM耦合條件下的變化過程，從物理原理上進一步總結該類設計的關鍵點。

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胡家渝(1978-)，男，工程師，碩士，主要從事電子設備熱設計工作。

Optimization Design for Phase Change Material Heatsink of Composite Paraffin Expanded Graphite Based on Workbench

HU Jia-yu

(The10thResearchInstituteofCETC，Chengdu610036,China)

As the flying time and speed of missile increase, traditional methods such as using the structure′s own heat capacity to absorb the dissipated heat and control the temperature increase of core electronic components had met dilemma. This paper carries out parameterized modeling and analysis for missile platform phase change heatsink using composite paraffin expanded graphite PCM(phase change material). Several relevant parameters affecting the heatsink efficiency of a practical project and their optimized values are calculated by using the parameterized analysis flow of DM(Design Modeler) of Ansys Workbench and using Icepak and the method of virtual specific heat capacity.

phase change material; composite paraffin expanded graphite; optimization design; method of virtual specific heat capacity

2013-02-28

TK124；TP391.9；TB34

A

1008-5300(2013)03-0044-06