一種相變熱沉的參數(shù)化影響分析

謝 標(biāo)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所國(guó)家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)中心，安徽合肥230088）

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件的特點(diǎn)趨向高集成、小體積、大熱耗，隨之帶來(lái)的就是電子器件的散熱問(wèn)題。在短周期的工作模式下，如彈載、低軌星載雷達(dá)等，熱耗器件產(chǎn)生的熱不能及時(shí)有效地傳遞出去，就會(huì)導(dǎo)致溫度快速上升，影響電子器件的壽命，甚至導(dǎo)致工作失效[1]。

相變材料在相變過(guò)程中可以吸收或釋放大量潛熱，同時(shí)溫度只在較小范圍內(nèi)變化，因而可以利用這一特性對(duì)一些具有較高熱流密度的熱耗器件進(jìn)行有效的溫控[2]。石蠟類相變材料因其具有較大的潛熱和穩(wěn)定的物理性質(zhì)而被廣泛采用，但是需要采取有效措施來(lái)解決其導(dǎo)熱性能較差的問(wèn)題。應(yīng)用金屬結(jié)構(gòu)的相變熱沉能有效提升相變材料的等效熱導(dǎo)率[3]，同時(shí)避免熱沉總重量較大的問(wèn)題。

金屬結(jié)構(gòu)與相變材料復(fù)合必須保證足夠多的接觸面積才能使相變材料發(fā)揮其特性。因此，設(shè)計(jì)針肋式相變熱沉?xí)r，應(yīng)使每個(gè)針肋的尺寸足夠小，但伴隨針肋尺寸過(guò)小的是加工難度的快速提升；同時(shí)，金屬部分與相變材料部分的比例，即金屬結(jié)構(gòu)孔隙率，關(guān)系到相變熱沉的等效熱導(dǎo)率和總體重量，而這兩者是處于矛盾關(guān)系的。因此，有必要對(duì)影響相變熱沉的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行分析。

1 研究方法

1.1 相變熱沉的結(jié)構(gòu)

相變熱沉采用含有針肋陣列的蓋板（圖1）與相變?nèi)萜鬟M(jìn)行復(fù)合，以蓋板的底面作為發(fā)熱器件安裝面，以減小熱流傳熱路徑的熱阻，結(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)熱器件的熱量通過(guò)針肋蓋板擴(kuò)展面擴(kuò)展，然后傳至相變材料中，以顯熱和潛熱的方式儲(chǔ)存起來(lái)。

圖1 針肋陣列蓋板

1.2 仿真模型

為了研究針肋相變熱沉的溫控特性，針對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)化的相變單元建模進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖2 熱沉示意圖

圖3 相變單元

相變區(qū)域的投影尺寸為10 mm×10 mm，高度為15 mm，中間填有方形的針肋，兩端采用與針肋相同的材料進(jìn)行封蓋，厚度為5 mm。

2 仿真結(jié)果分析與討論

2.1 條件與假定

為了研究不同孔隙率和多孔介質(zhì)孔徑尺度對(duì)相變板相變過(guò)程的影響，建立簡(jiǎn)化模型，利用等效熱容法對(duì)相變過(guò)程進(jìn)行分析。選取鋁作為針肋、蓋板和基板的主材，選取正十八烷作為相變材料，相變溫度為28.2℃，相變潛熱為243 kJ/kg。

仿真過(guò)程做以下假定：

（1）相變材料熱物性為常數(shù)，不隨溫度變化而變化；

（2）忽略液態(tài)相變材料的流動(dòng)。

選取初始溫度為25℃，在基板底部施加熱流邊界條件，熱流大小為10 000 W/m2。

2.2 針肋尺寸的影響

對(duì)多孔介質(zhì)孔徑尺度這個(gè)因素進(jìn)行分析。對(duì)不同的孔隙率0.51、0.64、0.75、0.84、0.91、0.96，分別考慮翅片區(qū)含有2×2，3×3，…，9×9的矩陣分布的針肋翅片，通過(guò)仿真計(jì)算獲得相變單元從初始溫度25℃到全部相變材料完全融化所需要的時(shí)間，相變過(guò)程如圖4所示?？梢钥闯?，相變開(kāi)始時(shí)，多孔介質(zhì)中的框架將熱量傳導(dǎo)至蓋板和相變材料，由于相變材料熱導(dǎo)率較低，當(dāng)整個(gè)框架結(jié)構(gòu)溫度超過(guò)相變區(qū)后，相變材料依然沒(méi)有相變完全。

圖4 相變過(guò)程

不同孔隙率時(shí)相變材料融化時(shí)間與翅片尺寸的關(guān)系如圖5所示。可以看出，孔隙率不變時(shí)，隨著針肋數(shù)量的增加，融化時(shí)間逐漸減少，這主要是因?yàn)樵黾永咂瑪?shù)量擴(kuò)大了相變材料與肋片的接觸面積。但繼續(xù)增加翅片數(shù)量對(duì)相變時(shí)間的影響越來(lái)越小，直至相變時(shí)間趨于穩(wěn)定。圖中也可以看出同樣數(shù)量的翅片，不同孔隙率時(shí)，相變時(shí)間也不同，且隨著孔隙率的增大而增加。

圖5 不同孔隙率時(shí)相變材料融化時(shí)間與翅片尺寸的關(guān)系

2.3 孔隙率的影響

取每種孔隙率下相變時(shí)間趨于穩(wěn)定時(shí)的參數(shù)，可得出相變時(shí)間隨孔隙率的變化情況，如圖6所示。由于多孔介質(zhì)孔隙率增加，相變材料的量也隨之增加，因此相變時(shí)間也增加。

圖7給出了相變材料完全融化時(shí)的最優(yōu)肋片尺寸與孔隙率的關(guān)系。從圖中可以看出，在本研究假設(shè)（多孔介質(zhì)是由針肋陣列組成）的情況下，最優(yōu)的多孔介質(zhì)的孔徑尺度是與孔隙率基本呈線性變化的關(guān)系。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)針肋式相變熱沉進(jìn)行了參數(shù)化分析，從分析結(jié)果可以看出，孔隙率和多孔介質(zhì)孔徑尺度是影響相變溫控系統(tǒng)的重要參數(shù)。研究表明：（1）孔隙率不變時(shí)，隨著針肋數(shù)量的增加，融化時(shí)間逐漸減少，最終趨于穩(wěn)定；（2）最優(yōu)的多孔介質(zhì)的孔徑尺度是與孔隙率基本呈線性變化的關(guān)系。根據(jù)熱控需求，在相變材料的量確定后，理論上多孔介質(zhì)孔隙率越小、孔徑尺度越小越能充分發(fā)揮相變材料的特性，但隨之而來(lái)的就是系統(tǒng)重量的增加和加工工藝難度的提升。本研究為相變裝置精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

圖6 相變時(shí)間隨孔隙率變化關(guān)系

圖7 最優(yōu)針肋邊長(zhǎng)與孔隙率關(guān)系