一種彈載電子設(shè)備的熱控方式設(shè)計(jì)及仿真分析

劉景陽

（1.西南電子技術(shù)研究所，成都 610000； 2. 四川省空天電子裝備環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610000）

引言

彈載電子設(shè)備能夠保證導(dǎo)彈在運(yùn)行過程中穩(wěn)定運(yùn)行并精確命中目標(biāo)，而隨著導(dǎo)彈性能提升，高溫、長時(shí)間、高熱耗等對(duì)彈載電子設(shè)備熱控提出了更為嚴(yán)苛的要求。由于彈載電子設(shè)備難以獲得外部冷源支撐，在對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)時(shí)，通常不會(huì)選用液冷以及風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱這兩種散熱方式，更多地是選擇利用設(shè)備自身結(jié)構(gòu)做熱沉的被動(dòng)方式以延緩設(shè)備內(nèi)部各電子器件在任務(wù)剖面條件下的溫升速率，從而達(dá)到設(shè)備在全工作周期內(nèi)穩(wěn)定工作的目的，而隨著工作時(shí)長的增加，電子設(shè)備熱耗累積，外部高溫環(huán)境持續(xù)輸入熱量，使得電子設(shè)備通過結(jié)構(gòu)自身做熱沉已難以滿足設(shè)備的熱控需求。

目前，已有大量學(xué)者進(jìn)行了彈載電子設(shè)備熱控技術(shù)研究。其中，候煦、尹本浩、楊喬森等[1-3]就相變材料在彈載電子設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，證明了相變材料對(duì)彈載電子設(shè)備熱控起到了重要作用，鄭雪曉、王磊等[4-6]就相變材料強(qiáng)化導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，證明了通過設(shè)計(jì)增強(qiáng)導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)可提升相變材料利用效率，強(qiáng)化電子設(shè)備散熱能力，YARAN W、劉振宇等[7-9]論證了高導(dǎo)熱材料作為熱沉可減少固體傳導(dǎo)熱阻提升散熱能力。

由于部分彈載電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，無法在設(shè)備內(nèi)部增加熱沉對(duì)芯片進(jìn)行熱控，為了能夠使?jié)M足彈載電子設(shè)備更長時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行要求，可通過外掛熱沉模塊的形式，對(duì)電子設(shè)備整體進(jìn)行熱控。外掛熱沉結(jié)構(gòu)可通過外掛實(shí)心結(jié)構(gòu)模塊或外掛相變模塊的形式實(shí)現(xiàn)。

本文以一種典型磚式相控陣天線作為研究對(duì)象。分別研究了設(shè)備原結(jié)構(gòu)、外掛結(jié)構(gòu)熱沉以及外掛相變熱沉三種形式對(duì)設(shè)備在不同時(shí)間內(nèi)的升溫速率，并對(duì)比外掛結(jié)構(gòu)材料熱沉以及外掛相變材料熱沉對(duì)于電子設(shè)備升溫速率的影響。再通過進(jìn)一步對(duì)比外掛結(jié)構(gòu)材料熱沉以及外掛相變材料熱沉得尺寸、質(zhì)量等相關(guān)收益，找出在任務(wù)剖面條件下，實(shí)現(xiàn)彈載電子設(shè)備熱控的有效措施。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 基礎(chǔ)理論分析

根據(jù)能量守恒定律，電子設(shè)備升溫所需熱量等于外界流入熱量與內(nèi)部熱源產(chǎn)熱之和。且本論文采用有限體積法進(jìn)行仿真分析，NS 方程為：

1.2 外掛熱沉的估算

設(shè)備隨時(shí)間變化的升溫方程為：

式中：

φ—輸入熱量；

m—物體質(zhì)量；

cp—物體定壓比熱容；

Δt—溫度變化量；

Δτ—時(shí)間變化量。

當(dāng)通過采用增加結(jié)構(gòu)材料的形式來達(dá)到熱控目的時(shí)，在傳熱方程中物體質(zhì)量m增加，相同溫升Δt下的溫升時(shí)間τΔ 增加，設(shè)備達(dá)到熱控目的。

當(dāng)通過采用增加相變材料的形式達(dá)到熱控目的時(shí)，一方面設(shè)備整體質(zhì)量m增加，溫升時(shí)間得到延緩，另一方面，當(dāng)設(shè)備溫升到相變材料相變溫度點(diǎn)時(shí)，相變材料開始進(jìn)行相變并在一定溫度區(qū)間內(nèi)吸收大量熱量，該過程在仿真中可等效為相變材料在相變溫度區(qū)間內(nèi)比熱容cp突然增加，進(jìn)而大幅延長溫升時(shí)間Δτ。

2 模型及邊界條件

2.1 模型介紹

某型磚式相控陣天線結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。由于該相控陣天線內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，在相控陣天線內(nèi)部增加相變材料或增加結(jié)構(gòu)材料作為熱沉難度較高，所以在相控陣天線兩側(cè)外掛兩個(gè)熱沉模塊的形式延緩設(shè)備溫升，具體表現(xiàn)形式如圖2 所示。

圖1 典型相控陣天線結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 外掛熱沉結(jié)構(gòu)形式

圖3 設(shè)備內(nèi)部芯片溫升曲線對(duì)比

圖4 設(shè)備外殼溫升對(duì)比

圖5 1 000 s 設(shè)備外殼溫度

圖6 2 000 s 設(shè)備外殼溫度

圖7 3 000 s 設(shè)備外殼溫度

圖8 3 000 s 外掛熱沉中心截面溫度

該相控陣天線的發(fā)熱部分由圖1 中的多個(gè)氮化鎵發(fā)熱芯片構(gòu)成，將熱量傳導(dǎo)至結(jié)構(gòu)件上進(jìn)行散熱。圖2 中的外掛熱沉作為相控陣天線的安裝附件安裝于設(shè)備兩側(cè)以延緩設(shè)備整體溫升。

2.2 邊界條件介紹

該相控陣天線總熱耗為20 W，在該設(shè)備工作過程中外界熱量通過圖1 中的安裝支耳以及通過輻射的形式進(jìn)入電子設(shè)備。相控陣天線結(jié)構(gòu)件材料選用6063 鋁合金，發(fā)熱芯片為氮化鎵芯片，結(jié)構(gòu)熱沉材料選用黃銅，相變材料選用一種70 ℃復(fù)合石蠟相變材料，相變潛熱為220 J/g，相變材料熔程為（70～74）℃。各材料屬性如表 1 所示。

表1 復(fù)合相變材料屬性表

3 結(jié)果分析

本論文以3 000 s 作為任務(wù)剖面條件，對(duì)比分析了相控陣天線在無外掛熱沉模塊、外掛結(jié)構(gòu)熱沉以及外掛相變熱沉三種情況下的設(shè)備溫升情況在1 000 s、2 000 s 以及3 000 s 設(shè)備的工作狀態(tài)，并得到如下結(jié)果。

根據(jù)以上結(jié)果可知，在3 000 s 工作時(shí)間內(nèi)，相控陣天線在無外掛熱沉的情況下溫升最高，天線內(nèi)部電子器件有效工作時(shí)長最短，相控陣天線外掛結(jié)構(gòu)熱沉或相變熱沉后溫升速率明顯降低，溫度降低達(dá)到50 ℃，其中相控陣天線外掛相變熱沉的溫升速率最低，相比相控陣天線外掛結(jié)構(gòu)熱沉降低（8～10）℃。此外，同體積結(jié)構(gòu)熱沉是同體積相變熱沉質(zhì)量的9～10 倍，外掛相變熱沉對(duì)設(shè)備整體質(zhì)量負(fù)荷更低，所以外掛相變模塊對(duì)于降低設(shè)備升溫速率，提升任務(wù)剖面條件下的電子設(shè)備工作性能最為有效。

同時(shí)，由圖 7、圖 8 可知，在3 000 s 工作時(shí)間內(nèi)，彈載電子設(shè)備外掛相變熱沉的外殼溫度最高不超過100 ℃，而相變材料熔程為（70～74）℃，說明相變材料并未完全融化，所以本論文中的相變熱沉設(shè)計(jì)仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

4 結(jié)論

本文針對(duì)彈載電子設(shè)備熱控要求設(shè)計(jì)了一種外掛熱沉作為電子設(shè)備的安裝附件以降低電子設(shè)備升溫速率，提升電子設(shè)備在任務(wù)剖面條件下的熱控性能。對(duì)比了同一電子設(shè)備在不外掛熱沉、外掛結(jié)構(gòu)熱沉、外掛相變熱沉三種情況下的溫升情況，結(jié)論如下：

1）電子設(shè)備外掛結(jié)構(gòu)熱沉以及外掛相變熱沉相較于無外掛熱沉，均能提升設(shè)備的散熱性能，延長彈載電子設(shè)備的工作時(shí)間（1 000～1 500）s，滿足設(shè)備在任務(wù)剖面條件下的長時(shí)間工作要求；

2）通過外掛熱沉模塊的形式，可以在不改動(dòng)電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，延長彈載電子設(shè)備的工作時(shí)間，且外掛熱沉模塊作為設(shè)備的安裝附件，可根據(jù)設(shè)備實(shí)際安裝空間進(jìn)行靈活調(diào)整，具有安裝方便、加工難度低等優(yōu)點(diǎn)；

3）同體積的相變材料比結(jié)構(gòu)材料能達(dá)到更好的熱控效果，并且結(jié)構(gòu)熱沉質(zhì)量是相變熱沉的9～10 倍，所以相變材料更適合用作彈載電子設(shè)備熱沉材料，而且隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)、相變焓值不斷增加，這將為相變熱控技術(shù)的應(yīng)用提供更大的可能。