弹载电子设备相变热沉装置散热性能研究
弹载电子设备相变热沉装置散热性能研究 引言 航天、弹载电子设备在工作中面临着诸多限制，如空间密闭狭小、无 法供风供液冷却、体积重量限制、热沉容量不够、外部气动加热导入等多种苛刻 条件。尤其是中段和末段工作的电子设备，其本身面临着较高的工作环境初始温 度。随着大规模集成电路和功率电子的日益普遍应用，弹载电子设备的散热难题 日益突出。目前，弹载电子设备大多依靠自身的金属结构件来进行散热,即利用 金属结构件的热容，被动地蓄纳电子模块工作时耗散的热量。在重量体积强限制 条件下，有限的结构材料热沉容量往往难以有效吸纳电子设备的热耗。近年来， 弹载电子设备功耗增加,在工作末段散热不足和温度超限的情况愈发突出。
相变材料（PhaseChangeMaterials,PCM)是指在特定温度下，从一种聚 集态转变到另一种聚集态的物质，这一过程同时伴随着大量储热或放热的现象。
本文采用固-液相变材料为填料设计弹载电子设备热沉装置,主要介绍相变热沉装 置的设计要点、仿真分析与试验结论。
1相变热沉装置设计 弹载电子设备散热的常用热沉材料物性参数如表1所示，这几种材料 比热容都较小,密度较高相对而言，如图I"3所示，某相变材料处在相变温度区间(图 中40尤44T)时，具有极大的焓值，从而可以吸纳或释放大量热量以相变材料为主 体的电子设备热沉装置，主要有以下作用：1)以相变潜热吸纳电子设备废热,从而 延缓器件工作发热引起的温度升高过程;2)相变过程屮温度较为稳定，极大地缓解 了电子器件的热应力和热冲击)重td：轻、吸热it大，费效比得到提升。
11相变材料的选择 用于电子设备温控的相变材料必须具备相变温度区间与设备工作温 度区间匹配、相变潜热高、相变可逆性好、热稳定性好、体积变化小、不易燃、 安全性好等特点「如石蜡等烷枝类相变材料，相变潜热可达160-250W/kg,远高于 铝合金和铜，密度仅约为0.8-0.9能很好地满足电子设备温控需求,是相变热沉装置设计的常用选择4-61。表2列出厂常用商用相变材料 的物性参数 SSSSSSSSSSSSSS 粗炼石蜡和工业石蜡本身含有少量杂质，具有杂质带来的弱酸碱性。
本文选取的相变材料暂命名为PCM60、PCM44，名义相变温度点在60尤、44t, 基于二十二烷系和二十四烷系等组份的精炼石蜡辅以改性添加剂能规避以上弱 点其物性参数：密度为800kg/m3,导热系数为0.2W/(m.K)，固态比热容为 1760J/(kgK)，液态比热容为2730J/(kgK)，相变潜热值分别为176kj/kg和230kj/kg, 11相变热沉装置结构设计 相变热沉装置以中空的壳体结构装填相变材料封装而成，结构外形可 以按需设计或共形设计，如图2所示出于热容量最大化和轻量化的考虑，通常结 构设计屮会尽可能减小封装体壁厚、增大相变材料填充敁 相变热沉装置结构设计的要点在于:1)相变过程屮的抗膨胀力学设 计;2)导热增强设计。相变材料在固体-液体转换过程中，会发生一定的体枳膨胀 或收缩,尤其是体积膨胀力巨大，封装结构支撑不住就会发生胀裂、变形、泄露 等问题，造成相变热沉装置失效如何有效化解这种膨胀力，关键在于设计思路的 转变:控制相变材料的填充量，即以高于工作最高温度的融化态完成填充和真空 封装同时，针对封装体的薄结构，减小跨距、辅以力学强度仿真进行校核计算, 相变材料有相变潜热丨」:大的优点，但丨时存在导热系数极低的问题，这极大 地制约着相变热沉装置的故热效率,提商相变热沉装置的名义导热系数显得非常 必要。常见的导热增强设计手段有：在相变材料中掺杂打墨、铜粉、铝粉，或在 封装壳体内设置金属翅片作为异热增强筋4,或采用泡沫铜、泡沫铝、膨胀厶墨基 体吸附相变材料等措施。本文基于后期批产稳定性和经济忭的考虑,采用精细优 化设计的导热增强筋，既稳步提尚了相变热沉装置整体的名义导热系数,乂能兼 顾抗膨胀力学性能要求，同时简化:艺工序，结构形式如图3所示。
2试验设计 2.1边界条件以一个功放电子模块为工作对象，本文设计了如图4所示的热沉装置。
分别以实心铝合金块、填充PCM44和填充PCM60制作结构外形完全相同的热沉 装置，命名为HS00、HS44和HS60:,表3为试验热沉样本相关参数。
电子模块的温控要求是在工作保持关键热源器件的壳温不超过85t,本 文评估各种热沉装置在室温环境下(25T)启动工作的温控性能和延时性能,以定性 辅导后续E程设计热沉装置与电子模块采用螺钉螺接方式,接触面有一定的平面 度和粗糙度要求，均勻涂抹一层导热硅脂|整体外表包菹保温棉’隔离试验环境和 空气对流的影响。采用OMEGA0.127mn.的K型热电偶测温，传送至N14353温度 采集模块记录，对电子模块和热沉均采用多点多面测温取均值。
2.2理论蓄热量计算 以热源器件温升至85X,为限，考虑一定的传热温度梯度，假设此时试 验件达到名义温度80°C的均温体，可以按下式计算各类热沉装置的理论蓄热 式中为热沉装置及电子模块绀合体中各组分的质量;c,.为各组分的比 热容,包括金属盒体、固态PCM和液态PCM等;A7；
是各组分在相变前后各阶段的 温升区间;为填充相变材料的质量;A/m为相变焓值经理论计算，HS00、HS44和 I1S60各热沉装置主体温升至80t所能吸收的热量分别为30.7kj,49.5k.|和的.9k.|，对 应于30W电子模块的"了支持工作时间大约为17min,27.5min和26min,实际工作屮， 还受到热传导速率、温度梯度不均匀、相变材料内部传热和熔化的迟滞性等影响 112，因此以上推论可用于定性分析参考。
3结果探讨 3.1设计仿真分析 相变散热装置的仿真分析有两个H的:一方可以以热沉装置的总热容 敁和名义导热系数为n标w数，优化相变热沉装置的内部增强筋设计;另一方面以 针对相变热沉装置的温控可行性进行初步评估与传统仿真分析的不同之处在于 相变材料的焓值分布[冬丨决定r需要设置材料的热物性参数为非定常参数表本 文主要通过仿真优化分析优化r相变热沉装贯内部的导热增强筋设计。根据热源器件的分布，导热增强筋设定为非均匀的井字形隔筋，厚度0.8mm,乱开设各方向 缺Ii以使各个隔筋小腔体K相联通,， 3.2相变热沉性能验证试验 电子模块工作在30W热耗下吋，使用不同热沉装置,从热源器件测得 的温度曲线如阁5所示r以看出，无热沉、采用铝块热沉HS00和采用HS44相变热 沉装置条件下，电子模块热源器件的温度升高到80尤的时间分别为9min、18min 和45min,HS44相变热沉表现出明显的温控性能。
由图i"I见,无热沉条件下，器件的温度变化曲线呈 快速近似线性的增长趋势。在铝块热沉HSOO的作用下，器件的温度 曲线是较大斜率的凸形曲线。在相变热沉HS44的作用下，温度曲线的15min前和 40min后均表现为凸形曲线形态，中间段在15min至40min呈现出一段温升速率降 低、斜率减小的凹形形态,温度平缓上升，可以理解为该时间段内相变过程正在 发生。
3.3不同相变填料的对比试验 使用相变熔点不同的PCM44和PCM60两种材料制作了结构相同的相 变热沉装置HS44和HS60,在相同的电子模块热负载工作条件下，热源器件的工作 温度曲线如图6所示。
图中可以看出明显的相变过程差异，即曲线的平缓段（假定此刻相变 过程正在发生）热源器件的温度分别处于70t~90t和45尤~65t，高于相变材料熔点 10^-30，这个温度梯度反映的是电子模块内部和相变热沉装置内的传热温差。同 时可以看出，该电子模块在30W热耗下，若工作时长要求较短，则使用HS44能 获得更好的控温效果;在工作时长超过50min后,二者作用下的器件升温趋势接近， 温控性能基本一致。
3.4不同加热功率的影响 图7为在电子模块加载20~100W不同热功率条件下,使用相变热沉装置HS44的电子模块中热源器件温度曲线图。从该图可以看出，随着热源功率的 增大，热流密度升高，模块升温逐渐加快，温度曲线中的平缓段逐渐消失，相变 材料的蓄热与温控功效明显削弱。当热源功率达到100W时,使用该相变热沉装置 相比无热沉的情况,器件升温到达80t的时间仅延长约6min,并且其温控散热性能 还不如纯铝块热沉HSOO，如图8所示。该现象主要是因为相变材料及相变热沉 装置的导热率过低所致，热传导迟滞,热源器件表面热量累积。因此，相变热沉 装置在超大热耗、超大热流密度的场景下具有较大的局限性。实际工程设计和使 用中，应通过分析和测试，掌握相变热沉装置的应用边界。
3.5高温工作 图9为电子模块加载30W热功率条件下，HS60相变热沉装置分别在25t 和45T环境中开始工作的器件温度曲线。从中可以看出，在25尤环境下工作,温度 曲线明显有一个平缓段，大约在70t~90t区间，持续时间约40min。在平缓段前， 温度曲线斜率较大，在平缓段后，温度曲线的斜率再次增大，这两端都是因纯粹 依靠材料的定比热容吸热、热容不足而引起的温升近乎线性趋势。当在45T环境 下启动工作时，全程的温度曲线斜率都没有25t环境启动阶段的斜率大，并且看 不出明显的相变发生平缓段。结合试验数据和观察HS60材料的焓值分布图可知， 在电子模块启动工作5min内，热沉装置温度巳部分达到55t以上，已经进人了HS60 材料的相变发生区间(55°C~62T)，可以理解为此后几乎全程相变熔化都在各个局 部逐步发生。结合3.3节试验结论分析表明，相变材料的相变温度区间与电子模 块的启动温度和许可最高工作温度均应当保持一定的差距，设计中应权衡选取。
4结束语 本文阐述了采用相变材料制作热沉装置解决弹载电子设备温控需求 的可行性，详细介绍了设计要点和试验过程。
试验结论表明，在一般热耗下,相变热沉装置对比铝块热沉或无热沉 装置，均能使弹载电子设备获得更优异的散热温控效果和减重效果。而相变热沉 装置的应用中，对相变材料的相变温度区间选取尤其重要。相变温度区间应处于 启动环境温度和器件工作最高许可温度之间，建议均保持20t左右的温度差，这 样才可获得较好的温控效果。
尹本浩，刘芬芬，王延(中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川成都610036)