彈載儲熱裝置非穩態換熱性能研究

高林星, 曹海兵, 李 前, 魏 穎

(1.上海無線電設備研究所,上海201109;2.上海大學通信與信息工程學院,上海200072)

0 引言

彈載電子設備由于其特殊的工作環境,在散熱手段使用上具有諸多限制,無法采用傳統的冷卻方法如強迫風冷或液冷[1]。隨著導彈武器向著高超聲速、長航時的趨勢發展,外部氣動加熱環境愈發嚴苛,同時產品小型化、輕量化的設計要求[2],使大規模集成器件和電路得到廣泛應用,隨之而來的熱功耗急劇上升,在填充密度極高的導引頭電子艙中,電子元器件、組件的散熱問題凸顯,目前常用的自然冷卻及依靠自身金屬結構件儲熱的方式已無法滿足散熱需求。

固液相變材料在熔化過程中可以吸收大量的潛熱并保持溫度相對穩定,使其在熱控制領域中得到良好的應用[3]。國外早在前幾年就已經開展了相變材料強化換熱的數值和試驗研究[4-5]。張博博利用焓-多孔理論對合金相變材料和石蠟分別進行了三維數值仿真,對比分析了二者的儲熱性能;郭茶秀建立了二維傳熱模型,數值研究了翅片長寬比對石蠟相變換熱的影響[6-7]。

本文針對某彈載電子產品在高溫環境中的散熱需求,設計了一種儲熱裝置,建立三維仿真模型并進行了相關試驗,對比分析了鋁合金和黃銅兩種金屬儲熱板和相變石蠟儲熱板的溫控性能,研究了內置導熱翅片對相變材料換熱的影響,為相變材料儲熱裝置的應用和強化提供了有力依據。

1 儲熱裝置設計

1.1 結構外形

本文研究的儲熱裝置是用于彈載信處機印制板的散熱,外形尺寸為160 mm×112 mm×11 mm,為了降低熱源接觸面的擴散熱阻,在儲熱板表面設計3 mm厚的凸臺,結構外形如圖1所示。產品中3個主要芯片的熱功耗為10 W、16.75 W和16.75 W,分別施加在凸臺U1、U2和U3表面,其余熱源熱量忽略不計。本文研究不同材料儲熱裝置的溫控性能,在仿真計算中保持儲熱板結構外形不變。

圖1 儲熱裝置結構圖

1.2 材料選型

近幾年相變材料在航天領域得到了廣泛地應用,相變材料按相變形式可以分為固-固、固-液、氣-液、氣-固4種相變材料[8]。目前,在彈載電子產品設計中常采用的是固液相變材料石蠟。石蠟類相變材料熔點與電子元件的最佳工作范圍較為接近,具有熱性能穩定、體積變化小、安全性能高等優點,但也存在著導熱系數低的問題,不利于將熱量擴散到整個相變區域。提高其導熱系數是提高石蠟類相變儲熱裝置散熱效率的有效手段。常見的導熱增強設計手段有三種：在相變材料中摻雜石墨、銅粉、鋁粉;在封裝殼體內設置金屬肋片作為導熱翅片;采用泡沫銅、泡沫鋁、膨脹石墨基體吸附相變材料[9]。綜合比較導熱性能,工程應用成熟度與制作工藝等因素,本文采用導熱翅片來增加石蠟熱傳導性能,并選用金屬材料鋁合金和黃銅作對比研究。石蠟儲熱裝置內部結構如圖2所示。儲熱板外殼和導熱翅片均采用鋁合金材料。導熱翅片厚度為1.5 mm,每兩翅片之間相距8.5 mm,共15個翅片。

圖2 儲熱裝置內部結構圖

電子設備工作的環境溫度為60℃,本文選取相變溫度為70℃的石蠟,在相變溫度區間潛熱為170 kJ/kg。要求電子設備連續工作20 min后,熱源殼溫不超過85℃,即最高溫升不超過25℃。三種儲熱板的物性參數如表1所示。

表1 三種儲熱板物性參數對比

2 瞬態傳熱原理

2.1 熱傳導

對于固體和不可壓縮流體來說,瞬態傳熱過程中系統內部的溫度、熱流速度及系統內能都會隨時間變化。根據系統能量守恒,導熱微分方程式可以表達為

式中：k為導熱系數;q·為體積生成率;ρ為密度;Cp為比熱容。

2.2 相變傳熱

相變傳熱過程是一個復雜的固-液兩相轉化的過程,期間伴隨著吸收和釋放潛熱,在數學上屬于高度非線性的瞬態傳熱問題,相變過程的傳熱方程的微分形式可表達為[10]

式中：L為相變潛熱;f1為液相率。當f1≤0表示處于固相;0＜f1＜1表示處于固液相變區;f1≥1表示處于液相區。

相變傳熱問題中,隨時間移動的兩項界面是求解的難點,目前的數值方法主要分為前沿跟蹤法和固定區域法[11]。前沿跟蹤法要不斷地追蹤相變區域的位置,計算精度高,但需要進行網格重構,計算復雜。固定區域法是工程計算中常用的方法,它將兩相區看做一個連續的區域,將相變界面的邊界條件看作另外一個物理量隱含在整個區域的控制方程中,計算簡單,精度可靠。根據潛熱處理方法,不同固定區域法可進一步分為等效熱容法和焓法。ANSYS FLUENT中是采用焓法模型求解相變傳熱問題。焓法是以焓作為因變函數,將其代入傳熱微分方程對溫度場進行求解的一種計算方法,在一定邊界條件下采用焓法數值仿真結果與試驗結果具有較好地一致性。焓函數定義為顯然與潛熱之和[12],可表示為

基于式(3)可得到焓與溫度的關系式為

相變半徑ε的表達式

材料在相變區域內的等效熱容Cp的表達式為

固態飽和比焓Hs的表達式為

液態的飽和比焓Hl的表達式為

焓法的相變傳熱微分方程可以表示為

通過求解式(9)可以得到焓場H(x,y,z,t),然后將其代入式(4)中就可得到溫度場的分布。

3 仿真計算

對三種不同材料的儲熱裝置進行非穩態熱仿真,針對填充石蠟的儲熱板分別計算了內部有無翅片兩種情況。采用ICEM軟件劃分正六面體網格,FLUENT軟件進行求解計算,計算基于壓力求解器的SIMPLE算法,動量和能量均采用二階迎風格式進行離散,相變換熱過程開啟solidification/melting模型,時間步長經試算采用1 s,每個步長內最大迭代步數為20步,仿真時間為20 min。

圖3～5分別給出了鋁合金、銅合金及相變石蠟儲熱板在工作20 min時表面溫度分布云圖。由圖中可知,三種儲熱裝置表面溫度分布規律類似。鋁合金儲熱板元器件表面最高溫度為102℃,銅合金儲熱板元器件最高溫度為95.5℃,整體比鋁合金低6.5℃,儲熱性能較好,這是由于相同外形下銅儲熱板的熱容高于鋁合金。石蠟儲熱板性能最好,內部無翅片時最高溫度為80℃,內部有翅片時最高溫度為73℃,均沒有超過熱控要求值。

圖3 鋁合金儲熱裝置表面溫度分布

圖4 銅儲熱裝置表面溫度分布

4 試驗研究及結果分析

圖5 石蠟儲熱裝置表面溫度分布

通過仿真結果可以看出石蠟儲熱裝置從重量和性能上都優于鋁合金和黃銅儲熱裝置,對于長時間工作的電子產品具有明顯的優勢,本文將內置導熱翅片的石蠟儲熱板制成實物,通過試驗進一步探究石蠟的換熱過程。由于石蠟熔點為70℃,常溫下為固態,采用真空灌的方法將液體石蠟澆灌在鋁合金腔體內,為了預防石蠟全部熔化后溫度升高引起體積膨脹,在澆灌過程中預留5%的體積,最終填充石蠟量為88.9 g,填充厚度為6 mm。試驗過程中要模擬產品的工作環境,因此在溫箱中進行,環境溫度設置為60℃。為避免溫箱鼓風強化儲熱板表面對流換熱,在儲熱裝置和模擬熱源達到環境溫度并保溫一小時后開始測試,測試時將儲熱板表面用盒子罩住。

由于溫度過載會造成真實芯片的損壞,為了更接近實際情況地模擬熱源,試驗過程中采用電加熱片來模擬熱源。電加熱片的功率與芯片熱功耗保持一致,通過線性電源來控制。電加熱片和導熱凸臺之間涂一層導熱硅脂,導熱硅脂的熱導率為5 W/m·K。采用K型熱電偶測溫,傳送至數據采集模塊進行記錄,對儲熱板凸臺及表面采用多點測溫取平均值,每隔10 s采集一次,并在試驗系統周圍布置一根熱電偶來監測環境溫度,試驗裝置如圖6所示。

圖7～9分別給出了工作60 min時儲熱板凸臺U1、U2和U3表面溫度仿真與試驗結果對比曲線。

從仿真對比結果可以看出,石蠟的填充起到了良好的溫控延時效果。儲熱板內部無導熱翅片時,凸臺表面溫度整體高于儲熱板內部有導熱翅片表面溫度10℃左右,凸臺U2表面溫度達到85℃時耗時33 min。增設導熱翅片后,石蠟填充量減少,總的潛熱減少,但傳熱路徑得到改善,通過增加接觸面積,熱量從肋片快速擴散。在工作60 min時,U2的表面溫度達到85℃,相較于儲熱板內部無翅片情況時間延長了26.7 min,表明設置導熱翅片可以起到強化換熱的作用。凸臺U2和U3表面熱流相同,曲線變化一致。

圖6 試驗裝置圖

圖7 凸臺U1表面溫度對比曲線

圖8 凸臺U2表面溫度對比曲線

圖10 給出了不同工作時刻儲熱板內部石蠟液相率對比分布。增設導熱翅片后,石蠟開始發生熔化的時間要晚,是由于翅片增加了接觸面積使熱量得到有效擴散,導致溫度上升緩慢。工作一段時間后,內部無導熱翅片的儲熱板在邊緣區域石蠟的液相率更高,是由于石蠟進入熔化區域后,內部對流換熱起主要作用。導熱翅片將石蠟劃分成了不同的區域,抑制了石蠟的對流,使熔化現象只能在單個區域內發生。

圖9 凸臺U3表面溫度對比曲線

圖10 不同工作時間石蠟儲熱板中心截面液相率分布對比

圖11 給出了凸臺U2與儲熱板表面溫差對比曲線,無導熱翅片時儲熱板表面溫差在前20 min變化劇烈,最大達16℃,增設翅片后溫差變化緩慢,在10 min后趨于平緩,最大溫差達7℃,儲熱板溫度分布更均勻。

由仿真結果和試驗結果的對比曲線可以看出二者隨時間變化趨勢基本一致。試驗中凸臺U1和U2的表面溫度比仿真結果高2℃左右,30 min后試驗曲線變化平緩,是由于測試過程中儲熱板沒有完全處于密閉空間,受到了溫箱內風的影響,對流換熱帶走一部分熱量,表面溫度上升緩慢?？傮w來說,二者誤差在合理的范圍內,表明焓法模型可以較準確地預測相變石蠟的換熱過程。

圖11 凸臺U2與儲熱板表面溫差對比曲線

5 結論

本文針對某彈載電子產品的散熱問題,設計了一種儲熱裝置,對三種不同材料(鋁合金、黃銅和石蠟)的儲熱板在環境溫度為60℃,總功耗為43.5 W的條件下進行了數值計算,并在高低溫試驗箱中對內置導熱翅片的相變儲熱板進行了相應的試驗,通過仿真和試驗結果對比分析,主要得出了以下結論：

a)三種儲熱裝置中,黃銅儲熱板溫控效果優于鋁合金儲熱板,相變儲熱板最能滿足產品的溫控性能要求,且在重量上較鋁合金板和銅板具有明顯優勢,適合作為彈載電子產品的儲熱裝置;

b)采用焓法對相變儲熱裝置進行數值計算結果與試驗結果對比良好,進一步驗證了數值方法的正確性,焓法可以有效地預測相變石蠟的換熱過程;

c)石蠟等有機相變材料具有較大的潛熱,但導熱系數較低,設置導熱翅片可以起到強化換熱的效果,但導熱翅片的數目、形狀、厚度及高度都會影響石蠟的熔化過程,從而影響儲熱板的溫控性能[13]。在今后工作可以采用數值計算方法對導熱翅片的參數進行優化,用于指導設計生產。