用于某導引頭的銅-APG-相變熱沉的散熱性能研究

張天寧 白云飛 邰煒華 胡耀輝 蘇力爭

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

導引頭等高速飛行器面臨著嚴峻的熱環境,需要在有限體積和質量下實現高效散熱以保證正常工作。導引頭以被動散熱為主,如導熱和儲熱,其熱量傳導以鋁、銅等材料為主,熱管、蒸汽腔等在高過載時可靠性不易保證;其熱量存儲以相變材料為主,石蠟等有機物或無機鹽等密度小,可滿足減重要求,但體積潛熱不夠高且導熱系數低。隨著設備集成度的提高及熱耗的增大,有必要對導熱系數更高和體積潛熱更大的金屬/相變熱沉進行研究,以滿足導引頭等日益嚴苛的散熱需求。

為提高金屬材料的導熱系數,可將其與石墨等物質復合,形成具有高導熱率的復合材料。常用金屬材料的導熱系數[1]大多低于400W/m·K,遠小于石墨等非金屬材料。退火熱解石墨(Annealed Pyrolytic Graphite, APG)是一種微觀結構與石墨晶體類似的熱解石墨,其具有各向異性的高導熱率(石墨片層方向可達1700W/m·K),可以與金屬形成高導熱復合結構,如鋁-APG和銅-APG等,已被美國用于F35等軍事裝備上,展現了優異的性能,而目前國內對金屬-APG材料的研究尚處于起步階段,應用也很少。

相變儲熱是利用相變材料的潛熱進行控溫的技術,三個關鍵物性為熱導率、相變溫度和相變潛熱,通常熱導率越高、相變潛熱越大的相變材料的性能越好。其中固-液相變材料應用最為廣泛,部分典型相變材料的物性[2-3]可見表1所示,其熱導率低,通常需要以增加導熱翅片、高導熱粒子和泡沫金屬等方式來提高其導熱率[4-5]。

表1 典型相變材料的物性

金屬相變材料導熱系數高,體積潛熱大,也具有一定應用潛力,部分金屬相變材料的物性[6]可見表2所示,其導熱系數在20～40W/m·K,遠大于其它類型相變材料。

表2 金屬相變材料的物性

對于相變熱沉,更高的導熱系數和更大的相變潛熱是提升其性能的關鍵。金屬-APG材料具有極高的面內導熱系數,金屬相變材料具有很高的體積潛熱,有機物相變材料具有很高的質量潛熱,但是目前關于金屬-APG-相變復合熱沉的研究較少。本文基于某導引頭純銅塊熱沉,在體積限制和減重要求下,研究了金屬相變和有機物相變熱沉的散熱性能,評估了銅-APG對熱沉性能的影響。

1 模型介紹

1.1 數值模型

采用Flotherm軟件進行仿真,為便于計算,忽略了固液相轉化引起的體積變化,未考慮短暫瞬態過程中液相自然對流的影響,忽略了輻射換熱的影響,主要的換熱方式為導熱,基于有限體積法的導熱方程為

(1)

其中:ρ和c為密度和比熱;λ為導熱系數,下標x,y,z表示不同方向;T為溫度;t為時間;Q表示單位體積熱源發熱量。

采用“等效熱容法”來模擬相變[7-10],無需考慮相變的實際過程,而是將相變潛熱等效成在一定溫度區間內的比熱容進行簡化計算。本文主要關注相變熱沉的特性,不考慮外界因素影響,因此采用絕熱邊界,初始溫度為60℃。

1.2 物理模型

某導引頭純紫銅熱沉簡化模型如圖1所示。下部為120×60×23(mm)的紫銅塊,中部為紫銅突起,突起上焊接著兩個GaN芯片(10×10×2(mm)),芯片襯底材料為銅-金剛石,熱耗為45W,許用殼溫125℃。

圖1 某導引頭高功率芯片紫銅熱沉示意圖

圖2 銅/APG/相變復合熱沉示意圖

該熱沉限制于銅-金剛石工藝,采用純紫銅成型,質量偏大。本文在體積不大于原體積、減重大于20%的要求下,對兩種不同熱沉進行了研究,并探討了銅-APG對其的影響。

第一種熱沉基于金屬相變材料。下部尺寸為120×60×18(mm),殼體厚度為1.5mm,上部厚度為3mm,底面厚1.5mm,其余殼體厚3mm,內部腔體(114×54×13.5(mm))填充金屬相變材料,型號為GPCM-7090(北京有色研究院研制),相變溫度區間為70～90℃,體積潛熱為413J/cm3,熱導率為21 W/m·K,密度為8.7g/cm3,比熱容約為200 J/kg·K。上部為銅-APG或銅,其中銅-APG導熱系數是各項異性的,為(1000,30,1000)W/m·K,密度和比熱與銅接近,該設計下熱沉體積和重量都減少約22%。

第二種熱沉基于有機物相變材料。殼體厚度為1.5mm,上部厚度為3mm,底面厚1.5mm,其余殼體厚3mm,內部腔體(114×54×18.5(mm))用來填充有機物相變材料。該有機物的相變溫度區間為61～65℃,密度為780kg/m3,導熱系數為0.21 W/m·K,比熱容為2000 J/kg·K,相變潛熱為215kJ/kg。整體外形尺寸(120×60×23(mm))與銅熱沉相同,可實現減重約62%。

2 結果與討論

本文為瞬態傳熱問題,總時間為500s,鑒于初始時刻溫度變化率快,時間步長設置為:0～15s的時間步長為1s,15～100s的時間步長為2s,100～500s的時間步長為4s。為保證仿真結果的準確性還需進行網格無關性驗證,選取了3種不同數目的網格,當網格數目大于11200時,即可滿足網格無關性。

2.1 熱沉上部為銅-APG

首先兩種不同熱沉上部替換為銅-APG,并和純銅塊熱沉進行了對比研究,從工藝角度看,這是銅-APG材料在該熱沉上最容易實現的部分。

2.1.1 金屬相變熱沉

上部材料不同時,金屬相變熱沉模擬所得芯片溫度隨時間變化如圖3所示?？梢钥闯?在148s內,原銅塊熱沉質量大,導熱率高,其溫控效果優于金屬相變熱沉;352s時,原銅塊熱沉已不能滿足散熱要求,金屬相變熱沉對應的芯片溫度要低約25℃;在500s時,金屬相變熱沉依舊能夠滿足芯片溫控的要求;在400s內,銅-APG-金屬相變熱沉的溫控效果都弱于銅-金屬相變熱沉,超過400s,其溫控效果略好于銅-金屬相變熱沉,但領先幅度有限。

圖3 金屬相變熱沉的芯片溫升隨時間變化(不同上部材料)

圖4展示了金屬相變材料熔化體積分數隨時間的變化?？梢钥闯?上部為銅時,金屬相變材料熔化速率更大。雖然銅-APG材料的面內導熱率極高,但垂直方向的導熱率遠小于銅,阻礙了熱量向熱沉底部的傳遞,整體上弱化了熱沉的散熱能力,這表明該設計不能發揮出銅-APG面內高熱導率的優勢。

圖4 金屬相變材料熔化體積分數隨時間變化(不同上部材料)

2.1.2 有機物相變熱沉

上部材料不同時,有機物相變熱沉模擬所得芯片溫度隨時間變化如圖5所示。在當前結構下,兩種有機物相變熱沉的溫控能力都弱于同體積的銅塊。超過210s,有機相變熱沉的芯片殼溫超過125℃,已無法滿足芯片的使用要求,而銅塊熱沉在352s時芯片溫度才達到125℃。此外,銅-有機物熱沉的溫控能力略好于銅-APG-有機物熱沉,原因同前文所述。

圖5 有機物熱沉的芯片溫升隨時間變化(改變上部材料)

圖6展示了有機物相變材料熔化的體積分數隨時間的變化。在280s左右,相變材料才開始熔化,400s時的熔化分數為3.5%和4.8%,500s時的熔化分數為35.2%和38.8%。由于有機物相變材料導熱系數低,內部傳熱差,其具有較大相變潛熱的優勢并未發揮出來。

圖6 有機物相變材料熔化體積分數隨時間變化(改變上部材料)

2.2 熱沉邊框為銅-APG

對于兩種熱沉,分別研究了上部為銅-APG、四個邊框為銅-APG,上部為銅、四個邊框為銅-APG的兩種情況,并與上部和邊框全為銅的熱沉以及純銅塊進行了對比。

2.2.1 金屬相變熱沉

對金屬相變熱沉,邊框材料變化前后,熱源溫度隨時間變化如圖7所示,相變材料熔化體積分數隨時間變化如圖8所示?？梢钥闯?上部采用銅-APG材料時,其垂直方向的低導熱率會削弱熱沉的溫控能力;上部為銅,邊框采用銅-APG材料時,相變材料熔化速率最快,但在相變材料釋放其潛熱前(337s),其溫控能力和上部為銅、邊框為銅的熱沉差別不大,反而由于銅-APG的顯熱小,超過400s,上部為銅、邊框為銅-APG的熱沉的溫控能力略差。

圖7 金屬相變熱沉芯片溫度隨時間變化(改變邊框材料)

圖8 金屬相變材料熔化體積分數隨時間變化(改變邊框材料)

2.2.2 有機物相變熱沉

對有機物相變熱沉,邊框材料變化前后,熱源溫度隨時間變化如圖9所示,相變材料熔化體積分數隨時間的變化如圖10所示。結合兩幅圖,可以看出,上部為銅、邊框為銅-APG時,相變材料熔化速率最快,表明銅-APG的高導熱率在一定程度促進了熱沉的導熱,但受限于該相變熱沉的高度,銅-APG的高導熱特性并未完全釋放,三種相變熱沉在溫控效果差異不大。

圖9 有機物相變熱沉的芯片溫度隨時間變化(改變熱沉邊框材料)

圖10 有機相變材料熔化體積分數隨時間變化(改變邊框材料)

2.3 熱沉內部添加翅片

前文結果表明熱沉上部為銅、邊框為銅-APG時,相變材料熔化速率更快,因此本節基于該設計,分別為熱沉添加銅翅片和銅-APG翅片,考察其對熱沉性能的影響。填充相變材料空間的總長為114mm,翅片厚度2mm,間距12.5mm,數目為7。2mm的翅片厚度是限制于目前銅-APG的工藝,翅片將熱沉分成了8部分(編號1～8),如圖11所示。

圖11 熱沉內部添加翅片示意圖

2.3.1 金屬相變熱沉

金屬相變熱沉添加翅片前后芯片溫度隨時間的變化可見圖12所示。337s前,由于翅片的導熱率大于金屬相變材料,添加翅片后熱沉溫控效果更好;337s后,未添加翅片的熱沉由于相變材料完全熔化,開始釋放潛熱,且其金屬相變材料體積分數更高,表現出了更好的溫控效果。

圖12 金屬相變熱沉的芯片溫度隨時間變化(添加翅片)

添加翅片后金屬相變熱沉的熔化體積分數隨時間的變化可見圖13所示。添加銅-APG翅片后,相變材料熔化時間早于銅翅片,這是由于銅-APG具有極高的面內導熱率;添加翅片后,相變材料平均熔化速率小于未添加翅片熔化速率,由于翅片增強了熱沉的導熱,使得靠近熱源處的相變材料(編號5)先熔化,其釋放大部分潛熱后,距離熱源較遠的相變材料才開始熔化。

圖13 金屬相變材料熔化體積分數隨時間變化(添加翅片)

2.3.2 有機物相變熱沉

有機物相變熱沉添加翅片前后,芯片溫度隨時間的變化可見圖14所示。添加翅片后,熱沉溫控效果比無翅片熱沉有很大提升,溫度達到125℃的時間由218s變為318s,延長近50%;雖然效果不如純銅塊熱沉,但比純銅塊輕約60%;此外,添加銅-APG翅片與銅翅片并未表現出明顯差異。

圖14 有機物熱沉的芯片溫度隨時間變化(添加翅片)

添加翅片后金屬相變熱沉的熔化體積分數隨時間的變化可見圖15所示。對有機物相變熱沉,未添加翅片,400s時,相變材料熔化的體積僅為添加翅片時的1/12;500s時,添加翅片后相變材料完全熔化,而未添加翅片熔化分數不到40%;添加銅-APG翅片與添加銅翅片的差異非常小,二者的相變材料熔化速率都遠大于未添加翅片的情況,此時限制熱沉散熱性能的主要因素是熱沉整體導熱率,在添加翅片后,熱沉的等效導熱率得到大幅提高。

3 結束語

本文基于數值模擬,研究了銅-APG對某導引頭金屬相變熱沉和有機物相變熱沉的影響,主要結論如下:

1)在當前尺寸參數限制下,金屬相變熱沉溫控效果最優,而銅-APG并未發揮出其面內導熱率極高的優勢,不建議在該導引頭熱沉中采用銅-APG。

2)基于金屬相變材料的導引頭熱沉可在體積和減重都減少約22%時,可實現約500s的熱控能力,優于純銅塊熱沉。

3)采用有機物相變材料且導引頭熱沉體積不變時,能實現約200s的溫控能力,弱于純銅塊熱沉,但減重率可大于60%。

4)對于純銅塊、金屬相變、有機物相變三種熱沉,需根據使用時間、重量或體積要求靈活選用。