高溫旋轉(zhuǎn)環(huán)境下電子設(shè)備熱設(shè)計探析

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摘要：針對航空發(fā)動機軸上的測試電子設(shè)備在發(fā)動機艙內(nèi)高溫環(huán)境下的散熱需求，文中設(shè)計一種外部隔熱和內(nèi)部吸熱相結(jié)合的熱控制結(jié)構(gòu)來滿足電子設(shè)備的正常工作需求，確保電子設(shè)備在250℃的高溫環(huán)境中能持續(xù)工作60min，且電子器件的表面溫度不超過規(guī)定使用的最高溫度。相比其他的散熱結(jié)構(gòu)，外部隔熱結(jié)合內(nèi)部相變的防護結(jié)構(gòu)具有不依賴于環(huán)境溫度、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可隨設(shè)備一同旋轉(zhuǎn)的優(yōu)點。采用熱仿真軟件ANSYS對隔熱結(jié)構(gòu)和相變結(jié)構(gòu)建立模型、設(shè)定邊界條件、添加材料熱物理性能參數(shù)，然后進行數(shù)值模擬。軟件仿真結(jié)果表明，文中所設(shè)計的熱防護結(jié)構(gòu)可以滿足電子設(shè)備工作溫度的需要。

關(guān)鍵詞：熱設(shè)計；電子設(shè)備；隔熱防護；相變儲熱；高溫旋轉(zhuǎn)環(huán)境；熱控制；熱仿真

0引言

1995年Yeh提到，電子設(shè)備的故障中有55%是由于缺乏良好的溫度控制引起的[1]。隨著電子設(shè)備結(jié)構(gòu)逐漸變得緊湊、小型化，電子元器件上的熱流密度大大增加[2]。如果設(shè)備溫度達到一定程度，就會導致元器件失效，使整個設(shè)備失效或損壞。電子設(shè)備熱控制方法較多，如風冷、液冷、相變溫控、隔熱防護等。由于應(yīng)用環(huán)境的限制，常規(guī)的風冷、液冷存在體積較大、對環(huán)境溫度依賴較大、無法隨電子設(shè)備旋轉(zhuǎn)等問題，所以熱控制選擇外部隔熱防護和內(nèi)部相變儲熱。隔熱防護通過使用傳熱系數(shù)低的功能材料減緩熱量傳遞速度，保證一定時間內(nèi)電子設(shè)備工作在適宜的溫度。常用的隔熱材料有無機隔熱材料和有機隔熱材料[3]。有機類包括酚醛泡沫復(fù)合材料、氧化鋁陶瓷泡沫材料。無機類包括纖維類隔熱材料、多孔性陶瓷材料以及氣凝膠材料等[4]。由于SiO2氣凝膠具有低密度、高孔隙率、低折射率，熱導率僅有0.02W/（m·K），所以被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、石化、冶金、建筑等領(lǐng)域。20世紀90年代，美國ASPEN研究將氣凝膠保溫隔熱材料應(yīng)用于高超聲速飛行器、飛機發(fā)動機等[5]，有效地阻止了熱量的傳遞。何翔等人對多層隔熱結(jié)構(gòu)進行研究，得出隔熱結(jié)構(gòu)能夠有效阻止環(huán)境熱量傳遞到內(nèi)部，使得內(nèi)部溫度達到需要[6]。相變材料在一定溫度范圍內(nèi)可以發(fā)生相態(tài)變化，實現(xiàn)吸收或者釋放熱量的目的。完全相變前材料可以長時間維持在相變溫度附近[7]。相變溫控具有潛熱大、可以選擇不同熔點的材料進行溫度控制的特點，減小了電子設(shè)備散熱對環(huán)境溫度的依賴。相變材料按照形態(tài)可以分為固⁃固相變材料、固⁃液相變材料、固⁃汽相變材料和液⁃汽相變材料等[8]，固⁃汽和液⁃汽相變潛熱較大，但相變過程體積變化較大導致封裝困難[9]。工程中常用固⁃固相變材料或固⁃液相變材料。石蠟具有潛熱大、成本低、無過冷、化學性質(zhì)穩(wěn)定等特點，被廣泛用于電子設(shè)備熱控系統(tǒng)中。王虎軍等人將相變冷板應(yīng)用于彈載電子設(shè)備中，通過熱仿真分析證明相變冷板有明顯優(yōu)勢，可以滿足熱控制需要[10]。美國阿波羅15號月球車，月球通信中繼單元裝配了相變溫控系統(tǒng)[11]。MarcHodes研究了用于手機的相變溫控系統(tǒng)，手機以恒定3W的功率發(fā)熱時，達到上限工作溫度的時間延長了40min。高林星等人基于石蠟相變材料設(shè)計了可用于彈載電子設(shè)備的儲熱裝置，在熱功耗為45.3W、外部環(huán)境為60℃的條件下，儲熱裝置具有明顯優(yōu)勢[12]?；诤娇瞻l(fā)動機性能研究的需求，發(fā)動機艙內(nèi)裝有電子設(shè)備來采集和傳輸測試數(shù)據(jù)。由于發(fā)動機運行中會產(chǎn)生熱量積累，導致發(fā)動機艙內(nèi)熱環(huán)境非常惡劣[13]，為了保證電子設(shè)備的穩(wěn)定運行，需要對艙內(nèi)電子設(shè)備進行熱控制設(shè)計。針對航空發(fā)動機的電子設(shè)備在艙內(nèi)高溫環(huán)境中的工作需求，本文提出了一種采用外部隔熱防護與內(nèi)部相變吸熱相結(jié)合的熱控制設(shè)計，應(yīng)用仿真軟件進行了模擬仿真，結(jié)果表明，熱控制結(jié)構(gòu)可以保證電子設(shè)備穩(wěn)定工作。

1熱設(shè)計結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，支撐殼外徑為Φ110mm，高為60mm，外部包裹有一定厚度的隔熱材料。支撐殼內(nèi)部空腔尺寸為70mm×70mm×50mm，用于存放相變材料盒對電子設(shè)備進行相變冷卻。支撐殼通過螺栓與旋轉(zhuǎn)軸的套筒鎖緊，可以隨軸轉(zhuǎn)動。電子設(shè)備通過螺釘與相變材料盒壁鎖緊。支撐殼及相變材料盒均為鋁合金材料，隔熱材料采用SiO2氣凝膠，相變材料采用石蠟。為了減小相變材料液化后對發(fā)動機轉(zhuǎn)軸的離心慣性力影響，同時提升熱傳導性能，在相變材料盒內(nèi)部添加方形金屬蜂窩骨架。

2隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1數(shù)學模型

進行模擬仿真前假設(shè)：沿隔熱層水平方向的溫度傳遞可以忽略，熱量僅在厚度方向傳遞；隔熱結(jié)構(gòu)與環(huán)境不進行熱交換。將隔熱層的熱傳遞問題轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)傳熱問題，溫度分布滿足瞬態(tài)傳熱方程：ρc∂T∂t=∂∂y()k∂T∂y（1）式中：ρ是密度；c是比熱容；t是傳遞時間；y是厚度；T是y處的溫度；k是導熱系數(shù)。建立隔熱層傳熱的幾何模型，材料的熱物性參數(shù)如表1所示。隔熱層外壁為恒壁溫條件，T=250℃，其他壁面為絕熱壁面。

2.2仿真結(jié)果與分析

隔熱層厚度分別為10mm，20mm，30mm，通過瞬態(tài)仿真計算，得出250℃的外部環(huán)境溫度下持續(xù)60min的溫度分布，如圖2所示。由圖2可知：當厚度為10mm，20mm，30mm，隔熱層內(nèi)側(cè)溫度分別為136.45℃，77.1℃，49.543℃，隨著隔熱層厚度增加，內(nèi)壁溫度越低，隔熱效果越好；當隔熱層厚度為30mm時，內(nèi)壁溫度為49.543℃，滿足設(shè)計需求。

3相變儲熱結(jié)構(gòu)

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

電子設(shè)備總熱功耗P為5W，產(chǎn)生的總熱量Q=P·t。假設(shè)隔熱結(jié)構(gòu)處在一個理想的絕熱環(huán)境中，不考慮熱源及相變材料的對外換熱，熱源發(fā)出的所有熱量都被相變材料吸收。由于電子設(shè)備尺寸較小，相變盒的金屬顯熱與相變材料的潛熱相比可忽略不計，因此相變材料的用量m=QL，L是相變材料的潛熱，可計算出m=112.5g。相變材料盒尺寸為70mm×70mm×50mm。

3.2數(shù)學模型

使用Fluent軟件進行模擬計算，溫度場求解基于焓⁃孔隙法，利用能量方程和融化/凝固模型建立固相和液相相統(tǒng)一的能量方程，控制方程為：連續(xù)性方程：∇(ρU)=0（2）能量方程：∂∂t(ρH)+∇(ρUH)=∇(K∇T)（3）H=h+ΔH=href+∫TrefTCpdT+ΔH（4）動量方程：∂∂t(ρU)+U∂∂t(ρU)=μ∂2U∂t2-∂p∂t+S（5）式中：U是流體速度；H是焓；h是顯熱；ΔH是潛熱；p是靜壓；μ是黏度；S=A(1-β2)β3+εU，其中，ε=0.001，A=104~106，β是體積分數(shù)，β=■■■||||0,T<TsT-TsTl-Ts,Ts<T<Tl1,T>Tl。3.3仿真結(jié)果與分析電子設(shè)備內(nèi)部溫度與支撐殼內(nèi)壁的溫度變化一致，為使計算可靠，取最高溫度60℃作為初始溫度進行計算。選用相變溫度為60℃的石蠟，在相變區(qū)間潛熱為160kJ/kg，材料熱物理性能見表1。要求電子設(shè)備在連續(xù)工作60min后，最高溫度不超過80℃。建立三種模型，模型1內(nèi)部無相變材料，模型2內(nèi)部有相變材料，模型3加入蜂窩骨架。將電子設(shè)備上主要發(fā)熱的功率芯片簡化為8mm×8mm×3mm的熱源，熱源功率為5W，初始環(huán)境溫度為60℃，忽略內(nèi)部自然對流，采用Fluent進行模擬計算。求解器采用非耦合、隱式、二維的求解方法，物理模型采用非穩(wěn)態(tài)、層流、固/液相變模型，采用SIMPLE算法來處理溫度場和壓力場的耦合。模型1的溫度云圖如圖3所示，沒有熱控制手段時，熱量會一直積累，60min后最高溫度達到99.4℃，遠遠超過了電子設(shè)備要求的最高工作溫度。當相變材料直接填充在盒內(nèi)空腔中，相變材料通過相變吸熱將產(chǎn)生的熱量存儲起來，60min后模型2的溫度云圖如圖4所示，溫度最高為75.6℃，滿足電子最高工作溫度的限制。當內(nèi)部有蜂窩骨架，相變材料存儲在蜂窩骨架中，經(jīng)過60min后，模型3的溫度云圖如圖5所示，最高溫度為70.9℃，滿足工作溫度的要求。三種模型的溫度曲線如圖6所示。由圖6可知：添加相變材料能夠有效地吸收電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，與無相變材料的情況相比，最高溫度降低23.8℃；與有蜂窩骨架的相變材料盒相比，最高溫度相差4.7℃。結(jié)果表明，添加蜂窩骨架的模型可以增大蜂窩骨架與相變材料的接觸面積，能夠有效增強熱傳導效率，使相變可以同時、均勻地發(fā)生，在完全相變前的相同時間里能夠存儲更多的熱量，從而模型3的溫度比模型2更低。

4結(jié)論

針對發(fā)動機艙內(nèi)惡劣的高溫環(huán)境下電子設(shè)備的工作需要，本文利用仿真軟件對熱控制結(jié)構(gòu)進行模擬，結(jié)果顯示所設(shè)計的熱結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)電子設(shè)備在高溫環(huán)境下持續(xù)工作60min的需求。仿真結(jié)果表明：在外部環(huán)境溫度為250℃時，隔熱層材料越厚，內(nèi)壁熱流越小，溫度越低，隔熱效果越好；30mmSiO2氣凝膠氈隔熱層可在60min內(nèi)保證設(shè)備內(nèi)部溫度不高于60℃；在相變盒尺寸不變的情況下，添加相變材料可以有效地吸收電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量；蜂窩骨架增強了相變材料的導熱性能，使溫度分布均勻。添加金屬蜂窩骨架和相變材料的情況下，60min后電子設(shè)備最高溫度為70.6℃。通過軟件仿真驗證了本文設(shè)計的熱控制方案可以實現(xiàn)電子設(shè)備運行的需求。

作者:譚雯 沈三民 楊峰 單位:中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室