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基于相变材料和均热板的复合散热技术研究

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0引言

弹载、机载等平台的雷达干扰设备的发射功率日益增大,并且干扰设备的工作环境、安装空间和重量的要求也越来越苛刻,无法使用风冷、液冷等强迫冷却手段进行散热,设备本身大多只能依靠自身的结构热沉进行散热。纯铜、纯铝作为常用金属材料具有较强的导热和储热能力,虽然在一定条件下,单纯铜实体、铝实体作为热沉材料具有足够的热沉容量,能使设备的散热满足指标要求,但重量会远超指标要求。

目前对于短时工作的弹载、机载等平台大功率雷达干扰设备的散热,越来越多地使用相变材料作为热沉材料进行储热散热。相变材料一般采用石蜡、脂肪酸作为主要成分,具有价格低廉、容易获得、储热密度大、稳定性好等特点。但是相变材料具有导热系数极低的缺点,如果设计、使用不当,热源产生的热量不能及时传递到相变材料,或者相变材料不能及时、充分地发生相变,反而会使设备的散热效果更差。通常采取在相变材料中加入高导热材料,如铜粉、铝粉、碳纤维等,或采用翅片管换热器结构,增大换热面积,以提高相变材料的当量导热系数。但是干扰设备发射功放大多热源分布比较集中,而且工作时间短,发射功率大,如果将相变材料直接填充在金属盒体中,则由于金属表面的扩散热阻相对较大,很难使集中热源产生的热量传递到远端,即使相变材料有足够的储热能力,在有限的时间内也不能发挥全部作用。

本文设计了一种相变材料、均热板复合结构的散热装置,均热板由密封壳体、附着在壳体上的毛细层以及工质组成。液态工质在发热部位受热汽化,气体迅速扩散到整个腔体,在冷却部位液化,液体再通过毛细层回到发热部位,如此循环,实现热量的传递。均热板本身并不具有储热能力,其最大优势是,相比于常用金属材料,它在二维面上具有超强的传热性能,当量导热性能超过20000W/(m·K),厚度最小可以做到3mm,基本相当于采用金属实体的腔体的壁厚,不会占用太多空间。在散热装置的热源和相变材料之间填充一层均热板结构,热源产生的热量首先传递到均热板结构,均热板可以实现集中热源热量二维的高效传导扩散,将热量快速传递到远端,同时传导到均热板的热量纵向传导至相变材料,使热源远端的相变材料更大程度地发挥作用,提升干扰设备的散热效果。本文分别采用单一铝实体、铝与相变材料、铝与相变均热板复合3种方案设计某雷达干扰设备的热沉,主要介绍复合散热装置的设计。

1复合散热装置设计

1.1某雷达干扰设备热源分布

某雷达干扰设备外形尺寸小,重量要求严格。设备装载于密闭环境中,工作时间较短,发射功率大。功率器件主要由多个GaN功率芯片组成,功放的总热耗超过740W,并且热量分布比较集中,功放的热量分布如图1所示。

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1.2散热理论分析

由于设备基本处于密闭环境,工作时功率器件产生的热量主要由其自身热沉材料吸收,辐射换热可以忽略。因此该设备散热实现的主要途径为:1)强化内部传热,将热量快速传递到热沉材料;2)尽可能增加盒体的热容,保证盒体作为热沉有足够的吸热能力,从而抑制器件的温升。电子设备的发热量主要由散热功率和工作时间决定,

Q1=Pt   (1)

式中:Q1为发热量,kJ;P为器件的散热功率,W;t为工作时间,s

热沉材料的储热量为:

Q2=mλ+mCpΔT   (2)

式中:Q2为储热量,kJ;m为质量,kg;λ为相变潜热,kJ/kg;Cp为比热容,kJ/(kg·K);ΔT为温度变化量,K

(2)表明热沉材料的储热能力随着热沉材料的质量、相变潜热、比热容、温度变化量的增加而增大。目前雷达干扰设备常用的热沉材料的物理性能参数见表1

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本设备的工作时间约为100s,实际产生的最大热量约为45kJ,因此需要保证设备的储热能力大于45kJ。除了器件腔体占用体积外,散热热沉可利用空间约为270mm×75mm×30mm,以热沉温度变化量ΔT40℃为例,经计算,纯铜实体、纯铝实体、相变材料的质量和储热量如表2所示。

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由表2可以看出,从理论上讲,3种热沉材料均可满足设备的储热散热要求,但是由于重量的限制,纯铜、纯铝实体作为热沉材料不能满足指标要求,相变材料质量轻,储热量大,是本设备唯一可以选择的储热散热方式。

相变材料虽然相变储热能力强,但前提是热量可以迅速传递到相变材料,使相变材料完全发生相变。由于相变材料的导热系数低,难以实现理论计算的散热效果。本研究的目的就是设计一种复合散热结构,在热源和相变材料之间增加均热板导热,尽可能发挥相变材料储热量大的优势。

1.3复合散热结构设计

铝与相变均热板复合的热沉结构采用一体化制造加工而成,均热板的一面与发热器件接触,依靠均热板的超强传热性能可以将集中的热量在二维平面上进行快速扩散;均热板的另一面与相变材料接触,相变材料中布置圆柱形散热翅片与均热板面相连接,可以同时提高相变材料水平方向和纵深方向的传热效率。散热装置结构剖面如图2所示。结合面采用高频扩散焊接的生产工艺使相变材料和均热板的腔体完全密封。高频扩散焊技术具有焊接强度高、焊接变形小、可大面积焊接、可焊接任意复杂对接面等优点。

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2仿真计算

采用Icepak热仿真软件对铝实体热沉、铝与相变材料热沉和铝与相变均热板复合热沉的散热效果进行了热仿真,分别截取60s120s时的温度云图如图3、图4、图5所示。

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由仿真结果可以看出:60s,以铝实体作为热沉,芯片表面最高温度为85.6℃,此时远端的最低温约为66.8℃,两者温差为18.8℃;以铝、相变材料作为热沉,芯片表面最高温度为101.9℃,此时远端的最低温约为66.2℃,两者温差为35.7℃;以铝、相变材料、均热板复合结构作为热沉,芯片表面最高温度为89.4℃,此时远端的最低温约为73.5℃,两者温差为15.9℃

120s,以铝实体作为热沉,芯片表面最高温度为111.2℃,此时远端的最低温约为73.8℃,两者温差为37.4℃;以铝、相变材料作为热沉,芯片表面最高温度为144.0℃,此时远端的最低温约为72.1℃,两者温差为71.9℃;以铝、相变材料、均热板复合结构作为热沉,芯片表面最高温度为118.7℃,此时远端的最低温约为87.0℃,两者温差为31.7℃

由仿真结果可知,对于短时工作的干扰设备,以铝实体作为热沉的散热效果略优于以铝、相变材料、均热板复合结构作为热沉的散热效果,两者的散热效果远优于以铝、相变材料作为热沉的散热效果;在热源和相变材料之间加入均热板可以大大提高散热装置的热扩散能力,使相变材料的效能得到充分发挥。

3验证试验

3.1试验方案

为了验证铝与相变均热板复合热沉的散热优势,本试验通过红外热像仪对比了单一铝实体、铝与相变材料、铝与相变均热板复合3种热沉在相同工况下的热源温度变化以及温度云图。试验只是为了近似模拟设备的热源分布状态,每种热沉均采用4100W的集中分布于热沉一端的加热棒作为热源,加热棒通过压块压紧在热沉面上,与热沉的接触面之间均匀涂敷导热脂。为方便仪器的摆设和测试,试验在室温条件下(20.6℃)进行。

3.2试验结果与讨论

试验结果如图6所示,分别呈现了60s时和120s3种热沉的温度云图。

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3为不同热沉方案试验对比结果。从试验结果可以看出,试验和仿真结果一致。但是在相同体积条件下,铝、相变材料、均热板复合结构热沉最轻,铝实体热沉质量几乎是复合结构热沉的2倍。

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4结束语

文中对3种热沉进行了散热理论分析、热仿真计算和试验验证,三者结果吻合。对于短时工作的干扰设备,以铝实体作为热沉的散热效果略优于以铝、相变材料、均热板复合结构作为热沉的散热效果,主要原因在于铝实体热沉材料更均匀,综合导热系数更高,但是其重量也最重,在一些对重量有严格要求的平台上并不适用。在热源和相变材料之间加入均热板可以大大提高散热装置的热扩散能力,最大程度地弥补了相变材料导热系数低的问题,极大地提升了相变材料的效能发挥。本研究为短时大功率工作的干扰设备的散热提供了一定的借鉴,后续可以进一步对复合结构热沉中均热板和相变材料占用空间配比、相变材料填充量和散热翅片占用空间配比进行优化设计,进一步提升散热装置的散热效果。

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