相变材料深空控温技术研究

张 立,王 升,赵 静

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

随着航天深空探测技术的迅速发展，高性能芯片和大规模及超大规模集成电路的使用越来越广泛。一方面，电子器件芯片的功率不断增大，体积逐渐缩小，且大多电子器件的待机发热量低而运行时发热量大，短时温升大[1-4]；另一方面，对温度波动的控制要求越来越高，这些要求给航天器热控带来很大挑战。因此，电子产品抗热冲击散热问题的解决对产品的热设计具有十分重要的意义[5-7]。

利用相变材料可以很好地解决这一问题。但是，如果将封装好的相变块直接应用到电子设备时，需要通过黏接、螺钉固定等方式与产品结构组合，这种设计有以下弊端：首先，通常直接应用相变块会带来产品结构尺寸、质量的增加；其次，相变块与结构接触面的接触热阻往往成为整个导热路径上的瓶颈，从而无法充分发挥相变材料的性能；再次，这种结构经受力学振动冲击的能力也较弱。与结构一体成型的相变控温装置有效解决了上述几项问题。综上，将相变材料与载荷产品结构复合一体化设计是一种可靠性很高的被动热控手段。

产品结构和相变材料复合一体化装置的性能取决于其中的相变材料，而相变材料虽然具有理想的比热容和相变潜热，但是其导热能力较低，极大地限制了其导热的效率[8-10]。因此，一般会在相变材料中分散加入高导热的填料，如金属翅片，泡沫金属和碳纤维等，从而形成具有较高表观导热系数的相变控温装置[11-13]。Qu等[14]采用泡沫铜作为相变材料的导热增强体，研究分析了泡沫铜的孔隙率和孔密度对相变热沉热控性能的影响。

试验结果表明，添加了泡沫铜的热沉具有更低的表面温度，并且通过适当降低泡沫铜的孔隙率或者孔密度，热沉的表面温度将会进一步降低。Zhu等[15]研究分析了泡沫铜孔隙大小，以及泡沫铜填充比率对相变热沉温控性能的影响，得到了与Qu 同样的结论，即增加泡沫铜的孔隙能够有效地降低热源的温度。Alshaer等[16]研究分析了两种泡沫碳(CF-20和KL1-250，CF-20的热导率为3.1 W/(m·K)，KL1-250的热导率为40 W/(m·K))对相变热沉控温性能的影响，试验结果表明，高热导率的KL1-250泡沫碳结构能更加快速地将热源处的热量传递到他处，进而有效地提升了相变热沉的温控时间。

在高导热填料的选用方面，以碳材料为基体的常用的导热增强材料有两种，为膨胀石墨和泡沫碳；另外，铜是自然界中易获得导热性能的优异金属物质。基于此，本文选择膨胀石墨、泡沫碳和泡沫铜3种导热增强填料进行对比研究。

1 试验系统及试验内容

对相变储热装置的测试是本课题的重点之一，为了给工程设计及仿真提供真实可靠的依据，热测试选择在试验室内搭建专门测试环境。主要测试设备如表 1所列。试验现场如图 1所示。

表1 测试设备

图1 试验现场Fig.1 Testing site

在试验室环境下，以定制电加热片代替实际热源；将电加热片粘贴在相变控温结构凸台上元器件发热位置，模拟实际热耗情况。通过在加热片和相变储热装置上安装热电偶来测试在相变储热器工作情况和温度曲线，相变扩热板上的热耗分布如图 2所示。采用此种方式可以与仿真结果进行比对，校正仿真模型，为仿真参数的选择积累经验数据。

图2 相变扩热板上的热耗分布Fig.2 Heat distribution of phase change board

相变控温装置的性能依赖于相变材料，故为其选用合适的相变储能材料非常关键。经过初步仿真计算，为了满足航天电子产品元器件I级降额的热设计要求，元器件壳温应在75 ℃以下，因此选择相变温度73 ℃附近的石蜡作为装置相变材料。

本文试验对象为3种不同导热增强材料且厚度不同的6种相变控温装置，3种导热增强材料分别为：膨胀石墨、泡沫碳、泡沫铜，其填充情况如图 3所示。

图3 相变扩热板导热增强材料填充情况Fig.3 Filling of thermal conductivity reinforcement materials for phase change plate

3种导热增强材料的当量热物性如表2所列。6种相变控温装置的具体信息如表3所列。

表2 导热增强材料当量热物性

表3 相变扩热板相关信息

相变储热装置，需要设置较多的测试点，以得到更加全面的试验结果，在试验时设置的测试点分布如图4所示。

图4 相变扩热板温度测点分布Fig.4 Distribution of temperature measuring points in phase change plate

试验中将6种相变控温装置分别按规定的形式布置好，分别加载相同热功率，在9 h内对电源和各测试点进行持续检测。

2 数值模拟

为了掌握相变控温装置的宏观热性能，了解某些特定位置的温度随时间变化的关系，采用等效比热法进行建模。

等效比热法的基本思路是将材料的潜热等效设置为材料在相变点的比热突变，将相变材料的相变吸热——放热过程中潜热发挥的作用等效为材料在相变点上附加的一个比热突变，以显热代替潜热，可以大大降低建模难度和计算复杂度。

相变材料的理论等效模型可以表达为方程组：

(1)

式(1)中，C为材料比热，Csp为固相时的材料比热，Clp为液相时的材料比热，Ce为材料温度相变过程中的等效比热，T为材料温度状态，Tstart为相变起始温度，Tend为相变结束温度；其等效的关系也可直观表达为如图5所示。

图5 等效关系图Fig.5 Equivalent relationship

其中关键是相变范围内等效比热Ce相比固态时材料比热Csp的增量，刚好等于相变潜热除以相变温度范围，以保证在相变过程中，潜热刚好等于额外附加的比热的效果。

(2)

式(2)中，h为相变材料的潜热，δT为材料相变的温度范围。

本课题利用有限元软件对相变装置的热性能进行仿真分析，选用四面体网格，网格总数量为119 086个，热耗如图 2所示，由于试验中边界温度随时间变化，为了准确模拟试验过程，与试验结果进行数据比对，仿真边界温度为试验采集的实际数据。分析模型如图 6所示。相变中间过程的温度分布如图 7所示。

图6 分析模型及网格Fig.6 Analysis model

图7 相变中间过程的温度分布Fig.7 Temperature distribution during simulation

3 结果与分析

图 8为6块相变控温板测点温度随时间变化的试验曲线。从测试结果可以看出，不同位置的相变扩热板外壳都在73 ℃附近发生了相变，曲线在这个位置的斜率明显放缓，相变材料扩热板在相变过程中温升约5 ℃，证明相变材料确实在预定温度下发生了相变，并有效吸收了电加热片的热耗。

图8 6块相变控温板测点温度随时间变化的试验曲线Fig.8 Test curves of temperature change with time at the measuring points on the 6 phase change board

使用相变控温装置的目的就是控制与扩热板接触的器件表面的温度。

正如预期的一样，表面温度一开始上升的很快。在到达第一个临界点To=65 ℃之前，所有曲线几乎按照同一斜率增长，即所有测点温度匀速上升，此时相变材料并未发挥作用，导热增强材料也并未影响散热器热传递初期的冷却效果。

很明显，在达到相变临界点后相变材料开始熔化，各条曲线开始分离并且斜率都明显减小，表明相变材料开始发挥效用。熔化过程中，离热源近的曲线更加平坦，这表明离热源近的地方相变材料发挥的作用更强，散热效果得到了更大程度的改善。相变材料吸收的能量大于总潜热后，相变材料完全相变，温度曲线斜率开始增加。装置呈现出与普通材料一致的温升曲线。

通过对6块相变板在相同边界条件、相同热耗情况下的对比，对比了2号测温点达到75℃的时间，针对1#、3#、5# 3块薄板，其用时长短顺序为： 3#板>5#板>1#板，针对2#、4#、6# 3块厚板，用时长短顺序为：4#板>6#板>2#板，而对比薄板与厚板发现，厚板的相变稳定时间明显长于薄板。以上试验现象说明：其一，扩热板厚度，即相变材料的用量对相变装置的储热能力影响最大；其二，在相变材料体积相同的情况下，泡沫碳复合相变板的储热能力最强，其次是泡沫铜相变板，膨胀石墨相变板的储热性能最差。

在断电冷却过程中，温度曲线出现了明显的温度稳定过程，这一过程是相变材料从液态转换为固态的过程，温度基本维持不变，热量进一步耗散，通过对6块相变板冷却过程中恒温段的对比发现，相变持续时间长短顺序仍为：4#板>6#板>2#板>3#板>5#板>1#板，这也证明了泡沫碳复合相变板的相变能力最强，膨胀石墨复合相变板的相变能力最差。

通过本课题可得出结论，在3种相变复合材料中，泡沫碳复合相变板的储热能力最强。

在与试验情况相同的边界条件下，对相变板的相变过程进行仿真，得到温度随时间的仿真温度曲线如图9所示。通过对6组仿真数据进行对比，得到6块相变扩热板升温用时长短顺序依次为：4#板>6#板>2#板>3#板>5#板>1#板，与试验结论一致，这也证明了该套相变过程的仿真参数的合理性和有效性，可以用来作为后续相变过程热仿真的经验数据参考。

图9 6块相变控温板测点温度随时间变化的仿真曲线Fig.9 Simulation curves of temperature change with time at the measuring points on the 6 phase change board

4 结论

本文分析了相变控温装置的试验情况，对装置进行了数值模拟，并将计算结果与试验结果进行了对比，结果表明：

1)相变控温装置的仿真计算中，根据常规经验数据，对接触热阻、辐射系数进行取值，相变装置的综合热参数按照相变材料和封装结构进行加权平均，利用等效比热法对相变过程进行数值模拟，最后得到的仿真值与试验数据吻合的较好，从而很好地验证了本研究计算模型的可靠性和准确性；

2)首先，从相同热耗情况下对6块相变控温装置的储热能力和热响应速率进行对比发现，扩热板厚度，即相变材料的用量对相变装置的储热能力影响最大，其次，在相变材料用量相同的情况下，泡沫碳复合相变板的储热能力最强，其次是泡沫铜，性能最差的是膨胀石墨；泡沫碳复合相变板的相变能力最强，膨胀石墨复合相变板的相变能力最差；因此，在3种相变复合材料中，泡沫碳复合相变板的储热能力是最强的，在今后的应用中，优先建议使用泡沫碳复合相变板。

在下一步的工作中，将根据试验结果对仿真数据进行修正，研究得到更加精确的相变过程仿真方法，使数值计算可以更好地模拟和预测相变控温装置的热性能，为相变控温装置的设计和性能优化提供理论依据和设计支撑。