一种相变材料热沉的优化设计

摘 要： 某些电子设备需要工作在没有空气热沉的环境条件下， 如消防员使用的生命探测器等， 使用普通的热设计措施， 如利用器件或结构自身的热容延缓核心关键器件温度上升的做法已经越来越不适用。论文对一种相变热沉进行了参数化建模及分析， 并利用 Icepak 和参数化分析流程结合虚拟比热法进行了计算， 得出了影响某实际工程中 PCM 热沉效能的几个相关参数及其对应的结构相对最优值。

关键词： 相变材料； 优化设计； 虚拟比热法

0 引言

在某些电子设备应用环境中， 电子设备散热系统中完全没有了外部的空气热沉。 例如消防队员在火场中携带的生命探测器等。 使用普通的热设计措施， 如利用器件或结构自身的热容延缓核心关键器件温度上升的做法已经越来越不适用， 必须找到一种可靠、 安全且可满足工作时间要求的热沉。 相变材料（PCM）及相变热沉在文献[1]、[2]中早已被提及， 但是少有具体的设计案例可参考。本文对使用膨胀石墨相变材料的相变热沉进行了参数化建模及分析， 并利用 Icepak 进行了优化计算， 得出其结构参数相对最优值。

1 相变热沉材料选择及设计

1.1 PCM 材料的选择

在文献[1]、[2]中提及的 PCM 材料均是各种石蜡， 由于其碳原子的数量不同其相变温度有所不同。 相变温度随其所含碳原子的增加而增加。 在实际工程中， 直接采用石蜡作为 PCM 材料有诸多问题。 其中主要有： ①石蜡固相与液相的体积变化过大； ②石蜡发生相变生成液相后具有流动性， 容易引起电子设备某些功能器件的性能变化， 如液相石蜡流到波导、 微带线上， 且流动将导致方向性问题； ③石蜡遇高温与可燃固体在一起是容易起火； ④石蜡的导热系数过低， 导致传热的扩散热阻较大， 石蜡热沉的效能将大大降低。

综 上 所 述， 人们采取了各种方法对其进行改性[3]，主要目的为降低流动性， 提高导热系数， 同时在满足上述前提的情况下尽量提高材料的平均相变潜热。 目前主要的做法是采用金属铝泡沫掺入石蜡[4]， 或石墨片及金属粉末掺入石蜡的方式。 而采用新型的膨胀石墨加石蜡的方式在工程应用上研究较少。 膨胀石墨 PCM 材料是以石蜡为相变材料、 膨胀石墨为支撑结构， 利用膨胀石墨的多孔吸附特性， 制备出的复合相变储热材料， 不同石蜡含量， 有不同的相变温度， 将其热压到封闭腔体内便形成了 PCM 热沉。 目前我们应用的几种膨胀石墨 PCM材料的基本性能见表 1。

以下设计与优化中采用了 74# 材料。

1.2 PCM 热沉结构

根据实际器件及结构的特点设计了 PCM 热沉框架，考虑到加工的方便性、 测试的便利等， 将 PCM 直接压入网格腔体中形成 PCM 热沉。 器件直接和热沉的底面接触， 通过传导将热量导入热沉中， 如图 1 所示。

2 PCM 热沉的优化设计

2.1 PCM 热沉的参数化

待 优 化 的 热 沉 结 构 见 表2、 3， 各参数几何意义及对应关系如下： 在目前的优化过程中需要变化的是长度和宽度方向上的边距 e_dl， e_dw，及长度方向上单元数量 e_number。 为简化分析过程， 采用 e_dl=e_dw 即每个单元的各边距完全相等进行建模。采用 a=b=V,及 e_number=C 对参数化模型进行驱动。 其中 V 的 取 值 范 围 为 {1，2，3，4，5，6}， 而 C 的 取 值 为{2，3，4}。 为了降低建模的工作量， 尽量实现自动化， 装配 体 零 件 之 间 采 用 了 UG 关 联 表 达 式 ( Inter—Part Expression) 将装配体中的零件之间的几何尺寸参数相互关联， 当 C 取不同值导致拓扑结构发生变化后， 每个相变材料单元体自适应变更几何尺寸， 同时自适应调整装配阵列的间距、 数量参数。

通过该方法， 配合参数驱动列表关系可大大提高建模速度， 同时由于 Ansys workbench 支持 NX 接口， 因此可在 Design Modeler 直接对以上三个参数进行修改， 同时使用 DM 的 Electronic 工具简化为 Icepak 中的单元体。只要 C 的数值不变， 更改 a、 b 的数值就可获得不同的Icepak 计算模型， 且不同的 C 数值对应不同 的 a、 b 数值只需进行一次 icepak 物性参数及边界设置， 大大加快了仿真分析速度。

本 文 主 要 对 e_dl， e_dw 及 e_number 进 行 了 优 化 ，其他参数考虑到实际加工等因素暂设定为常数。

2.2 PCM 材料的建模方法

PCM 的建模目前采用了等效比热法/虚 拟 比 热 法 ，文献[5]是在电子设备散热中使用 PCM 计算的一些实例，等效比热法的基本原理如下：

即将比热在一个温度变化区间内使用在这期间的潜热与相变温度区间的比值取代。参考文献[5]、[6]对于所用的膨胀石墨 PCM 材料设定其相变区间 δT 为 2℃。

2.3 优化计算结果及分析

通过不同的参数设定， 进行优化设计的模型及计算结果如图 3~5 所示。 计算模型没有考虑盖子及四个安装耳。 计算时间 3600s， 腔体材料为 6061， 为加快计算速度没有考虑辐射换热情况。 温度监控点与测试时一致。瞬态计算考察的时间为 1 小时。

所得温度随时间分布曲线明显可分为三部分， 即：第一显热段， 在该阶段， 吸热主要由结构和 PCM 材料的 显 热起 承 担； 潜 热 段， 该阶段温升曲线斜率明显变小， 主要由 PCM 材料的相变潜热发挥吸热作用； 第二显然热段， PCM 潜热发挥完毕， 相变过程结束， 热量由结构和相变后 PCM 的显热吸收。 同时， 对典型时间位置处的温度分布进行了横向比较， 所取的时间点为其三个 阶 段 的 中 心 时 间 位 置 ， 时 间 点 取 为 360s， 1440s，3060s。

由图 3 可知,在没有相 变 发 生时 候， 热 点 温 度 的 变化几乎只和热沉的质量相关， 质量越大的当然温度就越低。 由图 4， 当相变开始发生时， 热点温度和热沉的扩散热阻， 相变发生的程度等关系密切， 状态有了差异，就计算的结果看采用 6 单元是最差的结果， 而使用 4 单元是最好的， 图 5 表明了相变末端的温度变化状态， 其状态和图 4 相变时接近。

总的来看， 如果不考虑质量， 且不考虑温度控制时间， 最优的结果应是采用 4 个单元 6mm 壁厚结构形式；如考虑到重量控制问题， 最优的结构应是采用 3mm 壁厚， 腔体为八单元的结构。

对于该特定热沉 结 构 ，其 余的 特 点 还 有： ①壁厚越薄，相变时间越长，但是相变过程 热源温度越高，二者相差约 300~400 秒时间不等；②壁厚越厚， 相变时间越短，但是相变过程热源温度越低，二者相差 5~7℃。 如果器件的温度允许， 设备工作很长的情况下， 宜选择壁厚较薄的结构。 由于本项目对重量控制较为严格， 最终选定了3mm 壁厚，8 单元的结构形式。

3 结束语

本文通过用 Icepak 对采用膨胀石墨 PCM 材料的热沉进行了优化设计及分析， 给出了一个工程实例的设计过程及对应优化参数， 对类似工程有参考意义。 后续的工作需通过分析热沉内部温度场在与 PCM 耦合条件下变化过程， 进一步指导工程设计。

参考文献：

[1] Dave S. Steinberg, Cooling Techniques for Electronic Equipment,John Wiley & Sons, 1991.

[2] 余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京：航空航天大学出版社，2008.

[3] 李曾敏.固体相变蓄热材料的蓄热和放热性能研究[D].重庆大学，2002.

[4] 张涛，余建祖.泡沫铜作为填充材料的相变储热实验[J].北京：航空航天大学学报，2007，9.

[5] Xiang -Qi Wang,Effect of orientation for phase change material(PCM)-based heatsinks for transient thermal management of electric components,International Communications in Heat and Mass Trans[1]fer，2007.

[6] F.L. Tana, Hosseinizadeh,Experimental and computational study of constrained melting of phasechange materials (PCM) inside a spher[1]ical capsule,International Journal of Heat and Mass Transfer，2009.

作者：胡家渝  西南电子技术研究所， 四川 成都 610036