复合相变材料在电子设备短时瞬态温控中的应用

郑雪晓

(中国电子科技集团公司第十研究所， 四川 成都 610036)

复合相变材料在电子设备短时瞬态温控中的应用

郑雪晓

(中国电子科技集团公司第十研究所， 四川 成都 610036)

阐述了石墨/石蜡复合PCM(相变材料)相较于传统PCM的优势，介绍了相变储热器的设计及工艺填充方法。通过实验验证了基于等效比热法的相变储热器的仿真和优化。从而简化了传统PCM在电子设备短时温控领域应用中的设计、计算、强化传热、封装问题，为石墨/石蜡复合PCM储热器设计及应用提供参考。

电子设备冷却；短时瞬态温控；相变材料；石墨/石蜡

引 言

航天、弹载电子设备由于其自身的条件限制，多数情况下无法采用自然对流、强迫风冷或液冷等方式进行冷却，且部分产品外界会通过传导或热辐射的方式对其传热。此类产品工作环境初始温度高，无故障工作温度带窄，在有限工作时间内热耗高，散热条件缺失或存在外界对其加热。因此需要寻求一种冷却方式，解决以上问题，完成短时、瞬态温度控制。

相变材料(Phase Change Material, PCM)是指在某一特定温度下，从一种聚集态转变到另一种聚集态的物质[1]，同时伴随着大量储热或放热的现象。PCM的这种恒温、高储放热的特性，使其被广泛应用到储能和温控领域中。相变温控因具有以上特点，在20世纪60年代被应用到了航空航天电子设备温控领域。

目前采用的多数PCM 按相变方式可分为固-固、固-液、固-气和液-气相变型PCM四类[2]。后两种相变潜热很大，但相变时体积变化也很大，使用时装置复杂，并非电子产品最佳选择。固-液型相变体积变化相对较小，相变潜热较大，但相变过程中有液相出现，材料导热系数较低，不易封装，并非电子设备温控的最佳选择。固-固型相变体积变化最小，且相变过程中不出现液相，无需容器封装，但固-固型在实际应用时存在相变潜热较小、品种较少、价格偏贵等问题，限制了其广泛应用。

石墨/石蜡复合PCM本质上相变体是石蜡，属固-液型PCM，但由于其特殊的物理结构，相变时宏观上并未呈现固液转换，因此集合了上述传统PCM的多数优点，为电子设备散热，以及设计过程中的结构设计、工艺实现、数值仿真计算提供了有利条件。本文着重阐述如何将石墨/石蜡复合PCM通过合理的结构设计和工艺实现方法应用于短时瞬态温控领域，为基于石墨/石蜡复合材料的短时温控设计应用提供参考。

1 石墨/石蜡复合PCM

电子设备散热PCM应具备相变潜热高、有合适的相变温度、相变过程可逆性好、相变时体积变化小、导热系数大、热稳定性好、不易燃等特点。

石墨/石蜡复合PCM是以有机物石蜡为PCM，无机物膨胀石墨为支撑结构，根据储热材料的功能要求，设计和调控无机物材料的表面及界面特征，采用“液相浸渗法”，利用膨胀石墨对石蜡良好的吸附性能所制备出的石墨/石蜡复合PCM[3]。石墨高的导热系数提高了PCM的导热性能，此外在毛细作用力和表面张力的作用下，液态石蜡很难从石墨的微孔结构内渗透出来，从而抑制了石蜡在储热时液体的泄漏和流动问题，其相变过程中宏观可见材料始终处于固体状态。与传统单一PCM不同，该材料储热密度大、导热系数高，且无液体泄漏和流动问题，其相变过程体积变化小，价格相对较低。图1为某石墨/石蜡复合材料试样及电子扫描显像图。

图1 石墨/石蜡复合材料试样及电子扫描显像图

石墨基复合PCM具备上述优点，因此可作为较为理想的电子设备短时瞬态温控材料。表1列出了较为实用的3种石墨/石蜡复合材料的相关物性参数。

表1 3种石墨/石蜡复合材料的相关物性参数

2 复合PCM储热器的设计

石墨基复合PCM虽然和传统单一材质有机PCM相比，其导热系数得到强化，但和金属材料相比，其导热系数仍然偏低[4]。储热器的设计内容主要是增强传热能力，在材料填充量与传热翅片数量之间寻找最优解。设计时可遵循以下思路：热源发热及储热器储热能力大致计算→根据空间尺寸限制及储热要求调整储热器外形→储热器散热翅片优化。其详细流程如图2所示。

图2 储热器设计流程

2.1 PCM填充质量计算

发热及储热计算是PCM储热器设计的数据基础，主要计算热源在工作时间内总发热量及此发热量所需的PCM质量。计算时可假设热源及储热器处在一理想绝热环境中，以简化计算。

热源发热总量应包含与冷板接触的所有热源的发热量：

(1)

式中：Q为热源总发热量；Wi为各发热体热耗；t为工作时间。

由于假定整个热交换系统都处在一理想绝热环境中，因此不考虑热源及相变储热器对外换热，热源发出的热量全部被相变储热器吸收，因此所需填入的PCM质量：

(2)

式中：L为相变潜热。

由于大多数航天电子产品尺寸较小，因此其金属容器所具有的显热与PCM相比可忽略不计。在估算PCM用量时，可只考虑相变潜热对系统热容量的影响。

2.2 储热器外形设计

根据计算出的PCM质量以及安装平台的空间体积要求，设计出PCM储热器的外形尺寸及安装接口。设计时应充分考虑工艺的可行性，其结构外形要相对简单，散热肋片设计不宜过于复杂、密度不宜过大，应考虑填充工装的可行性。外形设计可依据图3流程进行。

图3 PCM储热器外形设计流程

2.3 储热器散热肋片优化

2.3.1 数值仿真优化

根据测试和仿真结果对PCM储热器时间温度曲线进行分析，对PCM储热器内翅片间距进行调整，从而优化PCM储热器时间温度曲线的形状，使相变段尽量延长，斜率减小。下文通过某实例介绍利用数值仿真对储热器进行的强化储热设计。

数值仿真均建立在等效比热法的基础上。等效比热法是指将相变区间的比热替换为相变期间的潜热h与相变区间温差Δt的比值。石墨/石蜡复合材料相变过程中，石蜡吸附于石墨纤维之上，毛细作用及表面张力使其不能随意流动，因此在对PCM储热器进行数学建模及仿真分析时，可不考虑固相与液相界面在吸热过程中的移动边界问题(即斯蒂芬问题)，而采用简化的等效比热模型[3]，其等效关系如图4所示。

图4 等效关系图

其中：

(3)

为了简化优化方案，尽量实现计算机自动优化，得出以下数值方法前提条件：

1)PCM储热器长宽方向尺寸固定，仅高度方向尺寸为可优化参数；

2)PCM储热器强化传热肋片为“田”字形式，便于产品的简化设计、加工和填装。同时PCM储热器最小单元尺寸不小于20 mm，以便于填装工装的加工和保证刚度、强度；

3)考虑到填装工装的易加工及系列化问题，将PCM“田”字分为4格、6格和8格的结构形式，计算机数值优化仅针对尺寸进行，不针对拓扑结构。

储热器散热肋片结构如图5所示，优化过程中需要变化的是长度和宽度方向上的边距d1、d2，及长度方向单元数量。如果单元数量取不同值导致拓扑结构发生变化，每个PCM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。

图5 储热器散热肋片结构

优化仿真采用Ansys Workbench，由于Ansys Workbench支持NX接口，因此可在DM(Design Modeler)中直接对以上3个参数进行修改，同时使用DM的Electronic工具将参数化模型简化为Icepak中的单元体。通过上述步骤实现对d1、d2以及单元数量的优化。

该例中将计算时间设为3600s，腔体材料为6061，为加快计算速度不考虑辐射换热情况，温度监控点在热源处，瞬态计算考察的时间可设定为1 h。

所得温度随时间分布曲线明显可分为3部分，即：第一显热段，在该阶段，吸热主要由结构和PCM的显热一起承担；潜热段，该阶段温升曲线斜率明显变小，主要由PCM的相变潜热发挥吸热作用；第二显热段，PCM潜热作用完毕，相变过程结束，热量由结构和相变后PCM的显热吸收。仿真优化结果如图6所示。

图6 数值仿真优化结果

将所有仿真分析数据分布在一张散点图上，得出4单元6 mm的结构形式是使相变温度最低同时相变段最长的最优结构形式。

2.3.2 测试与数值仿真的对比

图7为测试与仿真结果对比。总体来看，使用该方法模拟的效果较好，温度误差±6 ℃，相变转折点误差在100～200 s之间， 仿真结果与测试结果误差小于15%，可用于工程指导。

图7 测试与仿真结果对比

对相同结构形式的PCM储热器进行测试，发现其变化趋势与仿真结果基本一致，说明目前的方法可较好地为石墨/石蜡复合PCM储热器强化传热优化设计提供设计依据。测试结果如图8所示。

图8 测试结果

3 PCM储热器的工艺实现

工艺实现可按如下步骤进行：

1)将PCM置于开口容器中，并与空腔一起在恒温箱内进行加热。

2)恒温箱的温度调节到高于PCM相变温度，加热后从开口容器中取出部分PCM快速填充至空腔内。

3)用模具在外力帮助下进行初步压紧。

4)当PCM和空腔温度下降较明显后，再将装有部分PCM的空腔重新置于恒温箱内加热，并记录已加PCM的质量。

5)取出空腔，重复上述操作。如果发现剩余PCM较多，而空腔剩余体积较小，可加大压紧力度，直到需要填充的PCM被全部加入空腔后，结束上述操作。

PCM材料的填充工艺关系到此类产品的批次一致性，是工程应用中一道关键环节。测试结果表明，采用目前的工艺实现方案，PCM储热器性能一致性较好，可进一步开展工程化应用，图9为相同结构形式的2块储热器填充后的热测试结果。

图9 填充工艺一致性测试

4 结束语

石墨/石蜡复合材料的物理特性使其在电子设备短时瞬态温控领域具有得天独厚的优势。石墨/石蜡复合PCM储热器结构设计及强化传热优化方法的研究表明，在实际应用中，复合PCM储热器在储热能力不亚于传统PCM储热器的前提下，更加简单、可靠。复合PCM储热器电子设备短时温控技术可进一步应用于航天领域电子设备的各个散热环节中。

目前，由于PCM与金属储热腔体的线膨胀系数存在差异，导致反复加热后PCM出现膨胀后收缩而使储热器性能发生变化，如何解决这一问题是下一步研究的重点，但该种复合材料及储热器在航空电子温控领域仍然具有较为广阔的应用前景。

[1] 周伟, 张芳, 王小群. 相变温控在电子设备上的应用研究进展[J]. 电子器件, 2007, 30(1): 344-348.

[2] 陈爱英, 汪学英. 相变储能材料及其应用[J]. 洛阳工业高等专科学校校报, 2002, 12(4): 7-9.

[3] 张正国, 王学泽, 方晓明. 石蜡/膨胀石墨复合相变材料的结构与热性能[J]. 华南理工大学学报: 自然科学版, 2006, 34(3): 1-5.

[4] AKHILESH R, NARASIMHAN A, BALAJI C. Method to improve geometry for heat transfer enhancement in PCM composite heat sinks[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, 48(13): 2759-2770.

[5] 方铭. 相变储热系统传热强化理论与实验研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2006.

郑雪晓(1981-)，男，工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

Application of Composite Phase Change Material in Short-time Temperature Control of Electronics

ZHENG Xue-xiao

(The10thResearchInstituteofCETC，Chengdu610036,China)

The advantages of graphite/paraffin PCM (Phase Change Material) compared with traditional PCM are discussed. The design of PCM container and method of filling process are discussed. Simulation and optimization of PCM container based on the method of equivalent specific heat are verified experimentally. Consequently, the design, calculation, heat transfer enhancing and packaging of traditional PCM in short-time temperature control of electronics are simplified, providing a reference for the design and application of graphite/paraffin PCM container.

electronics cooling; short-time temperature control; phase change material; graphite/paraffin

2013-04-28

TK124；TB34

A

1008-5300(2013)04-0009-04