复合相变装置导热系数测试方法*

吕 倩

(西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

复合相变装置导热系数测试方法*

吕 倩

(西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

针对弹载、星载电子设备中短时、高功率、高热流密度工作特点，采用以金属泡沫为骨架填充石蜡类PCM(相变材料)的复合相变装置是工程上重要的解决方案之一。在采用该传热加强模式的复杂结构装置的仿真计算过程中，复合相变材料的导热系数设定是影响仿真精度的难点之一。文中针对该类型装置传热特性参数测试方法的工程化应用进行了重点研究，选取几种常用的复合相变组合进行试验验证，并将该研究成果运用到某相控阵天线的温度仿真计算中，印证了其良好的工程实用性和推广性。

复合相变装置；导热系数；测试系统；数值仿真

引 言

随着电子、微电子技术的迅猛发展，电子元器件的集成程度和功率密度不断提高，电子器件的耗散功率密度和发热量越来越大。因此，散热问题变得越来越重要，对热管理技术的要求也更加严格[1]。尤其是军事武器装备领域，军事电子设备中大量使用的微波功率器件和IGBT模块等的热流密度更高，散热形势更为严峻[2]。和地面、航空产品不同，弹载、星载产品由其自身的平台条件限制，短时、高功率的工作特点制约，热控技术成为诸多重大项目成败的关键因素，解决上述矛盾的一个有效途径是发展快速、高效的相变储能技术。相变储能(Phase Change Thermal Storage，PCTS)技术是利用相变材料(Phase Change Material，PCM)在物相变化过程中的吸热或放热来储能或释能的，具有储能密度大、储/释能过程温度恒定等优点，是缓解热量生成和排放在时间、强度及地点上不匹配的有效方式。相变材料在弹载、星载电子元件温控领域有着广阔的应用前景。

固-液相变储能装置有良好的恒温性以及巨大的相变潜热，但是电子产品常用的相变材料(如石蜡类、无机盐类等)普遍具有导热率较低的缺点，难以满足工程中快速相变响应的实际需求。在相变装置工程化研制过程中采用泡沫金属或泡沫碳作为金属骨架进行传热加强是目前强化传热的重要措施之一。由于装载平台的限制，星载、弹载电子设备的相变储能模块的结构往往是异型体，在填充了泡沫金属或其他传热强化结构后形成复合相变储能模块。如何获得导热系数的真实参数成为制约工程仿真计算的重要瓶颈，本文重点针对复合相变储能模块的导热系数测试方法及后续工程应用进行研究。

1 相变储能装置内部的传热强化形式

国内外对高导热率相变材料开展了大量的研究工作，开发和研究高储能密度、高导热率、性能良好的复合相变材料是相变储能技术的关键。针对该研究方向主要提出了两种强化换热的方法：1)通过添加剂的方式在相变材料中加入高导热系数的物质；2)以高导热率的多孔介质(金属泡沫、石墨泡沫融合纳米高导热粒子、液态金属)为骨架，PCM作为填充物制成复合相变结构。本文采用以金属泡沫为骨架填充石蜡类PCM的复合相变装置进行传热强化。

通过填充复合相变材料到金属基体形成复合相变装置来达到提高相变装置导热系数的目的。复合相变材料主要指性质相似的二元或多元化合物的一般混合体系或低共熔体系、形状稳定的固-液相变材料、无机有机复合相变材料等。

典型的金属泡沫如图1所示。复合相变材料结构的骨架有多种结构形式，见图2。

图1 典型的金属泡沫(铜泡沫及铝泡沫)

图2 复合相变材料结构骨架典型种类

上述结构形式的骨架与相应的相变材料结合后形成复合相变储能构件，提高了热传导能力。但由于结构的复杂性，只知道单一材料的导热系数已无法满足设计及仿真的需求，因此该类构件导热系数的测试方法成为困扰工程设计及仿真的重要问题。

2 测试方法研究及试验

在两片样品中间放入TPS探头进行测试，探头及测试方法示意见图3。探头的温升是时间的函数，探头既是温度传感器又作为加热源(自加热传感器)，然后利用对应的模型和边界条件对响应进行分析[3]。

图3 测试探头及测试示意图

根据TPS方法，我们将既是温度传感器又是加热器的探头放置在被测试件的中间，在探头上输入一个恒定的直流电。随着温度的升高，电阻发生变化，因此两端的电压也发生变化。通过记录电压和电流变化规律，从而得到被测试件的热信息。使用hotdisk测量石蜡、泡沫铜导热系数，见图4。

图4 使用hotdisk测量石蜡、泡沫铜导热系数

实际测量时探头的电阻变化可以表示为

R(t)=R0[1+αΔTi+αΔT(τ)]

(1)

式中：R0是探头在瞬态记录前的电阻；α是热阻系数(TCR)；ΔTi为探头和被测样品完全接触时温度的实时上升值；ΔT(τ)是假设探头和被测样品完全接触时的平均温度上升值，

(2)

式中：P0是探头释放的热；D(τ)是无量纲的时间函数；K是被测样品的导热系数；r是探头的半径；τ可以由下式得到，

(3)

式中：a是被测样品的热扩散系数；t是测试时间；Θ是特征测量时间，

将式(2)带入式(1)，并设

R*=R0[1+αΔTi]

和

式(1)可写为

R(t)=R*+CD(τ)

(4)

将测得的电阻R(t)对D(τ)作图，应当得到一条直线。通过反复拟合Θ值，使R(t)对D(τ)的直线的相关性达到最大。热扩散系数可以由a=r2/Θ得到，导热系数由直线的斜率C计算得到。导热系数实际上是间接计算出来的，是拟合过程中的中间变量值。

根据TPS方法，我们测试了普通石蜡、莱卡Paraplast石蜡、高孔隙率泡沫铜、低孔隙率泡沫铜、加铜封板的泡沫铜、加封板焊接的泡沫铜、浸蚀石蜡后的高孔隙率泡沫铜的导热系数，具体测试结果如表1所示。

表1 材料实测导热系数值

选取5A06铝合金、H62黄铜测量导热系数是为了进行测试方法的校准。两种材料的导热系数根据相关手册查阅分别为117 W/(m·K)、108.9 W/(m·K)，与采用TPS方法测试的结果的误差在工程允许范围内，从而可以证明该测试方法在测量复合相变储能装置方面的可采信度。我们在某相控阵天线工程项目中采用了铜泡沫填充石蜡类PCM的复合相变装置，采用 TPS法测得的导热系数进行仿真计算，取得了很好的工程应用效果。

3 工程应用实例

某短时工作的相控阵天线总的结构体积尺寸为230 cm × 230 cm × 55.5 cm，共有256个T/R组件，工作时间为2 100 s，总热耗达到137.4 W。由于工作时间短，热流密度较大，热源的热流密度比较高，且均匀地分布在一个方形区域内，因此采用了均温板进行小温差传热，同时选用以铜泡沫作为骨架的复合相变温控装置作为热沉进行温控。该设备工作的最高环境温度为55 ℃，环境温度在5 min内增至85 ℃并保持稳定。综合上述条件，本项目中拟采用的相变材料相变温度点为65 ℃，相变潜热为180 kJ/(kg·K)，密度为820 kg/m3，导热系数采用上文中的方法测得为18 W/(m·K)。天线的仿真模型如图5所示。

图5 天线结构示意图

根据上述条件进行仿真建模，经过2 100 s时设备整体的外表面温度分布如图6所示，芯片安装面的温度如图7所示，最高安装面温度为83.74 ℃。根据芯片厂家提供的资料，芯片结壳热阻Rjc=15 ℃/W，芯片最高结温Tjmax=150 ℃，芯片功耗为379 mW，计算出芯片的实际工作最高结温Tj=89.4 ℃<150 ℃，满足降额使用的要求。

图6 2 100 s时设备表面温度

图7 芯片安装面温度

设备Z向剖视的温度分布云图如图8所示。从云图中可以看出相变材料温度基本在72 ℃左右，相变材料已全部相变，很好地实现了温度控制的作用。

图8 设备Z向剖视的温度分布云图

图9为相变材料中心区在2 100 s时间历程内温度变化曲线。图中有明显的材料相变平滑段，铜泡沫传热加强的复合相变装置性能良好。将通过TPS方法测试的复合相变材料的导热系数等关键参数作为仿真分析的基础数据，进行了详细的瞬态仿真计算，最终计算结果满足工程需求。

图9 相变材料中心区温度变化曲线

4 结束语

本文重点介绍了金属骨架传热加强的复合相变结构形式的导热系数的TPS测量方法，并对工程中常用的几种传热加强结构形式进行了导热系数的测量。针对某相控阵天线中采用的铜泡沫填充石蜡类PCM形式的复合相变装置，运用TPS法测试其导热系数，并将该实测数据运用到实际仿真计算中，取得了很好的工程应用效果。后续我们将在各广泛的传热加强结构形式中开展深入研究，以期满足更多类型工程项目的实际需求。

[1] 刘菊. 固体界面接触热阻及导热系数测量的实验研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2011.

[2] PRICE D C. A review of selected thermal management solutions for military electronic systems[J]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2003, 26(1): 26-39.

[3] 赵世迁. Hot Disk法导热系数测定仪的开发[D]. 天津: 天津大学, 2009.

吕 倩(1975-)，女，高级工程师，主要从事电子设备热设计工作。

Test Method for Thermal Conductivity of Composite Phase Change Device

LV Qian

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,Chengdu610036,China)

Missile-borne and satellite-borne electronic facilities have the characteristics of short-time, high power and high heat flux. One of the most important solutions is using composite phase change device whichuses metal foam as its frame and is filled with paraffin PCM. During the numerical simulation for the device with complicated structure and this enhanced heat transfer, the determination of the heat conductivity coefficient of composite PCM is one of the difficulties which influence the simulation accuracy. The engineering application of the heat transfer parameters testing method for this type of device is mainly studied in this paper. Several commonly used composite phase change combinations are selected to perform testing and verification. The study result is applied to the temperature simulation of a phased array antenna, showing that it has good practicability and can be easily applied to relevant fields.

composite phase change device; heat conductivity coefficient; testing system; numerical simulation

2015-07-10

国防基础科研计划资助项目(JCKY2013210B004)

TK124

A

1008-5300(2015)05-0011-04