星载有源组件复合相变材料相变控温性能研究

余凌波,范铁军

(中国空间技术研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

近年来,随着航天技术和社会需求的不断发展,星载有源设备的功率在不断变大,特别是星载大功率相控阵天线T/R组件,具有单轨工作时间短、工作期间发热功率高的特点[1]。不同于地面设备散热,星载大功率设备的散热面临更多的问题,如空间微重力环境、轨道热辐射、真空环境、散热装置尺寸、重量限制严格等,在地面常用的风冷、水冷等散热方式往往无法使用。散热问题无法有效解决而引起电子设备失效率高达55%[2]。

相变储能技术是一种利用了物质在发生物态变化时需要吸收或释放大量热量、相变时温度保持不变或在小范围变化的特点来实现温度控制的技术,是一种简单、安全、可靠性高的被动控温方式,可以为被控电子产品提供温度梯度小的热环境。自提出以来就备受学者关注,被广泛应用于航空航天领域[3-8]。可应用于相变储能的材料(phase change materials,PCM)一般分为无机水合盐、有机材料、低熔点金属等。低熔点液态金属具有热导率高、体积潜热大的特点,是近些年新兴一类相变控温材料,大量学者对其进行了研究[9-11],张旭东等[12]通过数值仿真对比了液态金属镓与传统相变控温材料正十八烷石蜡的控温性能。无机水合盐、有机材料等是应用最广泛的相变储能材料,但其极低的热导率却限制了其控温性能,因此提高其导热能力是国内外学者关注的重点。Merlin等[13]简述了提升相变蓄热性能的各种方法,并采用实验和数值模拟的方法对提升后相变换热器的总传热系数进行对比研究。何峻杰等[14]针对大功率相控阵天线T/R组件的工作状况,提出了一种相变储能平板热管的热控设计方案,实验证明,采用相变储能平板热管的热控设计,可以将热源的热量进行均匀扩散,降低热流密度,从而表现出更好的温度均匀性,再通过相变储能的方式吸收热量,可以保证天线产品持续工作90分钟时的结点温度控制在70 ℃。采用泡沫铜[15-16]、泡沫铝[17]、泡沫碳[18-19]等也可以非常有效的提高相变材料导热效率。张立等[20]通过设计试验和有限元仿真,研究了导热增强材料的用量对相变储热能力的影响,并分析对比了在深空控温时泡沫碳、泡沫铜、膨胀石墨增强相变材料的性能差异。大量研究表明,在PCM中添加各类纳米颗粒可以有效的提高其导热能力[21-29]。石墨烯及氧化石墨烯的理论热导率高达5 300 W·m-1·K-1[30],是一种很有前景的导热增强纳米颗粒,蔡迪[31]等通过实验测试了不同质量分数改性石墨烯与正十八烷的复合相变材料热物性,当质量分数达到4%时,复合相变材料的热导率相对于纯正十八烷高出了131.9%。

大量学者都对使用纳米颗粒提升相变材料的导热能力进行了研究,分析了导热增强的机理,但目前主要的研究方向都集中在材料热导率的提升上,结合具体应用场景的控温储能效果研究较少。本文结合了星载有源设备相变控温的工作环境特点,如微重力等,通过数值仿真的方法对石墨烯/正十八烷石蜡相变复合材料控温性能进行了研究,对比了在星载有源设备相变控温应用时相变复合材料与纯正十八烷石蜡的性能差异,验证了相变复合材料与其他导热能力提升手段结合后的控温效果。

1 数学模型

1.1 物理模型

本文以长方体薄板相变控温热沉为研究对象,其结构如图1所示,尺寸为300 mm×300 mm×11 mm,底板和侧边框均为1 mm厚铝板,盖板为4 mm厚铝板,中间为15个铝制圆柱形支柱,用以保证结构不易变形。

图1 热源-热沉结构示意图

热源为某星载有源组件,其为尺寸64 mm×64 mm×10 mm,质量为0.1 kg,忽略其内部具体结构,将其整体等效为比热容60 kJ/kg、热导率150 W·m-1·K-1的实体。

在星载环境应用时,热沉散热只能通过辐射向外太空散热,故将边界条件假设为-269 ℃辐射背景,底板外侧表面热辐射发射率ε=0.8,其他表面绝热,考虑材料热辐射吸收率将来自地球及太阳的轨道辐射等效为施加在底板外侧表面205.7 W/m2的热通量,为便于观察图像规律初始温度设为10 ℃。

本文分别比较在加热相同时间内正十八烷石蜡和添加4%质量分数改性石墨烯的石墨烯/C18石蜡相变复合材料的控温性能和散热能力。相变材料热物性参数如表1。

表1 相变材料物性参数[31]

结合星载应用场景对模型及材料做出如下合理简化和假设:

1)根据前文研究[31],改性石墨烯添加量在4%(质量分数)以下时,复合相变材料可以长期稳定保持均匀,因此C18石蜡和石墨烯/C18石蜡相变材料均可视为各项同性,且连续均匀材料,固相和液相的热物性为常数;

2)相变材料采用前文所制备的材料[31],本文只研究其使用时的热性能,因此忽略整个过程中的所有材料的热应变及固液相变的体积变化;

3)热沉、热源等结构接触紧密,不考虑其接触热阻;

4)星载设备的工作环境为微重力环境,材料液化后不会发生自然对流,因此忽略液相自然对流对热传导的影响。

1.2 数值模型

本研究的数值模型采用显热容法[32],将相变等效为区域中的一个非线性导热问题,数学描述如式(1)、式(2)所列:

(1)

(2)

式中ρ为相变材料密度,Cp为相变材料的比热容,k为相变材料导热系数(ks为固相导热系数,kl为液相导热系数),L为相变潜热,fs为固相率的无因次量(fs=0表示处于液相,fs=1表示处于固相,0

相变材料的相变潜热可用如下方法等效为比热容[20],如式(3)所列:

(3)

式(3)中,Csp为相变材料的固相比热容,Ce为相变过程等效比热容,Clp为相变材料的液相比热容。

1.3 求解方法

基于显热容法,这里选用ANSYS的瞬态热模块求解器,自定义热源材料和非线性相变材料,开启时间积分。

为保证仿真结果的可靠性,需先进行网格无关性验证,这里采用六面体网格,调整ANSYS瞬态热模块的网格分辨率来改变网格的疏密,划分网格数分别为15 509、24 119、66 532,对比仿真结果,如图2所示,计算结果基本一致,由于模型较为简单,因此15 509网格数量即可满足计算要求,同时也可提高仿真效率。

图2 网格无关性验证

由于所研究问题为非线性瞬态热问题,为使结果收敛,时间步长应在保证计算效率的前提下尽量小,经过多次试算,加热过程时间步长取1 s,散热过程取0.5 s。

2 结果与讨论

2.1 加热过程

图3为加热过程中热源最高温度随时间变化曲线。温度在达到相变范围前热量以显热的形式被控温装置吸收,热源温度上升迅速,在温度进入相变范围后,工质开始相变,以潜热的形式吸收热源热量,达到控温效果,热源温度上升速度呈明显减缓趋势,随着相变过程的进行,热量向周围传递,固-液两相糊状区域向外推移,使较远区域工质逐渐开始参与相变,使得热源温度在一段时间内上升速度缓慢,在相变过程进行到大多数工质完成相变后,热源温度逐渐开始加速上升并在全部工质完成相变后保持固定的上升速度,此时热量再次全部显热形式被相变热沉吸收。

图3 改性石墨烯/C18和纯C18加热过程热源最高温度

可以看出在短时间加热的情况下,由于改性石墨烯/C18石蜡复合相变材料的热导率高于C18石蜡,因此可以将热量快速传递至更大的范围,使更多的工质参与相变吸热过程,使用复合相变材料控温时的热源温度低于C18石蜡,最低处约低1 ℃。对于长时间加热,由于加入改性石墨烯后相变工质潜热会有所下降,复合相变材料会比C18,更快完成全部工质相变吸热过程,后段时间复合相变材料控温的热源温度会明显高于C18。

2.2 散热过程

对于一些周期性工作的星载有源设备,在其非工作时间,储热装置的散热能力也是热设计中的重要内容。图4是加热10分钟后开始进行散热的热源最高温度。根据图线可以看出,在散热过程中由于整个装置显热热容较小,热源温度会呈骤降趋势,达到工质相变范围后开始放缓。

图4 改性石墨烯/C18和纯C18散热过程热源最高温度

由于相变复合材料的导热系数高于C18石蜡,因此会比先达到大多数材料开始凝固,并且在凝固过程中保持整体温度高于C18石蜡,由于加热时间相同,两种工质吸收的总热量相同,而辐射散热速度与温度的4次方成正比,因此温度越高相变控温装置向空间环境辐射热量越多,同时复合相变材料的热导率高,可以更快的将远离辐射面一侧工质的热量传递至辐射面,以复合材料为工质时,装置会在更短的时间内将吸收的热量辐射向太空,并完成全部工质冷却凝固过程,恢复初始状态,完成全部相变时间比纯C18石蜡短14.1%。

3 应用前景分析

改性石墨烯/C18石蜡相变复合材料相较于纯C18石蜡在短时间控温方面有一定提升,且材料的密度没有太大改变,在面向一些需要使用相变热沉进行短时间控温的星载有源设备,如星载T/R组件,可以作为一种辅助方案,且不会使控温装置体积、质量变大。下面对一种针对星载大功率T/R组件设计的新型相变储能-平板热管方案[14],辅助以石墨烯/C18石蜡复合相变材料之后的效果进行仿真,物理模型采用上文中相同的模型,将4 mm厚铝制盖板换为4 mm厚铝制平板热管,其加热过程热源最高温度如图5所示,散热过程热源最高温度如图6所示。

图5 相变储能-平板热管方案改性石墨烯/C18和纯C18加热过程热源最高温度

图6 相变储能-平板热管方案改性石墨烯/C18和纯C18散热过程热源最高温度

通过仿真结果可以看出,在短时间控温方面,使用相变复合材料后相变储能-平板热管方案比原先使用纯C18石蜡时热源的最高温度有所下降,最高下降约1.16 ℃,可以起到辅助控温效果。同时,使用相变复合材料后,散热过程进入相变散热阶段的速度比纯C18石蜡更快,可以起到缩短恢复初始状态所用时间的作用。

4 结论

本文采用数值方法对改性石墨烯/C18石蜡复合相变材料和纯C18石蜡的相变控温过程进行了仿真,分析对比了其在不同情况下的控温性能差异,并得到以下结论:

1)由于石墨烯/C18石蜡复合相变材料的热导率高于纯C18石蜡相变材料,因此在短时间控温方面性能较原先有所提升,且不会使相变热沉体积或质量增大,因此有作为一种改善控温性能的辅助手段的潜力;

2)由于石墨烯/C18石蜡复合相变材料相较于纯C18石蜡相变材料相变潜热下降,因此不适合作为需要长时间控温的相变材料;

3)在散热过程中,由于复合相变材料导热系数比纯C18石蜡高,因此可以更快的将吸收的热量传递至辐射面,并辐射至太空,恢复初始状态的时间相对纯C18石蜡较短,对一些在轨短时工作,但每次工作热流密度大的星载有源组件控温,如相控阵天线TR组件等,具有一定的应用潜力;

4)对新的控温方案使用石墨烯/C18石蜡复合相变材料后的控温效果进行了仿真,表明石墨烯/C18石蜡复合相变材料作为相变工质与新方案结合,可以对控温效果有所改进。