0引言
彈載?機載等平臺的雷達干擾設備的發射功率日益增大,并且干擾設備的工作環境?安裝空間和重量的要求也越來越苛刻,無法使用風冷?液冷等強迫冷卻手段進行散熱,設備本身大多只能依靠自身的結構熱沉進行散熱?純銅?純鋁作為常用金屬材料具有較強的導熱和儲熱能力,雖然在一定條件下,單純銅實體?鋁實體作為熱沉材料具有足夠的熱沉容量,能使設備的散熱滿足指標要求,但重量會遠超指標要求?
目前對于短時工作的彈載?機載等平臺大功率雷達干擾設備的散熱,越來越多地使用相變材料作為熱沉材料進行儲熱散熱?相變材料一般采用石蠟?脂肪酸作為主要成分,具有價格低廉?容易獲得?儲熱密度大?穩定性好等特點?但是相變材料具有導熱系數極低的缺點,如果設計?使用不當,熱源產生的熱量不能及時傳遞到相變材料,或者相變材料不能及時?充分地發生相變,反而會使設備的散熱效果更差?通常采取在相變材料中加入高導熱材料,如銅粉?鋁粉?碳纖維等,或采用翅片管換熱器結構,增大換熱面積,以提高相變材料的當量導熱系數?但是干擾設備發射功放大多熱源分布比較集中,而且工作時間短,發射功率大,如果將相變材料直接填充在金屬盒體中,則由于金屬表面的擴散熱阻相對較大,很難使集中熱源產生的熱量傳遞到遠端,即使相變材料有足夠的儲熱能力,在有限的時間內也不能發揮全部作用?
本文設計了一種相變材料?均熱板復合結構的散熱裝置,均熱板由密封殼體?附著在殼體上的毛細層以及工質組成?液態工質在發熱部位受熱汽化,氣體迅速擴散到整個腔體,在冷卻部位液化,液體再通過毛細層回到發熱部位,如此循環,實現熱量的傳遞?均熱板本身并不具有儲熱能力,其最大優勢是,相比于常用金屬材料,它在二維面上具有超強的傳熱性能,當量導熱性能超過20000W/(m·K),厚度最小可以做到3mm,基本相當于采用金屬實體的腔體的壁厚,不會占用太多空間?在散熱裝置的熱源和相變材料之間填充一層均熱板結構,熱源產生的熱量首先傳遞到均熱板結構,均熱板可以實現集中熱源熱量二維的高效傳導擴散,將熱量快速傳遞到遠端,同時傳導到均熱板的熱量縱向傳導至相變材料,使熱源遠端的相變材料更大程度地發揮作用,提升干擾設備的散熱效果?本文分別采用單一鋁實體?鋁與相變材料?鋁與相變均熱板復合3種方案設計某雷達干擾設備的熱沉,主要介紹復合散熱裝置的設計?
1復合散熱裝置設計
1.1某雷達干擾設備熱源分布
某雷達干擾設備外形尺寸小,重量要求嚴格?設備裝載于密閉環境中,工作時間較短,發射功率大?功率器件主要由多個GaN功率芯片組成,功放的總熱耗超過740W,并且熱量分布比較集中,功放的熱量分布如圖1所示?
1.2散熱理論分析
由于設備基本處于密閉環境,工作時功率器件產生的熱量主要由其自身熱沉材料吸收,輻射換熱可以忽略?因此該設備散熱實現的主要途徑為:1)強化內部傳熱,將熱量快速傳遞到熱沉材料;2)盡可能增加盒體的熱容,保證盒體作為熱沉有足夠的吸熱能力,從而抑制器件的溫升?電子設備的發熱量主要由散熱功率和工作時間決定,即：
Q1=Pt (1)
式中:Q1為發熱量,kJ;P為器件的散熱功率,W;t為工作時間,s?
熱沉材料的儲熱量為:
Q2=mλ+mCpΔT (2)
式中:Q2為儲熱量,kJ;m為質量,kg;λ為相變潛熱,kJ/kg;Cp為比熱容,kJ/(kg·K);ΔT為溫度變化量,K?
式(2)表明熱沉材料的儲熱能力隨著熱沉材料的質量?相變潛熱?比熱容?溫度變化量的增加而增大?目前雷達干擾設備常用的熱沉材料的物理性能參數見表1?
本設備的工作時間約為100s,實際產生的最大熱量約為45kJ,因此需要保證設備的儲熱能力大于45kJ?除了器件腔體占用體積外,散熱熱沉可利用空間約為270mm×75mm×30mm,以熱沉溫度變化量ΔT取40℃為例,經計算,純銅實體?純鋁實體?相變材料的質量和儲熱量如表2所示?
由表2可以看出,從理論上講,3種熱沉材料均可滿足設備的儲熱散熱要求,但是由于重量的限制,純銅?純鋁實體作為熱沉材料不能滿足指標要求,相變材料質量輕,儲熱量大,是本設備唯一可以選擇的儲熱散熱方式?
相變材料雖然相變儲熱能力強,但前提是熱量可以迅速傳遞到相變材料,使相變材料完全發生相變?由于相變材料的導熱系數低,難以實現理論計算的散熱效果?本研究的目的就是設計一種復合散熱結構,在熱源和相變材料之間增加均熱板導熱,盡可能發揮相變材料儲熱量大的優勢?
1.3復合散熱結構設計
鋁與相變均熱板復合的熱沉結構采用一體化制造加工而成,均熱板的一面與發熱器件接觸,依靠均熱板的超強傳熱性能可以將集中的熱量在二維平面上進行快速擴散;均熱板的另一面與相變材料接觸,相變材料中布置圓柱形散熱翅片與均熱板面相連接,可以同時提高相變材料水平方向和縱深方向的傳熱效率?散熱裝置結構剖面如圖2所示?結合面采用高頻擴散焊接的生產工藝使相變材料和均熱板的腔體完全密封?高頻擴散焊技術具有焊接強度高?焊接變形小?可大面積焊接?可焊接任意復雜對接面等優點?
2仿真計算
采用Icepak熱仿真軟件對鋁實體熱沉?鋁與相變材料熱沉和鋁與相變均熱板復合熱沉的散熱效果進行了熱仿真,分別截取60s和120s時的溫度云圖如圖3?圖4?圖5所示?
由仿真結果可以看出:在60s時,以鋁實體作為熱沉,芯片表面最高溫度為85.6℃,此時遠端的最低溫約為66.8℃,兩者溫差為18.8℃;以鋁?相變材料作為熱沉,芯片表面最高溫度為101.9℃,此時遠端的最低溫約為66.2℃,兩者溫差為35.7℃;以鋁?相變材料?均熱板復合結構作為熱沉,芯片表面最高溫度為89.4℃,此時遠端的最低溫約為73.5℃,兩者溫差為15.9℃?
在120s時,以鋁實體作為熱沉,芯片表面最高溫度為111.2℃,此時遠端的最低溫約為73.8℃,兩者溫差為37.4℃;以鋁?相變材料作為熱沉,芯片表面最高溫度為144.0℃,此時遠端的最低溫約為72.1℃,兩者溫差為71.9℃;以鋁?相變材料?均熱板復合結構作為熱沉,芯片表面最高溫度為118.7℃,此時遠端的最低溫約為87.0℃,兩者溫差為31.7℃?
由仿真結果可知,對于短時工作的干擾設備,以鋁實體作為熱沉的散熱效果略優于以鋁?相變材料?均熱板復合結構作為熱沉的散熱效果,兩者的散熱效果遠優于以鋁?相變材料作為熱沉的散熱效果;在熱源和相變材料之間加入均熱板可以大大提高散熱裝置的熱擴散能力,使相變材料的效能得到充分發揮?
3驗證試驗
3.1試驗方案
為了驗證鋁與相變均熱板復合熱沉的散熱優勢,本試驗通過紅外熱像儀對比了單一鋁實體?鋁與相變材料?鋁與相變均熱板復合3種熱沉在相同工況下的熱源溫度變化以及溫度云圖?試驗只是為了近似模擬設備的熱源分布狀態,每種熱沉均采用4個100W的集中分布于熱沉一端的加熱棒作為熱源,加熱棒通過壓塊壓緊在熱沉面上,與熱沉的接觸面之間均勻涂敷導熱脂?為方便儀器的擺設和測試,試驗在室溫條件下(20.6℃)進行?
3.2試驗結果與討論
試驗結果如圖6所示,分別呈現了60s時和120s時3種熱沉的溫度云圖?
表3為不同熱沉方案試驗對比結果?從試驗結果可以看出,試驗和仿真結果一致?但是在相同體積條件下,鋁?相變材料?均熱板復合結構熱沉最輕,鋁實體熱沉質量幾乎是復合結構熱沉的2倍?
4結束語
文中對3種熱沉進行了散熱理論分析?熱仿真計算和試驗驗證,三者結果吻合?對于短時工作的干擾設備,以鋁實體作為熱沉的散熱效果略優于以鋁?相變材料?均熱板復合結構作為熱沉的散熱效果,主要原因在于鋁實體熱沉材料更均勻,綜合導熱系數更高,但是其重量也最重,在一些對重量有嚴格要求的平臺上并不適用?在熱源和相變材料之間加入均熱板可以大大提高散熱裝置的熱擴散能力,最大程度地彌補了相變材料導熱系數低的問題,極大地提升了相變材料的效能發揮?本研究為短時大功率工作的干擾設備的散熱提供了一定的借鑒,后續可以進一步對復合結構熱沉中均熱板和相變材料占用空間配比?相變材料填充量和散熱翅片占用空間配比進行優化設計,進一步提升散熱裝置的散熱效果?
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