CN112351650A - 弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法，导热率，储热效率高，控温效果好。本发明通过下述技术方案实现：根据电子模块形状结构，模拟碳泡沫基体填充石蜡的融化过程温度场、流场及相界面移动规律，在电子模块冷板上设计制出容纳安装电子模块印制板和填充碳泡沫/石蜡相变材料的相变蓄热容器；将碳泡沫骨架平稳压入所述容器中，相变蓄热容器与密封盖板形成过盈量的封闭动热控；使用时，温度场和流场协同导热路径从碳泡沫上传递至相变材料的石蜡上，电子模块芯片发热通过冷板凸台传递到冷板上，再由冷板传递到碳泡沫上，热量进一步从碳泡沫上传递至相变材料的蜡上，器件热点温度所产生的热量通过金属底板向外界环境散发。

Description

弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法
技术领域
本发明涉及一种主要应用于航天电子模块瞬态热控的碳泡沫/石蜡复合相变冷板。
背景技术本
用于装入电子设备机箱的电子模块散热用的电子模块冷板，其作用主要是将电子模块上芯片的热量传导到冷板上，冷板再通过直接风冷、液冷或将热量传导至机箱上的方式对电子模块进行散热。机载机箱模块有穿通风冷，强化传热和穿通液冷三种方式，这三种散热方式在弹载环境条件下大多数情况并不具备，并且弹载电子模块工作时间短，大多数情况并不需要上述稳态散热措施，而采用增大电子模块冷板热沉的方法是弹载模块热控的常用手段。
在本领域中，电子模块冷板分为纯金属冷板和相变材料复合冷板两种。其中纯金属冷板应用相较更为广泛，但是其具有重量重，吸收热量主要靠比热，不适合应用于弹载产品重量要求高，且起始温度高，温升区间窄的应用场景。相变材料复合冷板吸收热量则由两部分组成，分别为材料本身的比热和相变材料的相变焓。材料相变过程可以在短时间内吸收大量热量，非常适合在弹载环境下使用。
航天、弹载电子设备由于其自身的条件限制，工作环境初始温度高，无故障温度带窄，在有限工作时间内内耗高，散热条件缺失，多数情况下无法采用自然对流、强迫风冷却、循环水冷却、流水冷却、油浸自冷却、热管散热器冷等多种冷却方式。传统的金属热沉冷板，所能储存的热量取决于材料比热、冷板质量、温度变化区间。储热量公式为Q＝cmΔt，其中，Q为吸收的总热量，c为材料比热容，m为储热器质量，Δt为储热器在吸热过程中的温升。Δt越大则吸收的热量越多，反之越少。弹载产品通常在开始工作前，其初始温度就比较高，而器件的许用最高温度一定，因此Δt较小，能存储的热量有限。而相变储热的储热量由显热和潜热组成，显热为材料比热储热，潜热为材料相变储热，其吸热能力仅与填入的相变材料质量与相变潜热有关，且相变时理论上温度不升高。该特性决定了只要选定了合适的相变温度的相变材料，在特定较窄的温度变化区间范围内，采用相变材料能够储存更多热量。在本领域中，采用增大电子模块冷板热沉的方法是电子模块瞬态热控的常用手段。。目前，常用的自然对流冷却、强迫对流冷却、循环水冷却、流水冷却、油浸自冷却、热管散热器冷等多种冷却方式，具有优良的热循环性能和化学性能的石蜡类相变材料在航空航天领域中应用最为广泛，对于一个相变蓄热装置，当相变材料选定的情况下最为突出的问题是大多数相变材料，特别是目前选用较多的有机相变材料的导热系数都很低，换热性能差，使相变蓄热装置无法快速地进行热量的储存和释放。在几种相变材料的强化传热方法中，多孔介质泡沫材料由于高导热性能和面密度被普遍认为有很好的应用前景，当泡沫材料和相变材料复合成定形相变材料后，泡沫材料本身的毛细力和表面张力会防止熔化后的液态相变材料出现泄漏。，目前采用的多数相变材料PCM按相变方式可分为固一固、固一液、固一气和液一气相变型PCM四类。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。近年来开孔蜂窝金属泡沫的技术发展水平和热传递研究成果。采用多孔泡沫金属和膨胀石墨作为导热增强介质，以石蜡和六水氯化镁作为相变材料进行了相变强化传热，结果表明，在低温热能储存系统中填充泡沫铜和膨胀石墨可以提高相变材料的换热性能，加快熔化和凝固过程，减少蓄放热周期，泡沫碳相比于常见的膨胀石墨，有孔密度大、通孔率高、能够维持自身形状结构等特点。并且碳泡沫作为相变材料冷板的强化传热骨架，相较于以前的各类材料，可显著提高导热率，导热系数可从1W/mK～5W/mK提升到了40mK～150W/mK
相变储热的储热量由显热和潜热组成，显热为材料比热储热，潜热为材料相变储热，其吸热能力仅与填入的相变材料质量与相变潜热有关，且相变时理论上温度不升高。该特性决定了只要选定了合适的相变温度的相变材料，在特定较窄的温度变化区间范围内，采用相变材料能够储存更多热量。
相变储热经常被应用于热控领域，其中和相变储热有关的专利文献有：
已知在本领域实施方式中，中国专利申请201710260456.5公开了一种可更换快速换热相变蓄热蓄冷板：是由壳体、传热翅片和蓄热或者蓄冷料组成，在壳体上装有传递热量的传热翅片，在壳体和传热翅片间装有蓄热或者蓄冷料，并留有一定的空隙作为膨胀空间，整个壳体将蓄热或者蓄冷料密封起来，防止泄露。这种冷板直接将相变材料封装与金属结构中，对冷板封装提出了较高的要求，且相变材料在容器中在宏观上存在明显的固液转换，不利于相变材料吸热；强化传热翅片布置的数量少，而通常情况下相变材料的导热系数也很低，导致整个储热器的吸热效率不高。
已知在本领域实施方式中，中国专利申请201320615237.1公开了一种基于相变原理的箭载散热冷板，中国专利申请200920047698.7还公开了一种采用强化传热翅片与直接灌装相变材料设计方式的，具储热能力的散热器，其结构原理与201710260456.5大体相同，均是采强化传热翅片与直接灌装相变材料的设计方式，其缺点与201710260456.5也大体相同。
发明内容
本发明目的是针对现有技术相变体相变后流动问题，封装问题存在的不足之处，提供一种传热速率快，储热效率高，控温效果好，能够提高冷板热导率的弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方案。
本发明上述目的可以通过以具有如下技术特征：一种弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法，具有如下技术特征：以泡沫碳为基体材料,石蜡类相变材料为填充材料制备碳泡沫/石蜡相变复合材料；根据电子模块形状结构，模拟碳泡沫基体填充石蜡的融化过程温度场、流场及相界面移动规律，在电子模块冷板1冷板上设计制出容纳安装电子模块印制板和填充碳泡沫/石蜡相变材料的相变蓄热容器，在密封盖板3上制出注入孔盖4；以相变蓄热容器的四壁侧面设为绝热面，型腔体底面为加热面，建立石蜡融化流体循环控制的主动热控牛顿流体；变蓄热容器腔体内部装入作为相变材料的碳泡沫骨架2，通过注入孔将足量石蜡吸附于碳泡沫骨架2上，碳泡沫骨架2微孔结构充分吸附石蜡，石蜡固化碳泡沫后高于变蓄热容器型腔高度，将碳泡沫骨架2平稳压入所述容器中，压平实后扣上密封盖板3，利用真空电子束将密封盖板3焊接到相变蓄热体容器上，实现相变蓄热体的结构密封，相变蓄热容器的矩型型腔与密封盖板3形成过盈量的封闭动热控；使用时，石蜡相变发生在碳泡沫骨架2的孔隙中，温度场和流场协同导热路径从碳泡沫上传递至相变材料的石蜡上，电子模块芯片发热通过冷板凸台传递到冷板上，再由冷板传递到碳泡沫上，从而热量进一步从碳泡沫上传递至相变材料的蜡上，器件热点温度所产生的热量通过金属底板向外界环境散发。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
储热效率高。本发明将金属冷板与相变材料相复合，通过真空吸附的方式和注入孔盖4将足量石蜡吸附于碳泡沫骨架2上，固化后将注入孔用注入孔密封盖板3密封，从而增加模块冷板单板的焓值，提升模块冷板的储热能力，达到对模块发热的瞬时热控的目的。使用时，电子模块紧贴在冷板1安装，电子模块芯片发热通过冷板凸台传递到冷板上，再由冷板传递到碳泡沫上，从而热量进一步从碳泡沫上传递至相变材料—石蜡上。石蜡在吸收热量后温度达到相变点温度，开始融化发生相变，该过程将会吸收大量热量，从而延缓整个换热系统温度升高的速度。由于碳泡沫导热系数高(0.5g/cm3密度的碳泡沫其热导率达到60W/mK)，且其微孔结构充分吸附了石蜡，增大了石蜡和强化传热体之间的接触面积，使得储热过程传热效率高，吸热快。储热效能不受初始环境温度影响，适合较窄温度变化区间范围。因此冷板在初始温度高，电子模块热流密度大，允许温升区间窄的情况下，较之传统的冷板能够起到更好的控制温升的作用。
控温效果好。本发明采用的高孔隙率，大孔径的碳泡沫，不仅对自然对流没有影响，反而碳泡沫的高导热性加速了石蜡液体的升温，使得自然对流更加强烈，进而腔体内部温度到达稳态的时间也缩短了。碳泡沫内填充石蜡融化过程各纵截面测点温度随时间变化传热，碳泡沫大大强化了相变换热，加速融化过程。在弹载条件下，在没有任何散热措施的情况下，为电子模块提供高焓热沉，从而达到使电子模块在弹飞行时间内，能够稳定可靠工作的目的。本发明增加模块冷板单板的焓值，提升模块冷板的储热能力。将石蜡吸附于碳泡沫骨架2内，相比于已有报道的纯石蜡加金属强化传热翅片的方案，其平均导热系数远远高于单纯的纯石蜡(纯石蜡热导率为0.15W/mK左右)，因此在解决大热流密度电子模块散热问题时，相较于传统方案，传热性能良好，温度分布均匀，控温效果更好。
密封效果好。本发明采用碳泡沫/石蜡复合相变材料，制备矩形空间内填充碳泡沫/石蜡的矩型腔体相变传热模型盒体；将碳泡沫/石蜡复合相变材料封装与铝冷板中，将电子模块冷板1作为相变材料容器，在冷板上设计加工出容纳相变材料的密闭腔体型腔，腔体内部装入作为相变材料骨架2的碳泡沫，碳泡沫高度略高于型腔高度，并用冷板盖板封盖，使得碳泡沫和冷板1型腔与冷板密封盖板3形成的封闭腔体形成一定过盈量，保证与冷板内型腔高度尺寸较高的配合精度。石蜡加热融化后的液相石蜡按照100％液相填充量通过注入孔盖4充入碳泡沫相变蓄热体中，再采用真空电子束密封罐装口，从而使碳泡沫与冷板1良好接触，起到减小接触热阻的目的。同时本发明采用石蜡通过真空吸附于碳泡沫微孔结构中，由于表面张力，液化后不易从碳泡沫骨架2中析出、流动，因此在宏观上，宏观无固液变化，不易观察到材料发生固液转换多次反复使用性能变化小，。由于其宏观形态变化较小，因此其反复使用的性能稳定，变化较小；由于存在碳泡沫对石蜡液体流动的限制，也降低了冷板1泄漏的风险，降低了密封难度。在现有技术冷板基础上大大提高了电子模块相变材料冷板的导热率，齐基材导热系数从1W/mK～5W/mK提升到了40mK～150W/mK。
冷板重量轻。本发明相变材料复合冷板吸收热量由两部分组成，分别为材料本身的比热和相变材料的相变焓。材料相变过程可以在短时间内吸收大量热量，非常适合在弹载环境下使用。在上述优势的基础上，同等冷板体积下由于碳泡沫和石蜡的密度均低于铝合金(碳泡沫0.5g/cm3,石蜡0.8g/cm3，铝合金2.7g/cm3),因此同样大小的冷板，重量更轻，更有利于设备的轻量化设计。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的阐述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明一种飞行器载电子模块复合相变冷板的三维轴侧分解示意图。
图2是图1的剖视图。
图中：1电子模块冷板，2碳泡沫骨架2，3盖板，4注入孔小盖板。
具体实施方式
参阅图1，图2。根据本发明，以泡沫碳为基体材料,石蜡类相变材料为填充材料制备碳泡沫/石蜡相变复合材料；根据电子模块形状结构，模拟碳泡沫基体填充石蜡的融化过程温度场、流场及相界面移动规律，在电子模块冷板1冷板上设计制出容纳安装电子模块印制板和填充碳泡沫/石蜡相变材料的相变蓄热容器，在密封盖板3上制出注入孔盖4；以相变蓄热容器的四壁侧面设为绝热面，型腔体底面为加热面，建立石蜡融化流体循环控制的主动热控牛顿流体；变蓄热容器腔体内部装入作为相变材料的碳泡沫骨架2，通过注入孔将足量石蜡吸附于碳泡沫骨架2上，碳泡沫骨架2微孔结构充分吸附石蜡，石蜡固化碳泡沫后高于变蓄热容器型腔高度，将碳泡沫骨架2平稳压入所述容器中，压平实后扣上密封盖板3，利用真空电子束将密封盖板3焊接到相变蓄热体容器上，实现相变蓄热体的结构密封，相变蓄热容器的矩型型腔与密封盖板3形成过盈量的封闭动热控；使用时，石蜡相变发生在碳泡沫骨架2的孔隙中，温度场和流场协同导热路径从碳泡沫上传递至相变材料的石蜡上，电子模块芯片发热通过冷板凸台传递到冷板上，再由冷板传递到碳泡沫上，从而热量进一步从碳泡沫上传递至相变材料的蜡上，器件热点温度所产生的热量通过金属底板向外界环境散发。
弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板还是飞行器载电子模块复合相变冷板包括：制有碳泡沫骨架2型腔的电子模块冷板1，填充在所述型腔中的碳泡沫骨架2，制有注入孔的密封盖板3，碳泡沫骨架2从整块成形碳泡沫上切割下来，碳泡沫长宽小于电子模块冷板1碳泡沫骨架2型腔尺寸，高度大于电子模块冷板1碳泡沫骨架2型腔尺寸高度。
密封盖板3与电子模块冷板1的碳泡沫骨架2型腔形成过盈挤压，提高碳泡沫与1模块冷板的实际材料接触面积以及紧密程度，降低碳泡沫与冷板之间的接触热阻。
碳泡沫骨架2装入到电子模块冷板1碳泡沫骨架2型腔中后，以销钉的方式盖上密封盖板3，与电子模块冷板1形成过盈配合，并对密封盖板3外部加压，压缩碳泡沫骨架2，并采用激光焊或电子束焊的方式，对电子模块冷板1碳泡沫骨架2型腔进行封盖，增强密封效果。
通过高温真空吸附的工艺，从注入孔注入石蜡相变材料，常温冷却后，密封盖4配合密封圈对冷板进行封盖。
电子模块冷板1的冷板组件盒体可以采用高导热的铝合金6063材料或铝合金6061材料。
以上所述的仅是本发明的一种实施案例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法，具有如下技术特征：以泡沫碳为基体材料,石蜡类相变材料为填充材料制备碳泡沫/石蜡相变复合材料；根据电子模块形状结构，模拟碳泡沫基体填充石蜡的融化过程温度场、流场及相界面移动规律，在电子模块冷板1冷板上设计制出容纳安装电子模块印制板和填充碳泡沫/石蜡相变材料的相变蓄热容器，在密封盖板3上制出注入孔盖4；以相变蓄热容器的四壁侧面设为绝热面，型腔体底面为加热面，建立石蜡融化流体循环控制的主动热控牛顿流体；变蓄热容器腔体内部装入作为相变材料的碳泡沫骨架2，通过注入孔将足量石蜡吸附于碳泡沫骨架2上，碳泡沫骨架2微孔结构充分吸附石蜡，石蜡固化碳泡沫后高于变蓄热容器型腔高度，将碳泡沫骨架2平稳压入所述容器中，压平实后扣上密封盖板3，利用真空电子束将密封盖板3焊接到相变蓄热体容器上，实现相变蓄热体的结构密封，相变蓄热容器的矩型型腔与密封盖板3形成过盈量的封闭动热控；使用时，石蜡相变发生在碳泡沫骨架2的孔隙中，温度场和流场协同导热路径从碳泡沫上传递至相变材料的石蜡上，电子模块芯片发热通过冷板凸台传递到冷板上，再由冷板传递到碳泡沫上，从而热量进一步从碳泡沫上传递至相变材料的蜡上，器件热点温度所产生的热量通过金属底板向外界环境散发。
2.如权利要求1所述的弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法，其特征在于：采用专用的数据采集软件进行数据采集；采集具体的实验数据作为热等效的依据；从理论计算和实验两个角度对对热等效的热量损失进行估计，计算每区域之间的直接交换面积，再以温度和热流为未知量，列出每个区域的能量平衡式，求解方程组，最后得到每个区域的净辐射热流，结合测试实验，在实际工作过程中通过测量电子模块的壳温及功率，得到实时工作过程中的结温变化，将电子模块冷板1底部表面瞬态热系统响应的散热器被分配一个固定的传热系数，并及时反馈到系统中预测精度。
3.如权利要求1所述的弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法，其特征在于：弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板还是飞行器载电子模块复合相变冷板包括：制有碳泡沫骨架2型腔的电子模块冷板1，填充在所述型腔中的碳泡沫骨架2，制有注入孔的密封盖板3，碳泡沫骨架2从整块成形碳泡沫上切割下来，碳泡沫长宽小于电子模块冷板1碳泡沫骨架2型腔尺寸，高度大于电子模块冷板1碳泡沫骨架2型腔尺寸高度。
4.如权利要求1所述的弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法，其特征在于：碳泡沫骨架2装入到电子模块冷板1碳泡沫骨架2型腔中后，以销钉的方式盖上密封盖板3，与电子模块冷板1形成过盈配合，并对密封盖板3外部加压，压缩碳泡沫骨架2，并采用激光焊或电子束焊的方式，对电子模块冷板1碳泡沫骨架2型腔进行封盖，增强密封效果。
5.如权利要求1所述的弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法，其特征在于：通过高温真空吸附的工艺，从注入孔注入石蜡相变材料，常温冷却后，密封盖4配合密封圈对冷板进行封盖。
6.如权利要求1所述的弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法，其特征在于：模块冷板1冷板组件盒体采用高导热的铝合金6063材料或铝合金6061材料。
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