CN113239658B - 电路板相变热控冷板参数的设计方法 - Google Patents

电路板相变热控冷板参数的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种电路板相变热控装置参数的设计方法，步骤如下：首先确定电路板芯片尺寸、功率、控制目标温度、控温时间输入和要求。随后，利用能量守恒定律，假设芯片发热量被相变材料和金属结构件完全吸收，理论计算每个芯片控温时间内所需相变材料体积。在此基础上，对每个芯片建立相变热控数学模型，根据传热模型和温度分布情况，优化单个芯片对应的相变材料填充横截面积与厚度。最后，设计整板相变热控装置参数，按区域面积加权取相变材料整体填充厚度，再按区域面积进行补偿，并建立数学模型，进行数值模拟验证，达到目标控温温度和控温时间，则得到最优设计值。本发明提出基于数值模拟、结合了能量守恒和相变传热特性分析，对每个芯片热控先分别设计，后整体分区域优化的电路板相变热控装置设计方法，有效提升设计的科学性，实现产品的小型化、轻量化和低成本设计。

Description

电路板相变热控冷板参数的设计方法
技术领域
本发明涉及电子设备热控领域，具体涉及一种适用于电路板相变热控冷板参数的设计方法。
背景技术
目前，随着电子设备功能的增加，性能不断提升，电路板芯片产生的热量也在不断增加，加之航空航天领域电子设备恶劣的工作环境，长时间在极端温度环境下工作会引起电子设备失效，因此运用先进的热控技术保证电子设备在恶劣环境下处于一个合适的温度范围，以满足产品在不同环境下的使用需求，具有重要的意义。
相变温控技术作为一种新兴的被动热控技术，具有设备性能可靠、质量轻、不耗能等优点，非常符合航空航天电子设备的特殊要求。它利用相变材料(PhaseChangeMaterial，PCM)相变过程潜热大、温度变化小的特点，吸收控温对象的热量，降低其温升速率，延长正常工作时间，提升其可靠性。
相变温控冷板是将特定的相变材料和相关制品以某种制造技术封装在金属腔体内得到的冷板，是实现相变温控技术应用的具体实物。该冷板在外部环境温度剧烈变化时，可以给发热器件营造舒适的微气候。由于电路芯片通常对工作温度区间有很高的要求，而相变温控组件又特别有利于实现对发热设备的恒温或温度区间控制，因此可以有效的保障设备正常工作。在国外，相变温控冷板已经在火星探测器的电池，低地球轨道卫星空间大平面相控阵天线上得到了应用，国内在某些航空航天设备的电子模块上也已经开始了初步应用。
当前工程上在设计相变温控冷板时，通常是以热源的总发热功率和发热时间作为输入，将该总发热量作为相变温控冷板所需吸收的总热量，再除以相变材料潜热，得出所需的相变材料体积。随后在电子模块结构件上设计出相应体积的空腔用于填充相变材料。该设计方法往往能满足热控性能的要求，但在要求设备轻量化、小型化、低成本的今天，该方法存在以下明显缺陷：
1)热控性能设计大量冗余
当前的设计考虑热源所有的发热功率全部被相变材料吸收，忽略了金属结构件升温、相变材料在升温至相变阶段、部分相变材料相变完成后继续升温所吸收的热量，造成设计值远大于实际所需值，使得热控性能设计出现大量冗余。
2)不具备小型化、轻量化的特点
热控性能设计的大量冗余，相变材料填充量远大于实际所需量，使得产品体积尺寸较大，重量较重。对于航空航天等对产品尺寸、重量具有严格要求的领域，该方法设计的产品很难满足小型化、轻量化的要求，应用性大打折扣。
3)设计手段简单粗暴，不够科学精密目前工程上的方法只是从能量守恒的角度去设计所需相变材料的填充量，从总体的要求或是安装接口的角度考虑去设计产品外形尺寸。该方法没有从传热的角度去进行设计，忽略了相变热控冷板整体的传热特性，没有考虑到冷板内相变材料的传热特性、温度分布情况，也没有对相变材料填充区域的截面积、填充厚度进行深入分析。
4)成本较高
传统方法设计造成的冗余，使得相变材料填充量较多，当前具有高导热率的复合相变材料单价较高，冗余的材料填充将使得产品成本明显增加。
发明内容
本发明的目的是针对电路板芯片的相变热控冷板，提供一种科学的、行之有效的参数设计方法。利用该方法设计的电路板相变热控冷板，既能实现电路板芯片的热控性能指标，也能满足用户对产品小型化、轻量化、低成本的需求。
为了实现上述目的，本发明提出的一种电路板相变热控冷板参数设计方法，该方法基于数值模拟、结合了能量守恒和相变传热特性分析，对每个芯片热控先独立设计，后整体分区域优化。本发明采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1、根据电路板工作情况确定设计输入和要求，包括芯片尺寸、位置、功率、控制温度、控温时间等；
步骤2、根据芯片尺寸、功率、工作时间等参数，基于能量守恒定律，初步确定每个芯片控温所需的相变材料体积；
步骤3、根据理论计算相变热控冷板的相变材料体积，建立相变材料填充面积与芯片表面积比1:1,1:2,1:3和1:4的热控数学模型，进行数值分析，根据传热特性及相变材料温度分布，得到每个芯片对应的最优相变材料填充面积；
步骤4、根据控制目标温度，设计余量10℃，以步骤3数值模拟结果，改变相变材料填充厚度，利用相变材料液相升温吸收芯片最后工作时间段的热量，得到每个芯片对应的最优相变材料填充厚度；
步骤5、根据步骤3,4获得的每个芯片最优相变材料填充面积和厚度，设计电路板整版相变热控冷板。整板相变热控材料填充厚度确定为面积加权平均值，再根据每个芯片相变热控材料最优体积及区域情况进行面积补偿。
步骤6、建立冷板数模，利用数值模拟进行验证，达到目标控温温度和控温时间，即得到最优设计参数，完成电路板相变热控冷板的参数设计。
本发明相比现有技术具有如下有益效果。
1)精细化设计
本发明不仅利用了传统方法通过能量守恒来理论计算所需相变材料体积外，还根据传热特性与相变材料温度分布，设计出相变材料的填充面积与填充厚度，进一步得到最优化的相变热控冷板尺寸参数。相较于传统方法仅要求填充一定体积的相变材料，本方法在填充体积的具体截面积、厚度上给出了具体的数据，并能根据电路板上不同发热芯片的功耗、尺寸，器件布局等给出具体的设计参数，实现相变热控冷板的精细化设计。
2)满足设备轻量化、小型化、低成本的要求
利用本方法设计出的相变热控冷板，其具有最优的相变材料填充量，可最大限度的降低材料成本。并能给出金属结构件的优化尺寸，剔除不必要的设计冗余，减轻冷板总量，实现小型化轻量化。
3)具有普适性。
本发明是一种针对电路板芯片相变热控冷板的设计方法，该方法还可推广到其他领域，不仅是对于电路板芯片，对卫星上的光学设备、电池、飞机相控阵天线等设备的相变热控冷板的设计，也同样适用。
附图说明
图1是本发明电路板相变热控冷板参数设计流程框图；
图2是图1不同比例横截面积的相变热控性能曲线；
图3是本发明电路板的芯片分布图；
图4优化后的相变热控冷板示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行详细描述，但不是对本发明的限定。
具体如图1所示：
步骤1、根据电路板芯片工作参数确定设计输入和要求，包括芯片尺寸、位置、功率、控制目标温度，控温时间等；
控制目标温度一般指芯片表面温度或者相变热控冷板与芯片接触面温度，一般选取80～110℃，控温时间为实际电路板运行时间，发热功率为芯片额定功率。
步骤2、根据每个芯片尺寸和功率，基于能量守恒定律，假设芯片发热量被相变材料和金属结构件完全吸收，初步计算每个芯片控温时间内所需相变材料体积；
步骤3、根据每个芯片确定的相变材料体积，建立与芯片表面积比1:1,1:2,1:3和1:4相变热控组件数学模型进行热控性能数值模拟，得到每个芯片最优相变材料填充的横截面积；
图2是不同比例横截面积的相变热控性能曲线，以最低控温目标温度和最长控温时间得到最优面积参数，该图最优比为2:1，其中相变材料体积相同。
步骤4、根据控制目标温度，设计余量10℃，以步骤3数值模拟结果，改变相变材料厚度，利用液相升温阶段吸收最后时间段的热量，得到相变热控冷板每个芯片对于相变冷板最优设计尺寸；
该设计过程是应用相变材料，固态升温，熔化和液态升温三个过程来吸收芯片工作产生的热量。其中前两个过程已经通过数值模拟的方法，较为精确的得到初步的设计值。在本阶段精细优化过程中，将在上步优化结果上，采用试算迭代方法，得到最终的相变材料优化后的填充厚度值。
步骤5、根据步骤3,4获得的每个芯片最优相变材料填充面积和厚度，设计电路板整版相变热控冷板。整板相变热控材料填充厚度确定为面积加权平均值，再根据每个芯片相变热控材料最优体积及区域情况进行面积补偿。
参阅图3、图4。根据电路板芯片分布，对相变材料填充截面积进行优化，并对相变热控冷板的相变热控材料填充厚度，取面积加权平均后的相变热控冷板建立冷板数模，利用数值模拟进行验证，达到目标控温温度和控温时间，即得到最优设计参数，完成电路板相变热控冷板的参数设计。
根据建立整板相变热控性能数学模型进行数值模拟，验证每个芯片控温目标和控温时间均达到设计值，如果出现不达标情况，针对均布进行优化并重新进行验证。
综上所述，以上仅为本发明的其中一个实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电路板相变热控装置参数的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、根据电路板工作情况确定设计输入和要求，包括芯片尺寸、位置、功率、控制温度、控温时间；
步骤2、根据芯片尺寸、功率、工作时间参数，基于能量守恒定律，初步确定每个芯片控温所需的相变材料体积；
步骤3、根据理论计算的相变材料体积，建立相变材料填充面积与芯片表面积比1:1,1:2,1:3和1:4的热控数学模型，进行数值分析，根据传热特性及相变材料温度分布，得到每个芯片对应的最优相变材料填充面积；
步骤4、根据控制目标温度，设计余量10℃，以步骤3数值模拟结果，改变相变材料填充厚度，利用相变材料液相升温吸收芯片最后工作时间段的热量，得到每个芯片对应的最优相变材料填充厚度；
步骤5、根据步骤3,4获得的每个芯片最优相变材料填充面积和厚度，设计电路板整版相变热控装置，整板相变热控材料填充厚度确定为面积加权平均值，再根据每个芯片相变热控材料最优体积及区域情况进行面积补偿；
步骤6、建立装置数模，利用数值模拟进行验证，达到目标控温温度和控温时间，即得到最优设计参数，完成电路板相变热控装置的参数设计。
2.如权利要求1所述的一种电路板相变热控装置参数的设计方法，其特征在于，步骤2中初步确定的相变材料体积，是假设器件发热量全部被金属结构和相变材料吸收，基于能量守恒计算得出的。
3.如权利要求1所述的一种电路板相变热控装置参数的设计方法，其特征在于，以步骤2计算的相变材料体积作为初始参数，进一步进行数值模拟，根据传热特性和相变材料温度分布，得到最优相变材料填充截面积和填充厚度。
4.如权利要求1所述的一种电路板相变热控装置参数的设计方法，其特征在于，步骤4中的相变材料最优厚度是在确立了最优填充面积后，通过模拟不同厚度的相变材料填充量获得的。
5.如权利要求1所述的一种电路板相变热控装置参数的设计方法，其特征在于，步骤5中根据每个芯片的最优相变材料设计参数，来设计整板相变热控装置，具体包括：将电路板芯片根据位置分布，划分为特定区域，区域内芯片相变热控材料按优化尺寸设计；整板相变热控材料厚度确定方式为各区域的面积加权平均值，再根据每个芯片相变热控材料最优体积及区域情况进行面积补偿，得到最终电路板相变热控装置设计参数。
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