吳 斌 邢玉明

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

移動(dòng)電子設(shè)備相變熱控單元熱性能的數(shù)值仿真

吳 斌 邢玉明

(北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100191)

采用相變材料(PCM,Phase Change Material)的熱控制單元(TCU,Thermal Control Unit)可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)可移動(dòng)電子設(shè)備的熱控制,避免設(shè)備過(guò)熱而引起的熱故障.建立了分析 TCU熱性能的二維數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.結(jié)果表明:加肋和填充泡沫-PCM復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方案可以顯著提高 TCU熱性能,能很好地滿足電子元件的工作要求.此外,還對(duì)加肋和填充泡沫-PCM提高 TCU性能的效果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明:填充泡沫-PCM復(fù)合材料的方案更具優(yōu)勢(shì).所得結(jié)論對(duì)移動(dòng)電子設(shè)備 TCU的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用.

相變材料;熱控制單元;熱性能;肋;泡沫-PCM復(fù)合材料

溫度對(duì)電子設(shè)備的性能有極大的影響,美國(guó)空軍調(diào)查結(jié)果表明超過(guò) 55%的電子設(shè)備故障是由溫度因素引起的,因此,電子設(shè)備的熱控制顯得極為重要[1].熱控制手段分為被動(dòng)和主動(dòng)兩種:被動(dòng)式熱控制多采用空氣自然對(duì)流方式對(duì)電子元件進(jìn)行冷卻散熱,散熱效果差,主要用于低功率電子設(shè)備;主動(dòng)式熱控制采用風(fēng)扇等驅(qū)動(dòng)冷卻介質(zhì)與電子元件發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流換熱,冷卻效果好,但風(fēng)扇等附加動(dòng)力設(shè)備需額外耗能且存在噪音,主要用于大功率電子設(shè)備.可移動(dòng)電子設(shè)備如筆記本電腦、可穿式電子設(shè)備等,因其輕質(zhì)、緊湊和密封要求,主動(dòng)式熱控制方案的采用會(huì)額外增加電力需求、體積和重量,因此,采取自然對(duì)流冷卻方法更具優(yōu)勢(shì),但傳統(tǒng)的直接自然對(duì)流冷卻無(wú)法滿足要求,基于這些考慮提出了采用相變熱控制單元(TCU,Thermal Control Unit)的解決手段.

相變 TCU由相變材料(PCM,Phase Change Material)和導(dǎo)熱強(qiáng)化器(TCE,Thermal Conductivity Enhancer)構(gòu)成,當(dāng)工作中的電子設(shè)備溫度達(dá)到PCM熔點(diǎn)時(shí),PCM熔化,在 PCM熔化階段電子設(shè)備溫度幾乎保持不變,PCM的高潛熱使少量的PCM就可吸收大量的熱,而 PCM與外界空氣發(fā)生自然對(duì)流散熱,以保證充分的吸熱能力,這樣電子設(shè)備就可在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)以低于限制要求的溫度正常工作.常用的有機(jī) PCM導(dǎo)熱系數(shù)較小,需強(qiáng)化其導(dǎo)熱效果,為此在儲(chǔ)存 PCM的 TCU中放置 TCE,主要采取肋片強(qiáng)化形式,此外,還可采用金屬蜂窩或泡沫相變復(fù)合材料[2-6].

本文以文獻(xiàn)[3]中的筆記本電腦處理器芯片TCU為研究對(duì)象,分別采用直肋 TCE和鋁泡沫-PCM復(fù)合材料對(duì)芯片溫度影響進(jìn)行數(shù)值研究.

1 數(shù)學(xué)模型

圖1為 TCU結(jié)構(gòu)示意圖,該 TCU包括熱源(芯片)段、PCM和 TCE(或泡沫-PCM復(fù)合材料)段以及環(huán)氧樹(shù)脂(外殼)段 3部分.芯片熱源為體積均分熱源,芯片工作時(shí),將產(chǎn)生的熱量傳遞給PCM,PCM段外側(cè)表面與外界空氣發(fā)生對(duì)流換熱,熱源與環(huán)氧樹(shù)脂層兩側(cè)端面、熱源下端面及環(huán)氧樹(shù)脂上端面絕熱.各部分能量方程分別為

熱源:

當(dāng)采用泡沫-PCM復(fù)合材料時(shí),有:

圖1 TCU結(jié)構(gòu)示意圖

泡沫-PCM復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù) kmix的計(jì)算式可參考文獻(xiàn)[6]得出:

環(huán)氧樹(shù)脂:

式中,C=ρc為物質(zhì)的熱容,ρ為密度,c為比熱容;T為溫度;t為時(shí)間;k為導(dǎo)熱系數(shù);Q為熱源散熱量;ε為泡沫孔隙率;下標(biāo) H,P,F,mix,s和 Epoxy分別表示熱源、PCM、肋、泡沫-PCM復(fù)合材料、泡沫骨架和環(huán)氧樹(shù)脂.

對(duì) PCM控制方程采用有效熱容法進(jìn)行處理求解,即式(2)中的可表示為

式中,ΔHm為 PCM相變潛熱;ΔT為假定的發(fā)生相變的小溫差.

初始條件:

邊界條件:

式中,Ta為外界環(huán)境溫度;h為空氣對(duì)流換熱系數(shù);L為 TCU長(zhǎng)度;H為 TCU高度.

2 數(shù)值解法和算法

將 3部分求解區(qū)域各自劃分網(wǎng)格,將圖 1所示縱向添加 4片直肋的TCU二維物理模型劃分為 28(橫向)×26(縱向)個(gè)網(wǎng)格,其中熱源區(qū)域、PCM區(qū)域和環(huán)氧樹(shù)脂區(qū)域縱向分別劃分 3,20和 3個(gè)網(wǎng)格,橫向各肋段區(qū)域均劃分 2個(gè)網(wǎng)格,為保證計(jì)算精度,時(shí)間步長(zhǎng)取 1 s,時(shí)間和空間步長(zhǎng)再細(xì)化后對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大.將控制微分方程在以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為中心的控制體積內(nèi)用有限體積法進(jìn)行數(shù)值離散,采用全隱格式;用交替方向的隱式格式與三對(duì)角矩陣解法相結(jié)合的方法來(lái)求解方程.在離散方程時(shí),控制體積界面上的物性參數(shù)取兩個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)物性參數(shù)的調(diào)和平均值.在每個(gè)時(shí)間步內(nèi)對(duì)各控制方程進(jìn)行耦合迭代求解,直至結(jié)果收斂.

3 結(jié)果及分析

本文對(duì)圖 1所示的 TCU進(jìn)行研究和分析,考慮到該移動(dòng)電子設(shè)備(筆記本電腦)的使用條件,選擇石蠟類(lèi)有機(jī)物二十烷作為 PCM,二十烷具有潛熱大、無(wú)毒、穩(wěn)定、無(wú)腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),且熔點(diǎn)低于設(shè)備芯片的容許溫度;鋁具有導(dǎo)熱系數(shù)和熱容大、密度小的特點(diǎn),適合移動(dòng)電子設(shè)備輕質(zhì)的特點(diǎn),在此作為 TCE(直肋)和泡沫骨架材料.TCU各部分材料的熱物性參數(shù)[8]如表 1所列,幾何參數(shù)如下[3]:HH=0.001 5 m,HPCM=0.01m,HEpoxy=0.003m,肋寬 L1=0.001m,L=0.0265m,計(jì)算采用的 TCU初始溫度和環(huán)境溫度都為 20℃.

表 1 材料熱物性參數(shù)

3.1 加肋對(duì)熱源的影響

對(duì)肋化 TCU熱性能的研究基本可基于含肋量(肋體積分?jǐn)?shù))和熱源功率這兩方面的影響因素進(jìn)行分析研究,圖 2所示為恒定熱源功率條件下,肋片體積分?jǐn)?shù)對(duì)熱源溫度的影響,其中體積分?jǐn)?shù) 4.25%,8.5%,12.75%和 17%分別對(duì)應(yīng)的是1～4片直肋.為更好地分析加肋對(duì) TCU熱性能的影響,對(duì)純 PCM時(shí)熱源溫度進(jìn)行了計(jì)算分析:初始階段,PCM還未開(kāi)始熔化,吸收的熱量以顯熱形式儲(chǔ)存,此階段熱源溫度迅速上升直至 PCM開(kāi)始熔化;PCM開(kāi)始熔化至完全熔化期間,由于PCM潛熱大,此時(shí) PCM的有效熱容相當(dāng)于增加了 100多倍,熱源釋熱量被 PCM以顯熱和潛熱形式儲(chǔ)存,但 PCM的弱導(dǎo)熱性使得 PCM過(guò)熱而導(dǎo)致熱源溫度以低于之前的速度繼續(xù)攀升,直至達(dá)到恒定溫度.加肋可強(qiáng)化 PCM導(dǎo)熱,使 PCM內(nèi)熱流分布更為均勻,熱源溫度接近于 PCM熔點(diǎn)且基本不變,直到 PCM完全熔化后,熱源溫度才開(kāi)始持續(xù)上升直至恒定溫度,且由于 PCM過(guò)熱得到抑制與外界空氣對(duì)流換熱量增加,因此,恒定溫度相比純 PCM時(shí)顯著下降.由圖可見(jiàn),加肋后,熱源溫度有顯著降低,且肋片體積分?jǐn)?shù)越大(肋片越多),熱源溫度越低,說(shuō)明肋片的加入使 PCM熔化更為均勻,PCM的過(guò)熱得到很好地抑制;此外,可以發(fā)現(xiàn),肋片數(shù)量的增加可進(jìn)一步降低熱源溫度,但降低的幅度越來(lái)越小.

圖2 恒定功率熱源時(shí),肋片體積分?jǐn)?shù)對(duì)熱源溫度的影響

實(shí)際中,移動(dòng)電子設(shè)備很少處于全負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài),一般為周期性負(fù)荷運(yùn)行.電子元件溫度周期性大幅度變化,最高溫度和平均波動(dòng)溫度較大都會(huì)加速電子元件的老化,縮短其使用壽命,因此,在周期性熱源功率下,上述參數(shù)是衡量 TCU設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn).圖 3為熱源功率周期性(10W/5W)變化時(shí),肋體積分?jǐn)?shù)對(duì)熱源溫度的影響,此時(shí)熱源功率按 10W/15min和 5W/30min的頻率交替出現(xiàn).由圖可見(jiàn),在初始階段,PCM逐漸熔化,熱源的平均溫度逐漸升高,溫度振幅逐漸變大,直至穩(wěn)定.加肋后,由于肋片有效地強(qiáng)化了 PCM導(dǎo)熱,熱流分布更為均勻,PCM過(guò)熱被抑制,與外界環(huán)境對(duì)流換熱量增加.因此,熱源的平均溫度較純PCM時(shí)明顯降低,且在 PCM完全熔化之前,熱源溫度始終維持在 PCM熔點(diǎn)附近,變化幅度較小,直到 PCM完全熔化時(shí),熱源溫度才開(kāi)始大幅振蕩.此外,還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)肋體積分?jǐn)?shù)大于 8.5%時(shí),熱源溫度變化趨勢(shì)趨于一致,肋片增加的同時(shí)降低了 PCM含量,也就減少了 PCM的有效吸熱量,因此,10%的肋片體積分?jǐn)?shù)可視為最佳設(shè)計(jì).

PCM完全熔化時(shí)間是 TCU設(shè)計(jì)的一個(gè)主要參數(shù),而熱源功率大小直接影響 PCM的熔化時(shí)間,因此,對(duì)熱源功率影響 TCU熱性能的分析可避免元件出現(xiàn)故障.圖 4所示為肋體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí),恒定熱源功率對(duì)熱源溫度的影響.由圖可見(jiàn),PCM熔化時(shí)間隨著熱源功率增加而縮短,大功率熱源使 PCM過(guò)熱的可能性變大,從而導(dǎo)致TCU熱控功能的下降,元件出現(xiàn)故障的幾率變大;TCU可很好地控制小功率熱源溫度.圖 5所示為肋體積分?jǐn)?shù)為 10%時(shí),周期性熱源功率對(duì)熱源溫度的影響,此時(shí)熱源功率按 15min的頻率交替.由圖可見(jiàn),加肋后由于 PCM過(guò)熱被抑制,熱源最高溫度和平均波動(dòng)溫度較純 PCM時(shí)明顯降低;在 PCM完全熔化之前,熱源溫度始終維持在PCM熔點(diǎn)附近,且變化幅度較小,直到 PCM完全熔化時(shí),熱源溫度才開(kāi)始大幅振蕩.此外,還可看到,隨著熱源功率的增加,穩(wěn)定狀態(tài)下熱源平均溫度升高,振幅也隨之加大,元件正常工作時(shí)間縮短.

圖3 周期性功率熱源時(shí),肋體積分?jǐn)?shù)對(duì)熱源溫度的影響

圖4 恒定熱源功率對(duì)熱源溫度的影響

圖5 周期循環(huán)熱源功率對(duì)熱源溫度的影響

3.2 填充泡沫-PCM對(duì)熱源的影響

加肋雖然可使 PCM內(nèi)熱流分布更加均勻,但其對(duì) PCM導(dǎo)熱的強(qiáng)化只是在肋片附近更為顯著,離肋片越遠(yuǎn),效果越差,而泡沫-PCM復(fù)合材料因高導(dǎo)熱骨架與 PCM很好地結(jié)合,PCM整體導(dǎo)熱得到很好地強(qiáng)化,熱流分布極為均勻,因此,采用泡沫-PCM復(fù)合材料的 TCU熱性能會(huì)更好.圖 6為恒定功率熱源時(shí),泡沫孔隙率對(duì)熱源溫度的影響.由圖可見(jiàn),泡沫-PCM相比純 PCM能更好地冷卻熱源,由于孔隙率越小即泡沫骨架含量越大,越能提高泡沫復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱性能,因此,熱源溫度就越低,但隨著孔隙率的減小,熱源溫度降低的幅度也越來(lái)越小,這是因?yàn)榭紫堵实臏p小增加了骨架的含量,降低了 PCM的含量,PCM吸熱量減少.圖 7所示為周期性功率熱源時(shí),泡沫孔隙率對(duì)熱源溫度的影響.與前述加肋類(lèi)似,泡沫復(fù)合材料的填充使 PCM過(guò)熱被抑制,熱源最高溫度明顯降低.此外,還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)孔隙率小于 0.95時(shí),熱源溫度降低幅度已經(jīng)很小.因此,在此采用孔隙率 0.95的泡沫-PCM復(fù)合材料可視為最優(yōu)設(shè)計(jì).

圖6 恒定功率熱源時(shí),泡沫孔隙率對(duì)熱源溫度的影響

圖7 周期性功率熱源時(shí),泡沫孔隙率對(duì)熱源溫度的影響

為進(jìn)一步考察加肋和填充泡沫復(fù)合材料對(duì)TCU熱性能強(qiáng)化程度,如圖 8所示,對(duì)兩種最優(yōu)設(shè)計(jì)方案下熱源溫度進(jìn)行了比較,其中肋體積分?jǐn)?shù)為 10%,泡沫孔隙率為 0.95,采用恒定功率(7.5W)熱源和周期性功率(10W/5W)熱源.由圖可見(jiàn),這兩種最優(yōu)設(shè)計(jì)方案所取得的冷卻效果基本相同,恒定功率和周期性功率時(shí),加肋條件下的熱源溫度分別比填充泡沫時(shí)高 0.44和0.28℃.但由于鋁(肋和泡沫骨架材料)的密度約為 PCM的 3.5倍,因此,采用肋體積分?jǐn)?shù) 10%的TCU總質(zhì)量比孔隙率0.95的泡沫-PCM設(shè)計(jì)方案增加了 10%,從輕質(zhì)方面來(lái)看,填充泡沫-PCM的TCU更具優(yōu)勢(shì).

圖8 肋和泡沫-PCM對(duì)熱源溫度影響的比較

4 結(jié) 論

1)加肋和填充泡沫-PCM復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方案都能有效地提高 TCU的熱性能,且填充物含量越大效果越好,但效果差別變小,因此,存在最優(yōu)的設(shè)計(jì)以滿足電子元件工作要求和輕質(zhì)要求;

2)熱源功率大小也會(huì)影響 TCU熱性能,大功率熱源容易使 TCU性能惡化;

3)較小孔隙率的泡沫-PCM就能獲得較大含量加肋 TCU熱控效果,這意味著填充泡沫-PCM在輕質(zhì)方面較加肋更具優(yōu)勢(shì),而輕質(zhì) TCU設(shè)計(jì)是移動(dòng)電子設(shè)備的重要要求,因此,在條件容許時(shí),盡量選擇填充泡沫-PCM復(fù)合材料的 TCU設(shè)計(jì).

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(編 輯 :李 晶)

Numerical investigation of phase change thermal controlunit for portable electronic devices

Wu Bin Xing Yuming

(School of Aeronautic Science and Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

The thermal control unit(TCU)using phase change material(PCM)can well perform thermal control for portable electronic devices,and avoid itover heating.Two-dimensional mathematical model of TCU was presented,and numerical simulation was conducted to analyze its thermal performance.The results show that adding fins and filling with foam-PCM composite material can significantly improve thermal performance of TCU and satisfy the need of electronics working condition.Further,effectiveness of TCU by the two kinds of design was compared,and the design of filling with foam-PCM was superior to another one.The conclusion provides guidelines for portable electronic devices TCU design and optimization.

phase change material;thermal control unit;thermal performance;fins;foam-PCM composite material

TK 512+.4

A

1001-5965(2010)11-1330-05

2009-10-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50876004)

吳 斌(1983-),男,江西永豐人,博士生,wb-buaa@126.com.