毛麗凱，程文龍，年永樂(lè)

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系， 安徽 合肥 230000)

引 言

熱控系統(tǒng)是電子器件中不可或缺的部分，它的主要任務(wù)是保證相關(guān)電子器件在安全的溫度范圍內(nèi)工作。熱控系統(tǒng)的作用主要包括兩個(gè)方面：1)保證電子器件正常運(yùn)作所需的溫度范圍，如低溫、恒溫等要求；2)保證設(shè)備內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻且穩(wěn)定[1-2]。

相變溫控是一種利用相變材料在相變過(guò)程中吸收或釋放大量熱量的同時(shí)溫度基本保持不變的特性來(lái)控制設(shè)備溫度的技術(shù)[3-6]。相變溫控技術(shù)通常是將相變材料固定在控制設(shè)備與外環(huán)境之間，設(shè)備工作時(shí)，當(dāng)發(fā)熱面與相變?cè)O(shè)備接觸面的溫度達(dá)到相變材料的相變溫度時(shí)，相變材料發(fā)生相變，利用其相變潛熱吸收和儲(chǔ)存設(shè)備熱源產(chǎn)生的熱量，并將發(fā)熱部件的溫度控制在相變材料的相變點(diǎn)附近，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件溫度的控制。相變溫控技術(shù)屬于能量?jī)?chǔ)存型被動(dòng)溫控，其熱控能力主要取決于相變材料自身的熱物理性質(zhì)，受外界溫度的影響較小，同時(shí)相變材料的加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，材料的形狀和大小在一定范圍內(nèi)可以控制。因此，相變溫控非常適用于空間較為緊湊、高熱流密度以及對(duì)周圍環(huán)境較難散熱的溫度控制場(chǎng)合。同時(shí)，相變溫控具有相變過(guò)程中溫度幾乎保持不變、單位體積儲(chǔ)熱量大、可靠性高、能耗低[7-8]、可在高溫高濕度等惡劣條件下使用的優(yōu)點(diǎn)。

文獻(xiàn)[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M相變材料的控溫效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相變材料可以有效減緩設(shè)備芯片溫度上升的速率，延長(zhǎng)設(shè)備達(dá)到最高允許工作溫度的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備內(nèi)部芯片安全運(yùn)行的保護(hù)；相變溫控裝置的控溫效果與相變材料用量呈正相關(guān)，且隨著熱流密度的增加，溫控效果減弱。文獻(xiàn)[10]研究發(fā)現(xiàn)，在航天器短期強(qiáng)熱流情況下，用定形相變材料進(jìn)行溫控是可行的，相變材料的熱導(dǎo)率對(duì)其溫控效果影響顯著，熱導(dǎo)率較低的相變材料不適合對(duì)航天器進(jìn)行溫度控制。文獻(xiàn)[11]制備出新型柔性相變材料，有效地降低相變材料與電子設(shè)備接觸面之間的接觸熱阻，提高了相變材料對(duì)電子器件的熱控能力。文獻(xiàn)[12]將脂肪酸類相變材料作為空調(diào)儲(chǔ)能裝置，結(jié)果顯示該儲(chǔ)能裝置可以使室內(nèi)溫度保持在20 ℃左右，大大降低了室內(nèi)溫度的波動(dòng)。

相變溫控系統(tǒng)可有效應(yīng)用于電子設(shè)備熱控領(lǐng)域，但是，目前對(duì)于適用于有限空間條件下電子器件熱控的薄膜型相變材料及其熱控特性的研究還不足，尤其是對(duì)相變材料的相關(guān)物性對(duì)熱控性能影響的研究還有待完善。為此，本文將針對(duì)電子器件相變熱控及薄膜型相變材料的熱控特性進(jìn)行研究。首先制備出具有柔性特征的相變薄膜材料，該種材料具有在熱控表面上易于安裝和接觸熱阻較低的優(yōu)點(diǎn)；然后建立其在電子設(shè)備中的相變熱控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究相變材料對(duì)電子設(shè)備的熱控特性；同時(shí)在實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上建立相變熱控的數(shù)值分析模型，進(jìn)一步獲得相變薄膜材料的潛熱、熱導(dǎo)率等參數(shù)對(duì)相變熱控性能的影響規(guī)律。

1 相變薄膜用于電子設(shè)備熱控的實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

諸如手機(jī)等小型電子設(shè)備，具有產(chǎn)熱芯片面積小、結(jié)構(gòu)緊湊且散熱主要依賴于環(huán)境與封裝后蓋自然對(duì)流的特征[13]，由此建立模擬熱控的實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要由相變薄膜材料、硅膠加熱板、底板、側(cè)板、硅膠加熱板與側(cè)板間的絕熱填充板組成。

圖1 模擬溫控裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于市面上電子設(shè)備的后蓋種類眾多，且不同種類的后蓋對(duì)傳熱影響較大，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有普適性，本實(shí)驗(yàn)中不加后蓋。根據(jù)市面上部分手機(jī)尺寸，設(shè)置底板長(zhǎng)122 mm，寬55 mm，底部與實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間由絕緣材料相隔；硅膠加熱板用來(lái)模擬電子設(shè)備中的產(chǎn)熱芯片，置于底板上側(cè)中心位置，與底板同寬，長(zhǎng)度為底板的1/2，產(chǎn)熱均勻，加熱板產(chǎn)生的熱量采用電源功率進(jìn)行控制和計(jì)量；加熱板與側(cè)板之間由絕熱板填充；柔性相變薄膜材料置于加熱板之上，其與環(huán)境之間進(jìn)行自然對(duì)流換熱。

溫控實(shí)驗(yàn)采用T型熱電偶測(cè)量溫度，將兩個(gè)T型熱電偶分別布置于模擬芯片和柔性相變薄膜上側(cè)的幾何中心，溫度數(shù)據(jù)采用安捷倫34970A采集儀進(jìn)行采集。

1.2 相變材料及實(shí)驗(yàn)條件

本文以自制的3種柔性相變薄膜[14-16]，利用實(shí)驗(yàn)方法研究相變薄膜的熱物性及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱控性能的影響。假定芯片在室溫環(huán)境(約20 ℃)下工作。相變薄膜材料的物性參數(shù)如表1所示。根據(jù)手機(jī)在視頻和游戲時(shí)的運(yùn)行工況，本文設(shè)定模擬運(yùn)行工況如表2所示。

表1 相變薄膜材料物性參數(shù)

表2 電子設(shè)備運(yùn)行工況

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

熱控實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：在這4組實(shí)驗(yàn)中，發(fā)熱芯片和柔性相變薄膜的溫升趨勢(shì)相同，二者溫差較小，在4 000 s之后，芯片與相變薄膜的溫差均不超過(guò)2 ℃；在530 s之前，4組實(shí)驗(yàn)曲線均出現(xiàn)過(guò)非常平緩的階段，這是因?yàn)楫?dāng)相變薄膜的溫度上升至相變點(diǎn)時(shí)，薄膜內(nèi)的相變物質(zhì)開(kāi)始發(fā)生相變，在此階段薄膜吸收熱量并保持溫度幾乎不變。當(dāng)相變薄膜與加熱芯片接觸部分相變結(jié)束后，由于相變薄膜的熱導(dǎo)率較低，使得未與加熱芯片接觸的部分薄膜的溫度上升緩慢，即這部分相變薄膜緩慢發(fā)生相變，此階段相變薄膜對(duì)芯片的熱控效果下降，發(fā)熱芯片中心溫度開(kāi)始顯著升高。

圖2 相變熱控實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相變材料的熱導(dǎo)率、厚度以及芯片的加熱功率均會(huì)對(duì)熱控效果產(chǎn)生影響。

2 相變薄膜的熱物性及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱控性能的影響

2.1 數(shù)值模型

針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)，建立相變熱控物理模型，如圖3所示。模型內(nèi)的部件包括底板、產(chǎn)熱芯片、相變薄膜、芯片與裝置側(cè)面間填充的絕熱材料。根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際條件，對(duì)裝置下表面與側(cè)面做一定的隔熱處理，相變薄膜上表面與外界環(huán)境自然對(duì)流，各表面間存在一定的接觸熱阻。

圖3 熱控模型

在利用數(shù)值方法求解相變傳熱問(wèn)題時(shí)，由于傳熱過(guò)程中存在固-液交界面的移動(dòng)，所以要對(duì)此過(guò)程進(jìn)行特殊處理。本文選用顯熱容法，將相變材料的相變潛熱等效為相變溫度區(qū)間(Tm-ΔT，Tm+ΔT)上的顯熱容，如此便將分區(qū)描述的控制方程和界面守恒條件轉(zhuǎn)化為整個(gè)區(qū)域上均適用的單一非線性導(dǎo)熱問(wèn)題，由計(jì)算出來(lái)的溫度分布即能確定兩相界面的位置。以溫度為待求量，為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，做以下假定：

1)忽略相變物質(zhì)處于液態(tài)時(shí)自然對(duì)流的影響；

2)忽略相變物質(zhì)處于固態(tài)和液態(tài)兩種情況下密度的變化；

3)相變材料熱物性為常數(shù)且各向同性；

4)無(wú)內(nèi)熱源和內(nèi)熱匯。

為提高計(jì)算的效率和準(zhǔn)確度，令相變區(qū)域內(nèi)的等效比熱容：

ceff=cp+δ(T)ΔH

(1)

其中，

(2)

式中：δ(T)為高斯分布函數(shù)；cp為相變材料的比熱容；ΔH為相變潛熱；T為相變材料溫度；Tm為相變溫度；ΔT為相變區(qū)間的半高寬。

2.2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較

計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較如圖4所示，從圖中可以看出，4組計(jì)算得出的芯片中心溫度數(shù)據(jù)與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，所以認(rèn)為此模型正確，可用此模型進(jìn)行下一步分析。

圖4 芯片中心溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.3 相變薄膜的熱物性及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱控性能的影響

利用上述數(shù)值模型，改變相變材料的熱物性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，探究相變過(guò)程中各個(gè)參數(shù)對(duì)熱控性能的影響。本實(shí)驗(yàn)中電子設(shè)備熱控性能的評(píng)價(jià)主要在于與相變薄膜貼合的芯片的中心溫度大小，本文以系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)芯片中心的溫度作為評(píng)定系統(tǒng)熱控性能的參數(shù)。

定義相變材料的比熱容cp、熱導(dǎo)率k、相變潛熱h、厚度d、來(lái)自芯片的熱流密度q以及熱源面積因子s為自變量，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)發(fā)熱芯片中心溫度為因變量，利用控制變量法對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。相變材料初始物性參數(shù)設(shè)置如表3所示。相變材料初始厚度為2 mm，系統(tǒng)初始溫度為20 ℃，來(lái)自芯片的熱流密度為700 W/m2。

表3 相變材料初始熱物性

1)令其他變量保持不變，相變材料比熱容的取值區(qū)間為1500J/(kg·K)～3000J/(kg·K)，每隔100 J/(kg·K)取一個(gè)值進(jìn)行分析。系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)(溫控時(shí)間約為4 300 s)，芯片中心溫度隨相變材料比熱容變化的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，芯片中心溫度幾乎不隨相變材料比熱容的改變而改變。這是因?yàn)橄嘧儾牧显谙嘧冞^(guò)程中，由相變潛熱轉(zhuǎn)化而來(lái)的等效比熱容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相變材料處于固態(tài)或液態(tài)時(shí)的比熱容，所以材料的固/液態(tài)比熱容對(duì)熱控的影響較小。

圖5 改變相變材料比熱容的計(jì)算結(jié)果

2)令其他變量保持不變，相變材料潛熱的取值區(qū)間為140 ～ 250 J/g，每隔10 J/g取一個(gè)值進(jìn)行分析。系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)(溫控時(shí)間約為4 200 s)，芯片中心溫度隨相變材料潛熱變化的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖可知，隨著相變潛熱的增大，芯片中心溫度幾乎保持不變。

圖6 改變相變材料潛熱的計(jì)算結(jié)果

3)保持其他變量不變，相變材料熱導(dǎo)率的取值區(qū)間為0.2 W/(m·K) ～ 4 W/(m·K)。系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)(溫控時(shí)間約為4 900 s)，芯片中心溫度隨相變材料熱導(dǎo)率的變化如圖7所示。從圖中可以看出，芯片中心溫度與相變材料熱導(dǎo)率成反比關(guān)系。由計(jì)算結(jié)果可得，當(dāng)相變材料的熱導(dǎo)率過(guò)小時(shí)，離芯片較遠(yuǎn)的部分相變材料的溫度不能達(dá)到其相變溫度，如：若相變材料熱導(dǎo)率為0.2 W/(m·K)，在達(dá)到熱平衡時(shí)，離芯片最遠(yuǎn)的相變材料部分的溫度約為20 ℃，而相變材料的相變溫度為27 ℃，即這部分材料不能發(fā)生相變，從而此部分的潛熱不能得以利用，使得芯片中心溫度較高。隨著相變材料熱導(dǎo)率增大，一方面，芯片與外界環(huán)境之間的熱阻減小；另一方面，來(lái)自芯片的熱量能更快地從相變材料中部(與芯片接觸的部分)傳至相變材料兩端(未與芯片接觸的部分)，使得遠(yuǎn)端的相變材料也能發(fā)生相變，從而提高相變材料潛熱的利用率，降低芯片中心溫度[17]。

圖7 改變相變材料熱導(dǎo)率的計(jì)算結(jié)果

4)固定其他變量，相變薄膜厚度的取值區(qū)間為0.2 mm ～ 3 mm。系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)，芯片中心溫度隨相變材料厚度變化的計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，相變材料越厚，芯片中心溫度越低。這是因?yàn)橄嘧儽∧ず穸仍酱螅嘧儽∧さ目倽摕幡越大，如下式所示：

ΔH=mpcmh=Adpcmρpcmh

式中：mpcm為相變薄膜質(zhì)量；A為相變薄膜的底面積；dpcm為相變薄膜的厚度；ρpcm為相變材料的密度；h為相變材料的潛熱。由此式可得，相變薄膜總潛熱量與相變薄膜厚度成正比關(guān)系，所以在電子器件運(yùn)行時(shí)，相變薄膜越厚，材料總潛熱量越大，越有利于降低芯片溫度。

圖8 改變相變材料厚度的計(jì)算結(jié)果

5)保持其他變量不變，來(lái)自芯片的熱流密度的取值范圍為400 ～ 1 000 W/m2，每隔50 W/m2取一個(gè)值。系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)(溫控時(shí)間約為4 100 s)，芯片中心溫度隨負(fù)載熱流密度變化的計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖可知，芯片中心溫度與負(fù)載熱流密度成線性增長(zhǎng)關(guān)系。

圖9 改變負(fù)載熱流密度的計(jì)算結(jié)果

6)定義熱源面積因子s為芯片面積S與相變薄膜面積Spcm之比，s=S/Spcm，令芯片的加熱功率不變，即保持來(lái)自芯片的熱量不變，只改變芯片面積，此時(shí)熱流密度會(huì)發(fā)生變化。固定其他變量，熱源面積因子的取值范圍為0.1～1，每隔0.1取一個(gè)值進(jìn)行分析。系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)(溫控時(shí)間約為4 100 s)，芯片中心溫度隨熱源面積因子變化的計(jì)算結(jié)果如圖10所示。由圖可知，芯片中心溫度與熱源面積因子成反比。芯片面積越大，則相變材料與其接觸的部分越多，從而提高了相變材料的潛熱利用率，所以熱源面積因子越大，芯片中心溫度越低。

圖10 改變熱源面積因子的計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分別進(jìn)行了柔性相變薄膜材料用于電子設(shè)備熱控的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，得出了相變材料熱物性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱控的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相變材料的熱導(dǎo)率、厚度以及芯片的加熱功率均會(huì)對(duì)熱控效果產(chǎn)生影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了相變薄膜用于電子設(shè)備熱控的數(shù)值模型，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對(duì)比可知此模型較為準(zhǔn)確。改變模型中相變材料的熱物性參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，探究其對(duì)熱控性能的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)，相變材料的比熱容和相變潛熱對(duì)芯片中心溫度影響較??；芯片中心溫度與相變材料熱導(dǎo)率、相變薄膜厚度、熱源面積因子成負(fù)相關(guān)，與負(fù)載熱流密度成正相關(guān)。