毛麗娜，胡文超，董國攀

（合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥230088）

引 言

彈載電子設(shè)備在工作中面臨著諸多限制，如空間密閉、狹小，無法供風(fēng)、供液和冷卻，受體積、重量限制，熱沉容量不夠，外部氣動、加熱、導(dǎo)入等，在中段和末段工作的電子設(shè)備更是面臨著較高的工作環(huán)境初始溫度。

彈載電子設(shè)備短時(shí)工作的特點(diǎn)決定其多采用熱傳導(dǎo)及熱沉儲熱等被動冷卻方式進(jìn)行散熱[1]。在嚴(yán)格的重量、體積限制條件下，有限的結(jié)構(gòu)材料熱沉容量往往難以有效吸納電子設(shè)備的熱耗。近年來，彈載電子設(shè)備的功耗增加，在工作末段散熱不足和溫度超限的情況愈發(fā)突出[2]。

相變儲能裝置是利用相變材料在相變過程中存儲或釋放熱量的特性實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫度控制的裝置，它同時(shí)具有能量儲存和溫度控制的功能[3–4]。利用相變材料為電子設(shè)備提供熱防護(hù)，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量被相變材料以熔化潛熱的形式吸收，設(shè)備溫度不會顯著升高。這種系統(tǒng)是完全被動的，非?？煽縖1,5]。本文針對某航天電子設(shè)備的熱控需求，基于固–液相變控溫技術(shù)完成了相變機(jī)殼的熱設(shè)計(jì)，同時(shí)利用金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了相變裝置與復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備機(jī)殼的共形設(shè)計(jì)，可供類似電子設(shè)備的熱控設(shè)計(jì)參考。

表1 設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱器件的工作時(shí)間及熱耗

1 概述

某航天設(shè)備的發(fā)熱器件（熱源）安裝基板布置在機(jī)殼的中間位置，在A，B 兩面安裝，熱源1—4安裝在A面，熱源5—10安裝在B 面，元器件的布局如圖1所示。

圖1 電源單元內(nèi)部元器件布局示意圖

元器件的熱耗量及工作狀況見表1，其中峰值功耗為174.7 W。設(shè)備的極限應(yīng)用條件為：環(huán)境溫度+60°C，海拔10 000 m，設(shè)備一次連續(xù)工作時(shí)間不少于4.5 min。器件溫升應(yīng)滿足或優(yōu)于III級降額，轉(zhuǎn)化為基板要求后，設(shè)備中熱源1的最高允許殼溫為85°C，其余發(fā)熱器件的最高允許殼溫為80°C。設(shè)備內(nèi)部各熱源在應(yīng)用條件下在各工作時(shí)間段的發(fā)熱量見表1，在此過程中器件累積的總熱量為31 870.2 J。

本文基于相變控溫技術(shù)完成了某航天電子設(shè)備機(jī)殼的熱設(shè)計(jì)，對比了以單純鋁合金及充裝相變材料鋁合金兩種殼體作為熱沉控制設(shè)備溫度的方案。同時(shí)，利用金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了相變裝置與復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)殼的共形設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 金屬機(jī)殼方案

設(shè)備鋁合金機(jī)殼結(jié)構(gòu)由機(jī)械加工成型，材料為2A12–T4，質(zhì)量約為2.2 kg，如圖2所示。在建模過程中，根據(jù)熱分析軟件建模以及設(shè)備自身的特點(diǎn)對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了簡化，主要包括：1）簡化了所有的螺紋孔、凸臺和筋；2）不考慮結(jié)構(gòu)件表面的粗糙度；3）省略了印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）、蓋板、螺釘?shù)扰c模塊無直接接觸的結(jié)構(gòu)，僅保留機(jī)殼和熱源自身，將機(jī)殼和熱源作為熱沉進(jìn)行分析計(jì)算。熱源自身高13 mm，其熱物性參數(shù)按照鋁合金進(jìn)行選取。

圖2 設(shè)備鋁合金機(jī)殼結(jié)構(gòu)示意圖

考慮空氣對流換熱和輻射換熱，在溫度+60°C，海拔10 000 m的應(yīng)用條件下，在4.5 min這一時(shí)刻的設(shè)備溫度云圖如圖3所示。最高溫度為83.46°C，出現(xiàn)在熱源1處，最低溫度為62.44°C，出現(xiàn)在機(jī)殼邊緣處，其余熱源溫度在73.91°C ～82.16°C之間，部分器件不滿足III級降額允許溫度要求。

圖3 電源單元元器件及殼體溫度云圖

2.2 相變機(jī)殼方案

2.2.1 殼體設(shè)計(jì)

相變材料又稱潛熱儲能材料，在相變蓄熱過程中可吸收或放出大量能量。與金屬材料相比，相變材料具有相變潛熱大、相變過程溫度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。例如，石蠟類相變材料的固液相變潛熱為220 kJ/kg，鋁合金材料的比熱容為921 J/（kg·°C），1 kg相變材料在相變過程中吸收的熱量可以讓1 kg鋁合金的溫度上升239°C。因此利用相變儲熱技術(shù)可以有效降低結(jié)構(gòu)重量，控制設(shè)備的溫度。

相變材料自身的導(dǎo)熱系數(shù)很低，容易造成設(shè)備內(nèi)部較大的溫度梯度，在一定程度上制約相變熱沉裝置的實(shí)際應(yīng)用，因此強(qiáng)化相變材料的傳熱十分必要。

提高相變裝置的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)常見的設(shè)計(jì)手段有：1）以金屬殼體作為基體封裝相變材料，并設(shè)置導(dǎo)熱增強(qiáng)筋；2）加入具有高導(dǎo)熱性能的填料，如短切玻纖、石墨、銅粉、鋁粉等。導(dǎo)熱增強(qiáng)材料與殼體壁面之間通常會產(chǎn)生接觸熱阻，而接觸熱阻會在一定程度上降低傳熱效率，影響相變控溫的效果[6–7]。

利用金屬3D打印逐層熔覆增材制造的方式可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部金屬導(dǎo)熱增強(qiáng)材料與相變裝置殼體的一體化制造，消除界面熱阻，有效提高相變裝置的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。出于熱容量最大化和輕量化的考慮，金屬3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)相變裝置與復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)備機(jī)殼的共形設(shè)計(jì)，其成形的零件致密性好，能夠成形高精度復(fù)雜異形金屬零件，且具有組織性能好的特點(diǎn)[8]，在滿足強(qiáng)度要求的前提下可以盡可能地減小封裝體的壁厚，增大相變材料的填充量。

根據(jù)某航天電子設(shè)備的熱源分布，在熱源安裝基板內(nèi)部有熱源區(qū)域設(shè)計(jì)密閉的空腔填充相變材料，在殼體內(nèi)設(shè)計(jì)金屬點(diǎn)陣來強(qiáng)化導(dǎo)熱，其余非熱源區(qū)域不填充相變材料，在殼體內(nèi)僅設(shè)計(jì)金屬點(diǎn)陣來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和減重。

金屬成型材料選用AlSi10Mg（采用該材料的3D打印產(chǎn)品很多），經(jīng)過內(nèi)部處理后其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到320 MPa。殼體厚度設(shè)計(jì)為1 mm，采用3D打印殼體和填充相變材料的方式，整個(gè)殼體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量預(yù)計(jì)在1.05 kg左右。根據(jù)累積熱量（31 870.2 J）計(jì)算，相變材料的充裝量預(yù)計(jì)在0.15 kg左右，整個(gè)相變機(jī)殼質(zhì)量約為1.2 kg。金屬3D打印的相變裝置殼體及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 金屬3D打印的相變裝置殼體及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

2.2.2 相變材料

對于用于電子設(shè)備溫控的相變材料，除考慮材料屬性、過冷度、相變溫度、相變潛熱值及可操作性等指標(biāo)外，還要考慮它與基體材料或添加物之間的相容性，因?yàn)樵撓嗳菪灾苯雨P(guān)系到相變材料的使用壽命。本文選擇與鋁合金相容性較好的石蠟類有機(jī)相變材料。

某航天電子設(shè)備的極限環(huán)境初溫為+60°C，末期溫度控制在+80°C以內(nèi)，基板內(nèi)部填充的相變材料的相變點(diǎn)應(yīng)位于60°C ～80°C之間?？紤]到設(shè)備的相容性、材料屬性、經(jīng)濟(jì)性及可操作性等，選用正二十八烷作為相變材料，其物理性質(zhì)見表2。

表2 正二十八烷的熱物理性質(zhì)

正二十八烷屬于有機(jī)類相變材料，其優(yōu)點(diǎn)是與大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料相容，無腐蝕，無過冷現(xiàn)象，化學(xué)熱性能穩(wěn)定，熔化時(shí)體積變化率小，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱率低。

2.2.3 熱分析結(jié)果

采用相變機(jī)殼方案，在某航天應(yīng)用條件下在4.5 min這一時(shí)刻設(shè)備的溫度云圖如圖5所示。最高溫度為74.99°C，出現(xiàn)在熱源1 處，最低溫度為60.00°C，出現(xiàn)在機(jī)殼邊緣處，其余熱源溫度為63.18°C ～73.58°C，所有模塊溫度均滿足III級降額基板最高允許溫度要求。

圖5 設(shè)備內(nèi)部器件及殼體溫度云圖

熱源1相變殼體安裝面的溫度曲線如圖6所示。從圖6可以看出，相變材料在61.8°C左右發(fā)生相變，有效抑制了發(fā)熱模塊安裝面的溫升。

圖6 熱源1相變殼體安裝面溫升曲線

2.3 方案對比

從溫度指標(biāo)情況來看，采用相變機(jī)殼的方案，熱源的溫度水平較鋁合金機(jī)殼有了顯著的改善，器件殼溫從73.91°C ～83.46°C降到63.18°C ～74.99°C，降低了10°C左右。

從質(zhì)量指標(biāo)情況來看，鋁合金機(jī)殼的設(shè)計(jì)質(zhì)量為2.2 kg，而且如果要滿足溫度指標(biāo)要求，則還需要進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)的質(zhì)量來增大殼體熱容。相變機(jī)殼采用金屬3D打印的形式，在內(nèi)部設(shè)計(jì)三維點(diǎn)陣，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)在局部填充相變材料，利用其潛熱有效抑制了模塊的溫升，降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，整個(gè)相變機(jī)殼的質(zhì)量約為1.2 kg，相比鋁合金機(jī)殼方案，其整體質(zhì)量降低了約45%。此外，金屬3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜零件的制造、減少零件的研制周期等方面相比傳統(tǒng)的機(jī)械加工成型方式具有明顯的優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

本文針對某航天電子設(shè)備熱控需求，基于相變控溫技術(shù)完成了相變機(jī)殼的熱設(shè)計(jì)，并在相應(yīng)的制備方法上創(chuàng)新性地采用了金屬3D打印工藝及相變材料填充的集成技術(shù)。得出的主要結(jié)論如下：1）對比單純金屬熱沉方案，相變裝置使電子設(shè)備獲得了更優(yōu)異的散熱溫控效果，可供類似電子設(shè)備的熱控設(shè)計(jì)參考；2）金屬3D打印可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)相變機(jī)殼的有效成型和結(jié)構(gòu)輕量化，可顯著增強(qiáng)彈載電子設(shè)備的實(shí)用性。

金屬3D打印相變機(jī)殼的強(qiáng)化散熱方案在國內(nèi)鮮有報(bào)道，三維點(diǎn)陣夾層結(jié)構(gòu)參數(shù)（如單位體積內(nèi)胞元的大小、結(jié)構(gòu)、數(shù)量等）在強(qiáng)化相變材料散熱功能和潛力上的影響有待進(jìn)一步研究細(xì)化，期待該研究結(jié)果能在促進(jìn)高端裝備結(jié)構(gòu)的升級換代中起到一定的推動作用。