0引言

彈載?機(jī)載等平臺(tái)的雷達(dá)干擾設(shè)備的發(fā)射功率日益增大,并且干擾設(shè)備的工作環(huán)境?安裝空間和重量的要求也越來(lái)越苛刻,無(wú)法使用風(fēng)冷?液冷等強(qiáng)迫冷卻手段進(jìn)行散熱,設(shè)備本身大多只能依靠自身的結(jié)構(gòu)熱沉進(jìn)行散熱?純銅?純鋁作為常用金屬材料具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱和儲(chǔ)熱能力,雖然在一定條件下,單純銅實(shí)體?鋁實(shí)體作為熱沉材料具有足夠的熱沉容量,能使設(shè)備的散熱滿(mǎn)足指標(biāo)要求,但重量會(huì)遠(yuǎn)超指標(biāo)要求?

目前對(duì)于短時(shí)工作的彈載?機(jī)載等平臺(tái)大功率雷達(dá)干擾設(shè)備的散熱,越來(lái)越多地使用相變材料作為熱沉材料進(jìn)行儲(chǔ)熱散熱?相變材料一般采用石蠟?脂肪酸作為主要成分,具有價(jià)格低廉?容易獲得?儲(chǔ)熱密度大?穩(wěn)定性好等特點(diǎn)?但是相變材料具有導(dǎo)熱系數(shù)極低的缺點(diǎn),如果設(shè)計(jì)?使用不當(dāng),熱源產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)傳遞到相變材料,或者相變材料不能及時(shí)?充分地發(fā)生相變,反而會(huì)使設(shè)備的散熱效果更差?通常采取在相變材料中加入高導(dǎo)熱材料,如銅粉?鋁粉?碳纖維等,或采用翅片管換熱器結(jié)構(gòu),增大換熱面積,以提高相變材料的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)?但是干擾設(shè)備發(fā)射功放大多熱源分布比較集中,而且工作時(shí)間短,發(fā)射功率大,如果將相變材料直接填充在金屬盒體中,則由于金屬表面的擴(kuò)散熱阻相對(duì)較大,很難使集中熱源產(chǎn)生的熱量傳遞到遠(yuǎn)端,即使相變材料有足夠的儲(chǔ)熱能力,在有限的時(shí)間內(nèi)也不能發(fā)揮全部作用?

本文設(shè)計(jì)了一種相變材料?均熱板復(fù)合結(jié)構(gòu)的散熱裝置,均熱板由密封殼體?附著在殼體上的毛細(xì)層以及工質(zhì)組成?液態(tài)工質(zhì)在發(fā)熱部位受熱汽化,氣體迅速擴(kuò)散到整個(gè)腔體,在冷卻部位液化,液體再通過(guò)毛細(xì)層回到發(fā)熱部位,如此循環(huán),實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞?均熱板本身并不具有儲(chǔ)熱能力,其最大優(yōu)勢(shì)是,相比于常用金屬材料,它在二維面上具有超強(qiáng)的傳熱性能,當(dāng)量導(dǎo)熱性能超過(guò)20000W/(m·K),厚度最小可以做到3mm,基本相當(dāng)于采用金屬實(shí)體的腔體的壁厚,不會(huì)占用太多空間?在散熱裝置的熱源和相變材料之間填充一層均熱板結(jié)構(gòu),熱源產(chǎn)生的熱量首先傳遞到均熱板結(jié)構(gòu),均熱板可以實(shí)現(xiàn)集中熱源熱量二維的高效傳導(dǎo)擴(kuò)散,將熱量快速傳遞到遠(yuǎn)端,同時(shí)傳導(dǎo)到均熱板的熱量縱向傳導(dǎo)至相變材料,使熱源遠(yuǎn)端的相變材料更大程度地發(fā)揮作用,提升干擾設(shè)備的散熱效果?本文分別采用單一鋁實(shí)體?鋁與相變材料?鋁與相變均熱板復(fù)合3種方案設(shè)計(jì)某雷達(dá)干擾設(shè)備的熱沉,主要介紹復(fù)合散熱裝置的設(shè)計(jì)?

1復(fù)合散熱裝置設(shè)計(jì)

1.1某雷達(dá)干擾設(shè)備熱源分布

某雷達(dá)干擾設(shè)備外形尺寸小,重量要求嚴(yán)格?設(shè)備裝載于密閉環(huán)境中,工作時(shí)間較短,發(fā)射功率大?功率器件主要由多個(gè)GaN功率芯片組成,功放的總熱耗超過(guò)740W,并且熱量分布比較集中,功放的熱量分布如圖1所示?

1.2散熱理論分析

由于設(shè)備基本處于密閉環(huán)境,工作時(shí)功率器件產(chǎn)生的熱量主要由其自身熱沉材料吸收,輻射換熱可以忽略?因此該設(shè)備散熱實(shí)現(xiàn)的主要途徑為:1)強(qiáng)化內(nèi)部傳熱,將熱量快速傳遞到熱沉材料;2)盡可能增加盒體的熱容,保證盒體作為熱沉有足夠的吸熱能力,從而抑制器件的溫升?電子設(shè)備的發(fā)熱量主要由散熱功率和工作時(shí)間決定,即：

Q1=Pt   (1)

式中:Q1為發(fā)熱量,kJ;P為器件的散熱功率,W;t為工作時(shí)間,s?

熱沉材料的儲(chǔ)熱量為:

Q2=mλ+mCpΔT   (2)

式中:Q2為儲(chǔ)熱量,kJ;m為質(zhì)量,kg;λ為相變潛熱,kJ/kg;Cp為比熱容,kJ/(kg·K);ΔT為溫度變化量,K?

式(2)表明熱沉材料的儲(chǔ)熱能力隨著熱沉材料的質(zhì)量?相變潛熱?比熱容?溫度變化量的增加而增大?目前雷達(dá)干擾設(shè)備常用的熱沉材料的物理性能參數(shù)見(jiàn)表1?

本設(shè)備的工作時(shí)間約為100s,實(shí)際產(chǎn)生的最大熱量約為45kJ,因此需要保證設(shè)備的儲(chǔ)熱能力大于45kJ?除了器件腔體占用體積外,散熱熱沉可利用空間約為270mm×75mm×30mm,以熱沉溫度變化量ΔT取40℃為例,經(jīng)計(jì)算,純銅實(shí)體?純鋁實(shí)體?相變材料的質(zhì)量和儲(chǔ)熱量如表2所示?

由表2可以看出,從理論上講,3種熱沉材料均可滿(mǎn)足設(shè)備的儲(chǔ)熱散熱要求,但是由于重量的限制,純銅?純鋁實(shí)體作為熱沉材料不能滿(mǎn)足指標(biāo)要求,相變材料質(zhì)量輕,儲(chǔ)熱量大,是本設(shè)備唯一可以選擇的儲(chǔ)熱散熱方式?

相變材料雖然相變儲(chǔ)熱能力強(qiáng),但前提是熱量可以迅速傳遞到相變材料,使相變材料完全發(fā)生相變?由于相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)低,難以實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算的散熱效果?本研究的目的就是設(shè)計(jì)一種復(fù)合散熱結(jié)構(gòu),在熱源和相變材料之間增加均熱板導(dǎo)熱,盡可能發(fā)揮相變材料儲(chǔ)熱量大的優(yōu)勢(shì)?

1.3復(fù)合散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁與相變均熱板復(fù)合的熱沉結(jié)構(gòu)采用一體化制造加工而成,均熱板的一面與發(fā)熱器件接觸,依靠均熱板的超強(qiáng)傳熱性能可以將集中的熱量在二維平面上進(jìn)行快速擴(kuò)散;均熱板的另一面與相變材料接觸,相變材料中布置圓柱形散熱翅片與均熱板面相連接,可以同時(shí)提高相變材料水平方向和縱深方向的傳熱效率?散熱裝置結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示?結(jié)合面采用高頻擴(kuò)散焊接的生產(chǎn)工藝使相變材料和均熱板的腔體完全密封?高頻擴(kuò)散焊技術(shù)具有焊接強(qiáng)度高?焊接變形小?可大面積焊接?可焊接任意復(fù)雜對(duì)接面等優(yōu)點(diǎn)?

2仿真計(jì)算

采用Icepak熱仿真軟件對(duì)鋁實(shí)體熱沉?鋁與相變材料熱沉和鋁與相變均熱板復(fù)合熱沉的散熱效果進(jìn)行了熱仿真,分別截取60s和120s時(shí)的溫度云圖如圖3?圖4?圖5所示?

由仿真結(jié)果可以看出:在60s時(shí),以鋁實(shí)體作為熱沉,芯片表面最高溫度為85.6℃,此時(shí)遠(yuǎn)端的最低溫約為66.8℃,兩者溫差為18.8℃;以鋁?相變材料作為熱沉,芯片表面最高溫度為101.9℃,此時(shí)遠(yuǎn)端的最低溫約為66.2℃,兩者溫差為35.7℃;以鋁?相變材料?均熱板復(fù)合結(jié)構(gòu)作為熱沉,芯片表面最高溫度為89.4℃,此時(shí)遠(yuǎn)端的最低溫約為73.5℃,兩者溫差為15.9℃?

在120s時(shí),以鋁實(shí)體作為熱沉,芯片表面最高溫度為111.2℃,此時(shí)遠(yuǎn)端的最低溫約為73.8℃,兩者溫差為37.4℃;以鋁?相變材料作為熱沉,芯片表面最高溫度為144.0℃,此時(shí)遠(yuǎn)端的最低溫約為72.1℃,兩者溫差為71.9℃;以鋁?相變材料?均熱板復(fù)合結(jié)構(gòu)作為熱沉,芯片表面最高溫度為118.7℃,此時(shí)遠(yuǎn)端的最低溫約為87.0℃,兩者溫差為31.7℃?

由仿真結(jié)果可知,對(duì)于短時(shí)工作的干擾設(shè)備,以鋁實(shí)體作為熱沉的散熱效果略?xún)?yōu)于以鋁?相變材料?均熱板復(fù)合結(jié)構(gòu)作為熱沉的散熱效果,兩者的散熱效果遠(yuǎn)優(yōu)于以鋁?相變材料作為熱沉的散熱效果;在熱源和相變材料之間加入均熱板可以大大提高散熱裝置的熱擴(kuò)散能力,使相變材料的效能得到充分發(fā)揮?

3驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證鋁與相變均熱板復(fù)合熱沉的散熱優(yōu)勢(shì),本試驗(yàn)通過(guò)紅外熱像儀對(duì)比了單一鋁實(shí)體?鋁與相變材料?鋁與相變均熱板復(fù)合3種熱沉在相同工況下的熱源溫度變化以及溫度云圖?試驗(yàn)只是為了近似模擬設(shè)備的熱源分布狀態(tài),每種熱沉均采用4個(gè)100W的集中分布于熱沉一端的加熱棒作為熱源,加熱棒通過(guò)壓塊壓緊在熱沉面上,與熱沉的接觸面之間均勻涂敷導(dǎo)熱脂?為方便儀器的擺設(shè)和測(cè)試,試驗(yàn)在室溫條件下(20.6℃)進(jìn)行?

3.2試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,分別呈現(xiàn)了60s時(shí)和120s時(shí)3種熱沉的溫度云圖?

表3為不同熱沉方案試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果?從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,試驗(yàn)和仿真結(jié)果一致?但是在相同體積條件下,鋁?相變材料?均熱板復(fù)合結(jié)構(gòu)熱沉最輕,鋁實(shí)體熱沉質(zhì)量幾乎是復(fù)合結(jié)構(gòu)熱沉的2倍?

4結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)3種熱沉進(jìn)行了散熱理論分析?熱仿真計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證,三者結(jié)果吻合?對(duì)于短時(shí)工作的干擾設(shè)備,以鋁實(shí)體作為熱沉的散熱效果略?xún)?yōu)于以鋁?相變材料?均熱板復(fù)合結(jié)構(gòu)作為熱沉的散熱效果,主要原因在于鋁實(shí)體熱沉材料更均勻,綜合導(dǎo)熱系數(shù)更高,但是其重量也最重,在一些對(duì)重量有嚴(yán)格要求的平臺(tái)上并不適用?在熱源和相變材料之間加入均熱板可以大大提高散熱裝置的熱擴(kuò)散能力,最大程度地彌補(bǔ)了相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低的問(wèn)題,極大地提升了相變材料的效能發(fā)揮?本研究為短時(shí)大功率工作的干擾設(shè)備的散熱提供了一定的借鑒,后續(xù)可以進(jìn)一步對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)熱沉中均熱板和相變材料占用空間配比?相變材料填充量和散熱翅片占用空間配比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)一步提升散熱裝置的散熱效果?

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