不同影響因素下相變溫控組件溫控性能對比分析

蘇欣

（西南電子技術研究所，成都 610036）

前言

近些年來，電子技術和芯片制造工藝發(fā)展迅速，使得電子器件愈來愈向微型化、高集成化和高功率化發(fā)展，由此產生的高熱流使得相應的電子設備系統(tǒng)和電子器件工作環(huán)境愈加惡劣，因此采取正確高效的溫控方式[1-3]是保證電子元件正常工作的前提。

溫控方式一般分為主動式溫控和被動式溫控[4-6]。相變溫控方式屬于被動式溫控，是一種基于相變儲能技術的溫控方法，相變材料在相變過程中吸收或釋放大量的潛熱而溫度幾乎保持恒定，從而實現對電子設備的溫度控制[7]。相變過程中固-液相變材料的潛熱值高，相變過程中體積變化小，性能穩(wěn)定，是應用最為廣泛的相變溫控方式?；诠?液相變的相變溫控系統(tǒng)具有體積小、重量輕、不消耗能量、無運動部件、可靠性高等優(yōu)點，可用于高溫、高濕、高鹽、振動和沖擊等惡劣的工作環(huán)境中。

趙亮等[8]對三水合醋酸鈉相變材料的過冷度調節(jié)方案進行研究，為其工程化應用提供了參考。趙亮等[9]數值模擬了不同納米材料與石蠟復合的相變過程，發(fā)現石墨烯納米片導熱強化效果最好。Saeed Tiari[10,11]數值模擬了不同幾何結構翅片與熱管相結合的強化方式對相變儲能結構儲放熱速率的影響。Wenqiang Li等[12]將微膠囊結構的相變材料填充在泡沫銅中，既解決了相變材料與泡沫銅的相容性，又提高了相變材料的導熱性能。

本文針對一個50 mm×50 mm×10 mm的鋁合金組件，內部填充石蠟與泡沫石墨組成的復合相變材料，通過數值模擬分析不同加熱功率和芯片面積對相變溫控組件相變溫控過程和液相組分的影響。

1 相變溫控模型的建立

1.1 物理模型

為了研究泡沫石墨與石蠟復合的相變材料溫控性能，建立如圖1所示的物理模型。相變溫控組件內填充體積為46 mm×46 mm×6 mm的相變材料，殼體采用2 mm厚的鋁合金材料，組件底部安裝加熱芯片，芯片的加熱功率分別設置為5、7、9、11、13、15 W，芯片面積分別為50 mm×50 mm，35 mm×35 mm，20 mm×20 mm，10 mm×10 mm。

圖1 物理模型

1.2 數學模型

采用焓-多孔介質模型模擬復合相變溫控組件中復合相變材料的熔化控溫過程并采用如下假設：

1）泡沫石墨各向同性，并且孔隙均勻分布；

2）液態(tài)和固態(tài)的石蠟均為各向同性，并且液態(tài)的石蠟為不可壓縮的牛頓流體，其密度滿足Boussinesq假設；

3）液態(tài)石蠟在多孔介質內的流動為層流，并且忽略相變時的體積膨脹。

1.3 泡沫石墨/石蠟復合相變材料的參數設置

數值模擬過程中泡沫石墨與石蠟采用的熱物性參數如表1所示。

表1 石蠟與泡沫銅的熱物性參數

2 不同加熱功率和芯片面積對相變溫控過程的影響分析

在不同條件下對泡沫石墨/石蠟復合相變溫控組件的溫度-時間變化情況進行模擬仿真，并對相變溫控組件溫度穩(wěn)定時間和溫升速率進行分析，結果如圖2、表2所示。

圖2 相同芯片面積不同加熱功率時的溫度-時間曲線

可以看出，不同加熱功率和芯片面積下相變溫控組件的溫度-時間曲線既有相同點又有不同點。

相同點在于不同條件下溫度隨時間變化的趨勢基本相同，均可分為三個階段。第一階段，芯片溫度呈直線上升，逐漸接近相變材料石蠟的熔化溫度85 ℃，這一階段石蠟未熔化，熱量儲存為顯熱儲存，泡沫石墨骨架的熱傳導起主導作用；第二階段，隨著芯片溫度接近石蠟的相變溫度，芯片溫度上升趨勢逐漸減緩，石蠟開始熔化并產生相變作用，芯片的溫度基本保持在石蠟熔點附近，在該階段芯片的溫度處于溫度穩(wěn)定期；第三階段，芯片溫度又繼續(xù)迅速升高，表明石蠟的潛熱儲存過程結束，熱量儲存又變?yōu)轱@熱儲存，使得溫升速率再次增加。

不同點在于當芯片面積一定時，隨著加熱功率的增加，第二階段溫度穩(wěn)定時間逐漸縮短且第一階段和第三階段溫度上升斜率越大，原因是功率的增大導致相變材料需要吸收的熱量增大，而石蠟體積一定，石蠟的熔化過程加快，溫控時間縮短。

當加熱功率一定時，不同芯片面積下相變溫控組件的溫度穩(wěn)定時間相差不大，因為功率一定導致了輸入的熱量一定，石蠟的熔化時間一定，表明芯片面積對溫度平衡時間影響不大。而在低功率（5、7、9、11 W）條件下，芯片面積改變時芯片溫升速率基本保持不變，在高功率（13 W和15 W）時，芯片面積增大時溫升速率下降，說明在較大功率條件下，芯片面積增大使得芯片與冷板的換熱更為充分。

3 不同加熱功率和芯片面積對相變材料液相組分的影響分析

在相同面積芯片不同加熱功率下對泡沫石墨/石蠟復合相變溫控組件的液相組分隨時間變化情況進行分析，結果如圖3、表3所示。

表3 不同芯片面積和功率下組件熔化時間對比

圖3 相同芯片面積不同加熱功率下的液相組分曲線

表 2 不同芯片面積和功率下芯片溫度穩(wěn)定時間和溫升速率對比

可以看出：

相同芯片面積不同加熱功率下相變溫控組件的液相組分隨時間變化的曲線與溫度隨時間變化曲線的變化趨勢相同，仍可分為三個明顯的階段，即相變材料未熔化階段、熔化階段和完全熔化階段，分別與相變溫控組件溫度時間曲線的三個階段相對應。

但在相同芯片面積時，隨著加熱功率的增大，相變材料的熔化時間開始越早，熔化結束時間也越早，相變材料完全熔化所需要的時間越短。同時，隨著加熱功率的增大，石蠟液相組分曲線變化的斜率也隨之變大，材料內部的溫度均勻性越好，表明增大加熱功率會提升相變溫控組件的傳熱速率，使更多的石蠟發(fā)揮相變作用。

在相同加熱功率時，改變芯片面積，石蠟熔化開始和結束的時間幾乎不變，小面積（10 mm×10 mm和20 mm×20 mm）時石蠟液相組分變化曲線斜率較大，而大面積（35 mm×35 mm和50 mm×50 mm）時石蠟熔化曲率最小。表明在相同加熱功率時改變芯片面積，增大芯片面積時可以提升相變溫控組件中相變材料熔化的速度，但芯片面積增大到35 mm×35 mm以上時，對相變材料的熔化速度影響不大。

4 結論

本文對不同面積芯片、不同加熱功率條件下泡沫石墨/石蠟復合相變溫控組件的相變溫控過程進行了數值模擬分析，可以得到以下結論：

1）不同芯片面積在不同加熱功率下溫度隨時間變化的趨勢基本相同。

2）當芯片面積一定時，加熱功率越大，石蠟的熔化過程加快，相變溫控組件的溫升速率增大，組件的溫控時間縮短。同時增大加熱功率會提升相變溫控組件的傳熱速率，使更多的石蠟發(fā)揮相變作用。

3）加熱功率一定時，芯片面積對溫度平衡時間影響不大，增大芯片面積時可以提升相變溫控組件中相變材料熔化的速度，但芯片面積增大到一定時時，對相變材料的熔化速度影響不大。