復合相變溫控組件循環(huán)特性試驗研究

蘇欣

（西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

引言

相變溫控方式屬于被動式溫控，是一種基于相變儲能技術(shù)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(xiàn)對電子設(shè)備的溫度控制[1]。目前國內(nèi)外對相變材料在不同條件循環(huán)條件下的性能變化問題已經(jīng)有了一些研究[2,3]。Anant Shukla[4]等對3類不同的石蠟進行相變試驗后得到經(jīng)過1500次加速熱循環(huán)后的石蠟相變溫度和相變潛熱的變化；AhmetSar[5]等研究了月桂酸-硬脂酸、肉豆蔻酸-棕櫚酸、棕櫚酸-硬脂酸共晶混合物作為潛熱儲存材料的熱性能，并通過360次的加速熱循環(huán)試驗研究了這些材料的熱可靠性；楊致遠[6]對癸酸-月桂酸二元復合相變儲能材料0、800、1600、2400、3200、4000次加速熱循環(huán)試驗后的相變溫度和相變潛熱進行了研究；宋雪陽[7]等對三水醋酸鈉的循環(huán)融凍熱穩(wěn)定性進行了研究；李玉洋[8]對正辛酸-肉豆蔻酸復合相變材料進行40次、80次的循環(huán)充放冷實驗，發(fā)現(xiàn)其相變溫度和潛熱值均未發(fā)生明顯變化。

目前的研究成果主要還是集中在對相變材料的研究上，對相變材料封裝后形成的組件在熱循環(huán)后的性能變化研究還比較少，本文以泡沫石墨/高碳醇復合而成的相變溫控組件為研究對象，搭建循環(huán)特性試驗臺，對該相變溫控組件在高低溫循環(huán)前后的性能變化進行試驗研究。

1 循環(huán)特性試驗臺的設(shè)計及實現(xiàn)

1.1 循環(huán)特性試驗臺組成

本文采用的循環(huán)特性試驗系統(tǒng)主要由四部分組成，如圖1所示。

圖1 循環(huán)特性試驗臺組成

1）測試組件部分：某電子設(shè)備中兩塊填充泡沫石墨/高碳醇的復合相變溫控組件；

2）熱源供應(yīng)部分：包括模擬電路板、模擬熱源兩部分，用于模擬相變溫控組件實際使用過程中的發(fā)熱情況；

3）采集部分：包括T型熱電偶及對應(yīng)的溫度采集卡和工控機三部分，用于測量試驗過程中相變溫控組件的溫度變化情況；

4）環(huán)境部分：高低溫實驗箱，用于在試驗過程中提供高低溫環(huán)境條件。

1.2 模擬熱源的設(shè)計

電子設(shè)備工作過程中實際發(fā)熱芯片在不同工作狀態(tài)或時間工作過程中功率隨時間變化而變化，而芯片理論設(shè)計一般給出額定最大輸出功率，與理論值偏差較大，因此實際電路板上各芯片的運行功率很難獲得。

為能提供其真實運行功率，采用反求工程的思想，通過控制加載到加熱電阻電壓，使得模擬電路板上各模擬芯片發(fā)熱情況與實際芯片吻合，進而實現(xiàn)通過模擬芯片對實際芯片發(fā)熱狀況的復現(xiàn)。具體步驟包括：

1）對兩種電路板芯片實際工作過程的溫度曲線進行實驗測試，得到真實的溫度曲線數(shù)據(jù)；

2）采用模擬芯片在不同輸入電壓下的功率進行對比實驗，得到不同條件下芯片溫度隨時間變化的溫度數(shù)據(jù)；

3）對比真實電路板芯片與模擬芯片的升溫曲線，不斷調(diào)整每個模擬芯片的輸入電壓，最終實現(xiàn)實際電路板芯片發(fā)熱溫度曲線的模擬重現(xiàn)。

基于上述方法最終建立的模擬熱源如圖2所示，該模擬熱源共包括20路直流電源，可通過調(diào)整每路直流電源的輸入可實現(xiàn)對電路實際工作過程中的模擬。

圖2 模擬熱源實物

2 循環(huán)特性試驗過程

2.1 試驗步驟

用高低溫試驗箱模擬環(huán)境條件對復合溫控組件進行高低溫循環(huán)測試，并采集復合相變材料組件上的溫度變化曲線，具體試驗流程包括：

1）將環(huán)境溫度降到-55 ℃，保持0.5 h，升溫到-45 ℃，保持0.5 h，然后升溫至80 ℃維持1 h，啟動模擬熱源對相變溫控組件進行加熱，直至測點最高溫度達到100 ℃，關(guān)閉模擬熱源，記錄模擬熱源加熱過程中相變溫控組件的溫度變化情況，將環(huán)境溫度冷卻至60 ℃，保溫4 h，完成第一次小循環(huán)實驗。

2）將環(huán)境溫度再次上升至80 ℃并維持1 h，啟動模擬熱源進行加熱，記錄模擬熱源加熱過程中相變溫控組件的溫度變化情況，直至測點最高溫度達到100 ℃，關(guān)閉模擬熱源，待環(huán)境溫度再次降為60 ℃，保溫4 h，完成第二次小循環(huán)試驗，如此重復進行，共進行20次小循環(huán)試驗，完成第一次大循環(huán)試驗。

3）將環(huán)境溫度降至-55 ℃，重復進行第二次大循環(huán)試驗，共進行5次大循環(huán)試驗，共計100次試驗。

2.2 試驗數(shù)據(jù)處理方法

為直觀的判斷相變溫控組件內(nèi)相變材料的相變情況，采用文獻[9]的方法進行分析，其中相變起始與完成點可以從圖3溫升曲線的始末轉(zhuǎn)折點獲得，兩點中間的區(qū)域即是材料的相變溫區(qū)。

圖3 等效潛熱的表征

3 試驗結(jié)果分析

對復合相變溫控組件進行高低溫循環(huán)試驗后試驗數(shù)據(jù)如圖4、表1所示。

從圖4、表1數(shù)據(jù)可以看出：

表1 復合相變溫控組件1和2 循環(huán)特性試驗數(shù)據(jù)

圖4 復合相變溫控組件1和2 循環(huán)特性試驗數(shù)據(jù)

1）從溫度來看

對于模塊1，最初3次循環(huán)過程中相變起始和終止溫度變化不大，起始溫度變化了-1.12 %，終止溫度變化了0.26 %；最后3次循環(huán)過程中相變起始溫度略有降低，變化了-1.47 %，而相變終止溫度略有升高，變化了0.51 %；最初3次起始和終止的平均值與最后3次的平均值相差不大，分別變化了-1.04 %、0.55 %。

對于模塊2，最初3次循環(huán)過程中相變起始和終止溫度變化不大，起始溫度變化了1.08 %，終止溫度變化了1.39 %；最后3次循環(huán)過程中相變起始溫度略有降低，變化了-2.32 %，而相變終止溫度略有降低，變化了-0.45 %；最初3次起始和終止的平均值與最后3次的平均值相差不大，變化了-0.64 %、-0.87 %。

表明通過循環(huán)試驗，兩塊復合相變溫控組件的相變起始溫度和終止溫度相差不大，相變過程保持穩(wěn)定。

2）從相變潛熱的變化來看

對于模塊1，最初3次循環(huán)過程中相變潛熱略有增加，變化了5.68 %，最后3次循環(huán)的相變潛熱變化不大，變化了1.72 %，最初3次的相變潛熱平均值與最后3次循環(huán)相變潛熱的平均值相差不大，僅變化了2.96 %；

對于模塊2，最初3次循環(huán)過程中相變潛熱略有增加，變化了6.11 %，最后3次循環(huán)的相變潛熱變化不大，變化了-7.03 %，最初3次的相變潛熱平均值與最后3次循環(huán)相變潛熱的平均值相差不大，僅變化了-1.71 %；

表明通過循環(huán)試驗，兩塊相變溫控組件的相變潛熱變化不大，材料的潛熱比較穩(wěn)定。

因此，采用泡沫石墨/高碳醇形成的復合相變溫控組件在高低溫循環(huán)前后性能不會發(fā)生退化，可以滿足高低溫循環(huán)使用要求。

4 結(jié)論

本文通過搭建循環(huán)特性試驗臺，并對復合相變溫控組件進行了高低溫循環(huán)特性試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行了分析，可以得到以下結(jié)論：

1）通過循環(huán)試驗，兩塊相變溫控組件的相變起始溫度和終止溫度相差不大，最初3次起始和終止的平均值與最后3次的平均值僅變化了-0.64 %、-0.87 %。相變過程保持穩(wěn)定。

2）通過循環(huán)試驗，兩塊相變溫控組件的相變潛熱變化不大，最初3次的相變潛熱平均值與最后3次循環(huán)相變潛熱的平均值僅變化了2.90 %和-1.71 %，材料的潛熱比較穩(wěn)定。

3）采用泡沫石墨/高碳醇形成的復合相變溫控組件在高低溫循環(huán)前后性能不會發(fā)生退化，可以滿足高低溫循環(huán)使用要求。