高温旋转环境下电子设备热设计探析

摘要：针对航空发动机轴上的测试电子设备在发动机舱内高温环境下的散热需求，文中设计一种外部隔热和内部吸热相结合的热控制结构来满足电子设备的正常工作需求，确保电子设备在250℃的高温环境中能持续工作60min，且电子器件的表面温度不超过规定使用的最高温度。相比其他的散热结构，外部隔热结合内部相变的防护结构具有不依赖于环境温度、成本低、结构简单、可随设备一同旋转的优点。采用热仿真软件ANSYS对隔热结构和相变结构建立模型、设定边界条件、添加材料热物理性能参数，然后进行数值模拟。软件仿真结果表明，文中所设计的热防护结构可以满足电子设备工作温度的需要。

关键词：热设计；电子设备；隔热防护；相变储热；高温旋转环境；热控制；热仿真

0引言

1995年Yeh提到，电子设备的故障中有55%是由于缺乏良好的温度控制引起的[1]。随着电子设备结构逐渐变得紧凑、小型化，电子元器件上的热流密度大大增加[2]。如果设备温度达到一定程度，就会导致元器件失效，使整个设备失效或损坏。电子设备热控制方法较多，如风冷、液冷、相变温控、隔热防护等。由于应用环境的限制，常规的风冷、液冷存在体积较大、对环境温度依赖较大、无法随电子设备旋转等问题，所以热控制选择外部隔热防护和内部相变储热。隔热防护通过使用传热系数低的功能材料减缓热量传递速度，保证一定时间内电子设备工作在适宜的温度。常用的隔热材料有无机隔热材料和有机隔热材料[3]。有机类包括酚醛泡沫复合材料、氧化铝陶瓷泡沫材料。无机类包括纤维类隔热材料、多孔性陶瓷材料以及气凝胶材料等[4]。由于SiO2气凝胶具有低密度、高孔隙率、低折射率，热导率仅有0.02W/（m·K），所以被广泛应用于航空航天、军工、石化、冶金、建筑等领域。20世纪90年代，美国ASPEN研究将气凝胶保温隔热材料应用于高超声速飞行器、飞机发动机等[5]，有效地阻止了热量的传递。何翔等人对多层隔热结构进行研究，得出隔热结构能够有效阻止环境热量传递到内部，使得内部温度达到需要[6]。相变材料在一定温度范围内可以发生相态变化，实现吸收或者释放热量的目的。完全相变前材料可以长时间维持在相变温度附近[7]。相变温控具有潜热大、可以选择不同熔点的材料进行温度控制的特点，减小了电子设备散热对环境温度的依赖。相变材料按照形态可以分为固⁃固相变材料、固⁃液相变材料、固⁃汽相变材料和液⁃汽相变材料等[8]，固⁃汽和液⁃汽相变潜热较大，但相变过程体积变化较大导致封装困难[9]。工程中常用固⁃固相变材料或固⁃液相变材料。石蜡具有潜热大、成本低、无过冷、化学性质稳定等特点，被广泛用于电子设备热控系统中。王虎军等人将相变冷板应用于弹载电子设备中，通过热仿真分析证明相变冷板有明显优势，可以满足热控制需要[10]。美国阿波罗15号月球车，月球通信中继单元装配了相变温控系统[11]。MarcHodes研究了用于手机的相变温控系统，手机以恒定3W的功率发热时，达到上限工作温度的时间延长了40min。高林星等人基于石蜡相变材料设计了可用于弹载电子设备的储热装置，在热功耗为45.3W、外部环境为60℃的条件下，储热装置具有明显优势[12]。基于航空发动机性能研究的需求，发动机舱内装有电子设备来采集和传输测试数据。由于发动机运行中会产生热量积累，导致发动机舱内热环境非常恶劣[13]，为了保证电子设备的稳定运行，需要对舱内电子设备进行热控制设计。针对航空发动机的电子设备在舱内高温环境中的工作需求，本文提出了一种采用外部隔热防护与内部相变吸热相结合的热控制设计，应用仿真软件进行了模拟仿真，结果表明，热控制结构可以保证电子设备稳定工作。

1热设计结构

整体结构如图1所示，支撑壳外径为Φ110mm，高为60mm，外部包裹有一定厚度的隔热材料。支撑壳内部空腔尺寸为70mm×70mm×50mm，用于存放相变材料盒对电子设备进行相变冷却。支撑壳通过螺栓与旋转轴的套筒锁紧，可以随轴转动。电子设备通过螺钉与相变材料盒壁锁紧。支撑壳及相变材料盒均为铝合金材料，隔热材料采用SiO2气凝胶，相变材料采用石蜡。为了减小相变材料液化后对发动机转轴的离心惯性力影响，同时提升热传导性能，在相变材料盒内部添加方形金属蜂窝骨架。

2隔热结构设计

2.1数学模型

进行模拟仿真前假设：沿隔热层水平方向的温度传递可以忽略，热量仅在厚度方向传递；隔热结构与环境不进行热交换。将隔热层的热传递问题转化为瞬态传热问题，温度分布满足瞬态传热方程：ρc∂T∂t=∂∂y()k∂T∂y（1）式中：ρ是密度；c是比热容；t是传递时间；y是厚度；T是y处的温度；k是导热系数。建立隔热层传热的几何模型，材料的热物性参数如表1所示。隔热层外壁为恒壁温条件，T=250℃，其他壁面为绝热壁面。

2.2仿真结果与分析

隔热层厚度分别为10mm，20mm，30mm，通过瞬态仿真计算，得出250℃的外部环境温度下持续60min的温度分布，如图2所示。由图2可知：当厚度为10mm，20mm，30mm，隔热层内侧温度分别为136.45℃，77.1℃，49.543℃，随着隔热层厚度增加，内壁温度越低，隔热效果越好；当隔热层厚度为30mm时，内壁温度为49.543℃，满足设计需求。

3相变储热结构

3.1结构设计

电子设备总热功耗P为5W，产生的总热量Q=P·t。假设隔热结构处在一个理想的绝热环境中，不考虑热源及相变材料的对外换热，热源发出的所有热量都被相变材料吸收。由于电子设备尺寸较小，相变盒的金属显热与相变材料的潜热相比可忽略不计，因此相变材料的用量m=QL，L是相变材料的潜热，可计算出m=112.5g。相变材料盒尺寸为70mm×70mm×50mm。

3.2数学模型

使用Fluent软件进行模拟计算，温度场求解基于焓⁃孔隙法，利用能量方程和融化/凝固模型建立固相和液相相统一的能量方程，控制方程为：连续性方程：∇(ρU)=0（2）能量方程：∂∂t(ρH)+∇(ρUH)=∇(K∇T)（3）H=h+ΔH=href+∫TrefTCpdT+ΔH（4）动量方程：∂∂t(ρU)+U∂∂t(ρU)=μ∂2U∂t2-∂p∂t+S（5）式中：U是流体速度；H是焓；h是显热；ΔH是潜热；p是静压；μ是黏度；S=A(1-β2)β3+εU，其中，ε=0.001，A=104~106，β是体积分数，β=■■■||||0,T<TsT-TsTl-Ts,Ts<T<Tl1,T>Tl。3.3仿真结果与分析电子设备内部温度与支撑壳内壁的温度变化一致，为使计算可靠，取最高温度60℃作为初始温度进行计算。选用相变温度为60℃的石蜡，在相变区间潜热为160kJ/kg，材料热物理性能见表1。要求电子设备在连续工作60min后，最高温度不超过80℃。建立三种模型，模型1内部无相变材料，模型2内部有相变材料，模型3加入蜂窝骨架。将电子设备上主要发热的功率芯片简化为8mm×8mm×3mm的热源，热源功率为5W，初始环境温度为60℃，忽略内部自然对流，采用Fluent进行模拟计算。求解器采用非耦合、隐式、二维的求解方法，物理模型采用非稳态、层流、固/液相变模型，采用SIMPLE算法来处理温度场和压力场的耦合。模型1的温度云图如图3所示，没有热控制手段时，热量会一直积累，60min后最高温度达到99.4℃，远远超过了电子设备要求的最高工作温度。当相变材料直接填充在盒内空腔中，相变材料通过相变吸热将产生的热量存储起来，60min后模型2的温度云图如图4所示，温度最高为75.6℃，满足电子最高工作温度的限制。当内部有蜂窝骨架，相变材料存储在蜂窝骨架中，经过60min后，模型3的温度云图如图5所示，最高温度为70.9℃，满足工作温度的要求。三种模型的温度曲线如图6所示。由图6可知：添加相变材料能够有效地吸收电子设备产生的热量，与无相变材料的情况相比，最高温度降低23.8℃；与有蜂窝骨架的相变材料盒相比，最高温度相差4.7℃。结果表明，添加蜂窝骨架的模型可以增大蜂窝骨架与相变材料的接触面积，能够有效增强热传导效率，使相变可以同时、均匀地发生，在完全相变前的相同时间里能够存储更多的热量，从而模型3的温度比模型2更低。

4结论

针对发动机舱内恶劣的高温环境下电子设备的工作需要，本文利用仿真软件对热控制结构进行模拟，结果显示所设计的热结构能够实现电子设备在高温环境下持续工作60min的需求。仿真结果表明：在外部环境温度为250℃时，隔热层材料越厚，内壁热流越小，温度越低，隔热效果越好；30mmSiO2气凝胶毡隔热层可在60min内保证设备内部温度不高于60℃；在相变盒尺寸不变的情况下，添加相变材料可以有效地吸收电子设备产生的热量；蜂窝骨架增强了相变材料的导热性能，使温度分布均匀。添加金属蜂窝骨架和相变材料的情况下，60min后电子设备最高温度为70.6℃。通过软件仿真验证了本文设计的热控制方案可以实现电子设备运行的需求。

作者:谭雯 沈三民 杨峰 单位:中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室