[发明专利]弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法

说明书

本发明公开的一种弹载瞬态热控电子模块复合相变冷板的设计方法，导热率，储热效率高，控温效果好。本发明通过下述技术方案实现：根据电子模块形状结构，模拟碳泡沫基体填充石蜡的融化过程温度场、流场及相界面移动规律，在电子模块冷板上设计制出容纳安装电子模块印制板和填充碳泡沫/石蜡相变材料的相变蓄热容器；将碳泡沫骨架平稳压入所述容器中，相变蓄热容器与密封盖板形成过盈量的封闭动热控；使用时，温度场和流场协同导热路径从碳泡沫上传递至相变材料的石蜡上，电子模块芯片发热通过冷板凸台传递到冷板上，再由冷板传递到碳泡沫上，热量进一步从碳泡沫上传递至相变材料的蜡上，器件热点温度所产生的热量通过金属底板向外界环境散发。

技术领域

本发明涉及一种主要应用于航天电子模块瞬态热控的碳泡沫/石蜡复合相变冷板。

背景技术本

用于装入电子设备机箱的电子模块散热用的电子模块冷板，其作用主要是将电子模块上芯片的热量传导到冷板上，冷板再通过直接风冷、液冷或将热量传导至机箱上的方式对电子模块进行散热。机载机箱模块有穿通风冷，强化传热和穿通液冷三种方式，这三种散热方式在弹载环境条件下大多数情况并不具备，并且弹载电子模块工作时间短，大多数情况并不需要上述稳态散热措施，而采用增大电子模块冷板热沉的方法是弹载模块热控的常用手段。

在本领域中，电子模块冷板分为纯金属冷板和相变材料复合冷板两种。其中纯金属冷板应用相较更为广泛，但是其具有重量重，吸收热量主要靠比热，不适合应用于弹载产品重量要求高，且起始温度高，温升区间窄的应用场景。相变材料复合冷板吸收热量则由两部分组成，分别为材料本身的比热和相变材料的相变焓。材料相变过程可以在短时间内吸收大量热量，非常适合在弹载环境下使用。

航天、弹载电子设备由于其自身的条件限制，工作环境初始温度高，无故障温度带窄，在有限工作时间内内耗高，散热条件缺失，多数情况下无法采用自然对流、强迫风冷却、循环水冷却、流水冷却、油浸自冷却、热管散热器冷等多种冷却方式。传统的金属热沉冷板，所能储存的热量取决于材料比热、冷板质量、温度变化区间。储热量公式为Q＝cmΔt，其中，Q为吸收的总热量，c为材料比热容，m为储热器质量，Δt为储热器在吸热过程中的温升。Δt越大则吸收的热量越多，反之越少。弹载产品通常在开始工作前，其初始温度就比较高，而器件的许用最高温度一定，因此Δt较小，能存储的热量有限。而相变储热的储热量由显热和潜热组成，显热为材料比热储热，潜热为材料相变储热，其吸热能力仅与填入的相变材料质量与相变潜热有关，且相变时理论上温度不升高。该特性决定了只要选定了合适的相变温度的相变材料，在特定较窄的温度变化区间范围内，采用相变材料能够储存更多热量。在本领域中，采用增大电子模块冷板热沉的方法是电子模块瞬态热控的常用手段。。目前，常用的自然对流冷却、强迫对流冷却、循环水冷却、流水冷却、油浸自冷却、热管散热器冷等多种冷却方式，具有优良的热循环性能和化学性能的石蜡类相变材料在航空航天领域中应用最为广泛，对于一个相变蓄热装置，当相变材料选定的情况下最为突出的问题是大多数相变材料，特别是目前选用较多的有机相变材料的导热系数都很低，换热性能差，使相变蓄热装置无法快速地进行热量的储存和释放。在几种相变材料的强化传热方法中，多孔介质泡沫材料由于高导热性能和面密度被普遍认为有很好的应用前景，当泡沫材料和相变材料复合成定形相变材料后，泡沫材料本身的毛细力和表面张力会防止熔化后的液态相变材料出现泄漏。，目前采用的多数相变材料PCM按相变方式可分为固一固、固一液、固一气和液一气相变型PCM四类。后两种相变潜热很大，但相变时体积变化也很大，使用时装置复杂，并非电子产品最佳选择。近年来开孔蜂窝金属泡沫的技术发展水平和热传递研究成果。采用多孔泡沫金属和膨胀石墨作为导热增强介质，以石蜡和六水氯化镁作为相变材料进行了相变强化传热，结果表明，在低温热能储存系统中填充泡沫铜和膨胀石墨可以提高相变材料的换热性能，加快熔化和凝固过程，减少蓄放热周期，泡沫碳相比于常见的膨胀石墨，有孔密度大、通孔率高、能够维持自身形状结构等特点。并且碳泡沫作为相变材料冷板的强化传热骨架，相较于以前的各类材料，可显著提高导热率，导热系数可从1W/mK～5W/mK提升到了40mK～150W/mK