电子设备相变热控组件数值仿真研究

摘要：本文根据某电子设备热控需求，设计了相应的相变热控组件，并利用Fluent中的焓-多孔介质模型对该装置的热控性能进行了数值仿真研究，分析了该热控组件的可行性。结果表明，所设计的相变热控组件在该电子设备上能够很好的达到初期所设定的热控目标，并且热控性能还有一定的裕量。

关键词：热控相变材料泡沫铜

1 引言

相变材料由于其稳定的化学性能、高储热密度和相变时恒温性好，在电子设备热控领域有着广泛的应用。经过多年的发展，相变热控技术越来越成熟[1]。从最初的单一相变材料到现在的复合相变材料，从单组元到多组元，研究范围越来越广泛。本文所用数值模型选择经过验证比较成熟的焓-多孔介质模型，研究对象为某电子设备热控系统，相变材料在这种短时间热控系统中有独特的应用优势。根据电子设备实际的工作情况完成模拟热源分布和热量加载，通过瞬态升温过程来研究初始设计的相变热控组件控温性能。主要关注各个芯片的温度变化、温度均匀性，分析初始设计相变热控组件的可行性，为电子设备的热控设计提供参考。

2 物理模型

某电子设备模块上的芯片分布及相变热控组件模型，芯片的尺寸和功率各不相同。电子元器件使用往往会受到温度的限制，为了保证该电子设备稳定可靠的工作，要求在开机后10分钟时间内芯片的温度不超过85℃。

相变热控组件所选用的相变材料为正二十四烷，正二十四烷具有密度小、潜热值大、性质稳定等优点。导热增强介质选择孔隙率为95%，孔密度为20PPI的泡沫铜，泡沫铜材料具有质量小，导热系数好等优点，封装壳体材料选择5250铝合金。

3 数学模型

4计算结果分析

图1为相变热控组件上各芯片温度随时间的变化曲线图。从图中可以看出，相变热控组件在10分钟内能够有效的将各种芯片温度控制在80℃以下。正二十四烷在230s时开始熔化，约400s时熔化结束。在整个熔化过程内，芯片的温度能够很好地保持在53℃至56℃之间。不同发热量的芯片的温度分布曲线保持着一致的变化趋势。尽管红色芯片的热流密度（17954.61 W/m2）与灰色芯片（2223.78 W/m2）之间相差了8.1倍，但由于铝合金壳体的导热系数较高，达到了202.4 W∙m-1∙K-1，能将热流均布到整个平面上，使得不同芯片间的温度差距并不会大，最大温差仅为3℃左右。

综合以上的分析可以看出，该热控组件能够满足热控的需求。并且热控组件在设计上还留了一定的裕度，完全能够达到提出的控温目标要求。

5 结论

本文选用正二十四烷作为相变材料，孔隙率为95%的泡沫铜为导热增强介质，采用焓-多孔介质模型中对热控组件进行了数值仿真研究，通过监测发热芯片的温度来评价相变组件的热控性能，得出了以下的结论：

（1）相变热控组件能够很好的达到初期所设定的热控目标，在10分钟内芯片的温度均没有超过80℃，并且热控性能还有一定的裕度。

（2）相变热控组件在温度均匀性上有很好的表现，各芯片温度变化一致，未出现热失控现象，

参考文献：

[1] 相变温控在电子设备上的应用研究[J]. 张芳，王小群，杜善义. 电子器件， 2007（05）： 1939-1942

[2] Novel Thermal Control Approaches for Mars Rovers[J] Birur G， Novak K. 2000