王晨程，刘 涛，张孟旋，刘庆运

(安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山 243000)

0 引言

随着电子技术的快速发展，芯片集成度和模块组装密度得到了大幅提升，导致了机箱内部的热流密度居高不下，为了使机箱可以正常安全地使用，要求机箱具有良好的散热性能[1]。研究表明，在允许使用温度范围以外，电子元器件的温度每升高10 ℃，其失效率就会增加一倍左右[2]。因此，如何保证机箱内部电子元件在指定的环境下稳定、可靠地工作，散热设计成为必须考虑的重要因素之一。近年来，各类高校和科研机构广泛地开展了电子设备散热优化仿真技术的研究。任恒等[3]对某密闭机箱的结构布局进行了优化，设计了一种利于功率器件散热的结构，仿真结果表明采用强迫风冷散热方式，能够将主要功率器件的壳温降至85 ℃以下。李玲娜等[4]通过计算某机载密闭机箱与外部空气自然对流冷却下的热流密度值分析了机箱的散热性能，优化了机箱结构和内部布局，使机箱具备了良好的对流散热性能。王飞等[5]采用水冷板和流道对某驱动控制器进行散热，实验验证了其良好的散热能力。以上介绍的多种散热方法，均为一般环境下的散热研究，但对核辐射环境而言，由于箱体外部辐射尘埃及内部控制器热特性比较复杂，常规的散热方法已不能满足使用要求。为了满足破拆机器人内部控制器在复杂环境中的散热要求，还需要对控制器的散热方法做进一步改进。

1 破拆机器人控制器散热机箱建模

1.1 结构设计

该机箱按防护功能分为核防护模块和控制器热防护模块两个模块。第一个模块是控制器的核防护模块，为减少核辐射带来的危害，控制器机箱采用双层结构设计，机箱最外层为铝合金壳体，壳体内嵌入一个8 mm厚度的铅盒，铅盒的作用是屏蔽外部环境的核辐射以及阻挡辐射尘埃。第二个模块是控制器热防护模块，主要利用TEC和相变材料给控制器内部的发热部件降温。机箱的外形尺寸为长350 mm、宽320 mm、高160 mm，控制器内部芯片最高允许温度为95 ℃，机箱的抗辐照强度为30 Sv/h、累积剂量为100 Gy，机箱的结构如图1所示。

图1 机箱结构

控制器内部功耗器件利用Icepak中Block块模型建立，其内部热耗分布如图2所示。

图2 控制器内部热耗分布

图2中，A1～A7为控制器内部的发热件模块，A1～A7的具体功耗见表1。

表1 控制器内部各发热件模块热耗表

1.2 散热方式

控制器内部芯片在工作时产生的热量几乎占据了整个机箱的全部热量，因此在散热设计中控制器的散热需要重点考虑。把控制器置于密封箱内，密封箱由铅板和铝合金组成，由于石蜡有一定的中子屏蔽能力，且有较大的蓄热能力，选用石蜡相变材料作为填充物。TEC半导体制冷片冷端通过一种导热硅脂贴附在控制器的外壳壁上，热端通过相变材料吸收热量，保证TEC的制冷性能。从整体设计来看，半导体制冷与相变材料的相变吸热是实现控制器内部芯片降温的主要方法，TEC和相变材料布局示意图如图3所示。

图3 TEC和相变材料布局示意图

2 相变材料几何建模及TEC工作特性分析

2.1 相变材料几何建模

从传热的角度来看，石蜡熔化过程中的固液相问题的本质是相变传热，也被称为Stefan问题[6]。对于相变材料，焓法以蓄热材料的温度和焓一起作为求解变量，这样可以在整个区域建立统一的能量方程，其控制方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：ρ为液态相变材料的密度；u、v分别为液态相变材料的速度在x方向上和y方向上的分量；μ为动力黏度；λ为导热系数；Cp为比热容；p为压强；Su、Sv分别为x方向上和y方向上的动量源项；H为相变焓；Sh为能量源项。

关于焓的表达如下：

H=h+ΔH.

(5)

ΔH=βL.

(6)

(7)

其中：h为显热；ΔH为相变过程中吸收或者放出的反应热；β为液相分数；L为相变潜热；Tl为材料的液相温度；Ts为材料的固相温度。

2.2 TEC工作分析

TEC半导体制冷器的基本单元是半导体电偶。将一个N型半导体和一个P型半导体组成一对热电偶，它们的帕尔贴效应比其他金属强，能够在节点处表现出明显的制冷作用，其工作原理如图4所示。

图4 热电制冷器原理

TEC冷端制冷量Qc(W)为：

Qc=2N{αITc-[(I2B)/(2G)]-kΔTG}.

(8)

其中：N为热电偶对数；α为塞贝克系数，V/℃；I为TEC输入电流，A；Tc为TEC冷端温度，℃；B为TEC阻率，Ω·cm；G为TEC几何系数，又称G因子，即热电偶截面积与高度的比值，cm；k为热电偶对热导率，W/(cm·K)；ΔT为TEC冷热端温差，℃。

3 热仿真分析

3.1 边界条件

(1) 环境参数。气流入口边界条件，模型进口边界给定空气的平均风速为0.5 m/s，环境温度设定为55 ℃。

(2) 材质。机箱外壳材质为铝合金，屏蔽材料设置为铅，部分导热金属部件采用紫铜以提高导热系数。

TEC：根据具体的TEC产品型号，将电流、电压和热电偶对数等参数输入到软件自带的TEC模块。

石蜡相变材料：因为相变过程是瞬时发生，物性参数也跟着发生变化，用等效比热容法和等效导热系数法进行模拟，相关参数如表2所示。

表2 相变材料物性参数

纯液相和纯固相区域物性参数分别为常数，在两相糊状区对其进行线性处理，计算公式如下：

(9)

(10)

其中：a、b、c、d为常数，根据石蜡相变材料的熔点确定。

3.2 仿真结果分析

为验证模型的可靠性，进行了对比仿真实验。环境温度设置为55 ℃，利用ANSYS Icepak软件对设计的散热结构进行数值模拟，得出了方案的热仿真结果。无散热辅助结构的控制器内部温度分布云图如图5所示。

图5 无散热控制器内部温度分布云图 图6 控制器外部温度分布云图 图7 控制器内部温度云图

环境温度设置为55 ℃，添加了设计的散热模型的热仿真温度分布云图如图6、图7所示。

由图5仿真结果可见，在没有提供散热防护的措施下，控制器内部芯片最高温度达到了105.2 ℃；由图6和图7可知，当提供了设计的散热防护结构时，集中在控制器内部的热量明显减少，内部芯片最高温度仅为80.1 ℃。

4 结语

利用热仿真软件Icepak分析，不加散热模式下，环境温度为55 ℃，控制内部温度明显增高，达到了105.2 ℃，超过了控制器使用的温度条件。通过对比发现，添加了散热模型的热模拟结果表明，在环温55 ℃下，功放芯片温度分布在70 ℃和81.1 ℃之间，该器件最高功率芯片的最高温度为80.1 ℃，低于最大允许温度95 ℃，满足电子元件在高辐射高热环境下稳定可靠的工作要求。