段燕波 王 维 王 珏 黄荣进 李来风 周 远

(1 中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所) 北京 100190)

(2 中国科学院大学 北京 100049)

(3 松山湖材料实验室 东莞 523808)

(4 中国航天科工集团第二研究院 北京 100854)

1 引 言

随着通信设备的发展,高性能,小型化的高温超导滤波子系统对低温环境的需求也逐渐放宽,散热问题现在依旧靠传统的风冷来解决。小型低温制冷机作为高温超导滤波器子系统的重要组成部分,主要为滤波器提供一个稳定的低温环境,保证滤波器的灵敏度和稳定性。

小型低温制冷机由直线压缩机、连接管及冷指组成[1],工质在压缩腔中被压缩时会产生大量的压缩热,这部分热量通过压缩机壳体,冷指热端向外部环境进行排放。由于这部分热量在有限时间内不能及时排出,导致压缩机和热端温度急剧上升,从而导致压缩机效率降低,冷头制冷效率下降,无法维持滤波器所需的温度稳定性,进而会降低整个系统的运行寿命和性能。为保证滤波子系统中的低温源稳定,需要让制冷机温度维持在一定范围内[2]。Tang 等人[3]于2017 年设计了一款基于自然对流,丙酮为工质的冷却翅片可散热功耗为130 W,用于蒸汽室大功率LED的热管理;Zhong 等人[4]于2020 年针对太阳能集热器设计了一款铝型材的散热翅片,在自然对流的条件下,可散热负荷达到40 W。

本研究应用Comsol 软件对散热翅片进行稳态仿真模拟,在不同的加热功率和不同模式散热结构下得到了其散热达到稳态时的温度分布,同时通过实验手段对具体的散热结构进行测试验证仿真模型的准确性,最后分析了不同工况下的热阻以及其散热特性,提出优化方案。

2 仿真模型建立及模拟

2.1 高温超导滤波器子系统及散热翅片三维模型

利用SolidWorks 软件根据实物建立了用于高温超导滤波器子系统中压缩机和冷指散热的翅片三维图,如图1 所示。主要散热部分为压缩机壳体以及冷指热端,通过热桥将发热部位和外部散热壳体连接,将热量传输至外部散热壳体上经过空气自然对流散出。

图1 小型低温制冷机热量产出示意图Fig.1 Schematic diagram of heat output for cryocooler

2.2 建立边界条件及假设条件

将模型导入Cosmol 软件中进行模拟分析,压缩机功率为2—12 W 可调,因此将模型简化为图2 所示,即散热铝板和一个热源。

此翅片模型采用三维稳态热传导模型为[5]:

式中:λ为导热系数,W/(m·K);为x方向的温度变化率,为y方向的温度变化率,为z方向的温度变化率。

模拟中所采用的自然对流传热系数利用公式[5]进行计算:

式中:h为自然对流换热系数,W/(m2·K);S为翅片间距,m;L为翅片长度,m;H为翅片高度,m;ΔT=Th-Tamb为翅片表面平均温度与环境间的温差;β为热膨胀系数,1/K;k为空气热导率,W/(m·K);ν为运动粘度,m2/s。所有空气状态参数均为膜温度(T=(T)amb+Th)/2) 对应的状态参数。

对各个部件进行材料物性设置,采用Cosmol 软件中自带的划分网格方式对模型进行网格化处理,模拟中采用如下假设条件:

(1)压缩机和冷指热端排放的热量认为全部由翅片和空气自然对散出;

(2)忽略子系统中其它微弱发热部件(如电源)散出的热量;由散热翅片具体情况以及实验环境的具体条件,将此模型边界条件设置如下:模拟中设置环境温度为23 ℃,自然对流传热系数设置为5 W/(m2·℃);采用第三类边界条件求解,即:

(3)考虑散热翅片对外散热时的辐射换热,铝制翅片的辐射系数默认为0.3 且不随温度改变而改变(室温下为0.3);

(4)采用稳态求解方式进行求解,即模拟过程是在翅片达到稳态(只考虑其稳态解)热平衡的条件下模拟的。

2.3 模拟结果与讨论

如图2 所示,采用Comsol 软件对单纯采用铝制翅片散热进行模拟。功率变化区间为2—12 W,可以观察到除中心加热区域以外,其他区域内温度分布较为均匀,功率越大时其温度分布越不均匀。同时由图3 可以看出在环境温度为23 ℃时,随着加热功率的增加,铝制翅片的最低和最高温度基本呈线性增加,且随着加热功率的升高,翅片热源位置和翅片末端的温差是逐渐上升的。为避免热源处温度升温过快,需要更加有效地将热量散出。

图2 12 W 和10 W 加热功率时温度分布Fig.2 Temperature distribution at 12 W and 10 W heating power

3 实验测试装置

实验装置如图4 所示。主要包括散热翅片,石墨烯导热膜,加热电源及数字多用表。热源采用一个电阻为50 Ω 的加热电阻,石墨烯导热膜平面导热系数高达802 W/(m·K),为清晰地分析其曾增强热扩散的能力,观察了其SEM 图,如图3 所示,可以清晰地看到,其为层状结构,总厚度约为0.3 mm。面内热导率高是由于多层μm 级的薄膜叠加而成,便于其在面内传导热量,最终达到增大扩热量的目的。翅片温度测点如4 所示,关注温度的最大值和最小值,翅片中心热源附近有温度计。其温度定义为Th和Tl表示铝翅片的中心热源温度和翅片末端温度;Ths和Tls分别表示铝-导热膜翅片的中心热源处温度和翅片末端温度。

图3 加热功率对温度的影响分析Fig.3 Influence of heating power on temperature

图4 石墨烯导热膜SEM 图及翅片温度测点分布Fig.4 SEM image of graphene thermal film and distribution of fin temperature measurement points

4 结果和分析

4.1 实验结果

图5a 为加热功率12 W,环境温度为23 ℃时,无高导热石墨烯膜的铝制翅片升温曲线。从图中可以看到,热源附近温度Th升温速率很快,而翅片末端温度Tl温度响应有部分缓慢。最终在此工况下最高温度稳定在58.2 ℃,最低温度稳定在53.3 ℃。在达到稳态后整个铝制翅片存在最大温差 为5 ℃左右;同样的,如图5b 所示,当把加热功率设定为10 W 时,达到稳态后其最大和最小温度分别稳定在51.5 ℃和45.9 ℃,最大温差稳定在为5.6 ℃左右。由于单纯采用铝制翅片时热扩散性能没有达到理想状态,还存在一定优化的空间。为了提高给滤波子系统压缩机和热端散热的能力,尝试将高导热石墨烯贴在铝制翅片的背面以增加其热扩散能力,提高散热效率。

如图5a 所示,采集了增加导热膜之后的温度分布,可以发现在30 min 内翅片温度急剧上升,在达到稳态后热源附近温度点Ths稳定在54.9 ℃,翅片末端温度Tls稳定在48.5 ℃,最大温差为6.4 ℃左右;同理,图5b 中当功率为10 W 时,最高温度Ths和最低温度Tls分别为48.8 ℃和43.6 ℃,温差稳定在5.3 ℃左右。对比图5 a 和图5 b 中的Th和Tl可以看到,当增加导热膜后最高和最低温度都有明显降低,功率为12 W 时,最高和最低温度分别降低了3.3 ℃和4.8 ℃;功率为10 W 时,最大和最小温度分别降低了2.7 ℃和2.3 ℃。且在图5b 中,功率为10 W 时,铝翅片温度Th和Tl达到稳态的时间大约为80 min,而铝-导热膜翅片温度Ths和Tls达到稳态时间为40 min,增加导热膜后,将达到稳态的温度缩短了50%,可见增加导热膜后散热能力有一定的增强,尤其当功率更大时其效果会更加明显。

图5 加热功率12 W 和10 W 时翅片温度分布Fig.5 Fin temperature distribution for heating power of 12 W and 10 W

图6 中展示了在不同功率下翅片的最大和最小温度,可以看到,无论是铝翅片还是铝-导热膜翅片,在2—6 W 内,其温差有微小的增加,在8—12 W 范围内,其温差明显增加。总体来看,温度随功率增加呈线性增加,与模拟结果基本一致。且无论最高温度还是最低温度,铝-导热膜翅片都比单独铝翅片有一定程度的下降,也说明导热膜是有助于增强其散热能力的。

图6 不同加热功率下翅片稳态温度分布Fig.6 Steady-state temperature distribution of fins under different heating powers

如图7a 所示,为进一步研究该散热器在不同散热工况下的散热特性,在不同的热负荷下对其进行了测试。在2—8 W 范围内其稳态温度与图6 中稳态温度基本一致,有部分差别是由于环境温度的微小差异造成。在不同功率下,散热翅片表面没有明显的温度异常的情况。如图7b 所示,在10 W-8 W-10 W变功率条件下,测试了导热膜-铝翅片8 W-10 W 间的散热特性。在不同的功率下其表现没有明显异常,散热特性良好,表明在不同的工况条件下其有良好的散热能力。经过10 W-8 W-10 W 热循环,铝-导热膜翅片依旧能保持良好的散热能力,同时也证明铝-导热膜翅片对于滤波子系统的散热能起到良好作用。

图7 不同加热功率下导热膜-铝翅片变功率特性Fig.7 Fin power characteristics under different thermal loads

4.2 两种形式的散热翅片性能评价

测试系统中翅片和环境之间传热的最大热阻Rs以是评价散热翅片的重要指标。其定义如下:

式中,Rs为总热阻,℃/W;Q为热流量,W;Th和Tl分别为翅片上最高和最低温度,℃。

不同热负荷下两种翅片和环境之间的传热热阻如图8 所示。结果表明,铝翅片和铝-导热膜翅片和环境之间的传热热阻均随着加热功率增加而降低,在2—12 W 热负荷范围内,两种翅片的最大和最小总热阻分别为4.5 ℃/W、3.05 ℃/W、2.93 ℃/W 和2.58 ℃/W,且铝翅片的总热阻均大于铝-导热膜翅片,同时也证明了铝-导热膜翅片散热能力是强于单独铝翅片的。

图8 不同加热功率下翅片总热阻Fig.8 Total thermal resistance of fins under different heating powers

5 结 论

设计了一种用于高温超导滤波器子系统中低温压缩机散热的铝-导热膜热扩散器,在自然对流的条件下对铝散热器和铝-导热膜散热器进行了热特性仿真和实验研究,将两种不同模式的翅片进行了对比研究,得到如下结论:在自然对流散热方式下,铝翅片在热源附近的最高温度为58.2 ℃,翅片末端最低温度为53.3 ℃,可耗散的热负荷为12 W,铝-导热膜翅片在热源附近的温度为54.9 ℃,翅片末端温度为48.5 ℃,可耗散12 W 热负荷;铝-导热膜翅片比传统翅片的最高温度和最低温度都有明显优势,可明显改善翅片升温情况;对两种翅片进行了评价,发现两种翅片和环境之间的传热热阻随热负荷增加逐渐降低,但铝-导热膜翅片的传热热阻一直低于铝翅片,最大相差1.45 ℃/W。未来可以通过进一步降低热阻来进一步提高滤波子系统的散热能力。