[发明专利]电路板相变热控冷板参数的设计方法

说明书

本发明提出一种电路板相变热控装置参数的设计方法，步骤如下：首先确定电路板芯片尺寸、功率、控制目标温度、控温时间输入和要求。随后，利用能量守恒定律，假设芯片发热量被相变材料和金属结构件完全吸收，理论计算每个芯片控温时间内所需相变材料体积。在此基础上，对每个芯片建立相变热控数学模型，根据传热模型和温度分布情况，优化单个芯片对应的相变材料填充横截面积与厚度。最后，设计整板相变热控装置参数，按区域面积加权取相变材料整体填充厚度，再按区域面积进行补偿，并建立数学模型，进行数值模拟验证，达到目标控温温度和控温时间，则得到最优设计值。本发明提出基于数值模拟、结合了能量守恒和相变传热特性分析，对每个芯片热控先分别设计，后整体分区域优化的电路板相变热控装置设计方法，有效提升设计的科学性，实现产品的小型化、轻量化和低成本设计。

技术领域

本发明涉及电子设备热控领域，具体涉及一种适用于电路板相变热控冷板参数的设计方法。

背景技术

目前，随着电子设备功能的增加，性能不断提升，电路板芯片产生的热量也在不断增加，加之航空航天领域电子设备恶劣的工作环境，长时间在极端温度环境下工作会引起电子设备失效，因此运用先进的热控技术保证电子设备在恶劣环境下处于一个合适的温度范围，以满足产品在不同环境下的使用需求，具有重要的意义。

相变温控技术作为一种新兴的被动热控技术，具有设备性能可靠、质量轻、不耗能等优点，非常符合航空航天电子设备的特殊要求。它利用相变材料(PhaseChangeMaterial，PCM)相变过程潜热大、温度变化小的特点，吸收控温对象的热量，降低其温升速率，延长正常工作时间，提升其可靠性。

相变温控冷板是将特定的相变材料和相关制品以某种制造技术封装在金属腔体内得到的冷板，是实现相变温控技术应用的具体实物。该冷板在外部环境温度剧烈变化时，可以给发热器件营造舒适的微气候。由于电路芯片通常对工作温度区间有很高的要求，而相变温控组件又特别有利于实现对发热设备的恒温或温度区间控制，因此可以有效的保障设备正常工作。在国外，相变温控冷板已经在火星探测器的电池，低地球轨道卫星空间大平面相控阵天线上得到了应用，国内在某些航空航天设备的电子模块上也已经开始了初步应用。

当前工程上在设计相变温控冷板时，通常是以热源的总发热功率和发热时间作为输入，将该总发热量作为相变温控冷板所需吸收的总热量，再除以相变材料潜热，得出所需的相变材料体积。随后在电子模块结构件上设计出相应体积的空腔用于填充相变材料。该设计方法往往能满足热控性能的要求，但在要求设备轻量化、小型化、低成本的今天，该方法存在以下明显缺陷：

1)热控性能设计大量冗余

当前的设计考虑热源所有的发热功率全部被相变材料吸收，忽略了金属结构件升温、相变材料在升温至相变阶段、部分相变材料相变完成后继续升温所吸收的热量，造成设计值远大于实际所需值，使得热控性能设计出现大量冗余。

2)不具备小型化、轻量化的特点

热控性能设计的大量冗余，相变材料填充量远大于实际所需量，使得产品体积尺寸较大，重量较重。对于航空航天等对产品尺寸、重量具有严格要求的领域，该方法设计的产品很难满足小型化、轻量化的要求，应用性大打折扣。

3)设计手段简单粗暴，不够科学精密目前工程上的方法只是从能量守恒的角度去设计所需相变材料的填充量，从总体的要求或是安装接口的角度考虑去设计产品外形尺寸。该方法没有从传热的角度去进行设计，忽略了相变热控冷板整体的传热特性，没有考虑到冷板内相变材料的传热特性、温度分布情况，也没有对相变材料填充区域的截面积、填充厚度进行深入分析。

4)成本较高

传统方法设计造成的冗余，使得相变材料填充量较多，当前具有高导热率的复合相变材料单价较高，冗余的材料填充将使得产品成本明显增加。

发明内容