小型水下作业设备相变热控技术研究*

杨小虎，郑召利，陈 凯，陈 列

（武汉第二船舶设计研究所热能动力技术重点实验室，湖北武汉 430205）

引 言

海洋蕴藏着丰富的资源，是科学研究、商业开采、国防军事等重点关注的区域。近年来，随着海洋开发力度的加大，水下无人作业设备（包括水下探测器、水下机器人、水下信号接收器、信号发生器、中继站等）得到迅速发展。海洋环境监测、海底地质勘探、水下科学考察、海洋资源开采、水下信号采集与传输、渔业活动等越来越依赖高性能水下作业设备的使用。

水下无人作业设备内部有大量的电子器件、电池、小型电机等功率设备和元器件，在其运行过程中不可避免地会产生大量的热量，这些热量如果不能被及时排出，将导致器件温度持续升高。过高的温度会影响功率器件的工作性能、使用寿命和运行稳定性，甚至会引发安全事故。因此，可靠高效的散热技术是水下无人作业设备持续、安全、稳定工作的重要保障。

小型水下无人作业设备不携带原动力系统，一般依靠电池提供驱动电力。设备体积小，重量轻，无法配备专门的散热系统，一般是直接通过设备壳体向外部水域排放多余热量。作业设备在水下处于运动作业状态时，壳体与海水之间对流传热，散热效果较好；但当设备处于水下静止状态时，壳体与海水之间通过自然对流散热，散热能力大幅降低。

近年来，随着海洋探测及开发活动的快速发展，水下无人作业设备不断向着多功能、智能化、长续航、大深度方向发展。设备内部功率器件不断增多，电池容量不断增大，相应地，设备内部总发热量越来越大，热失效问题日益凸显，特别是在设备处于静止状态时，微弱的自然对流冷却已不能满足其高散热需求。不同于地面或空间设备的散热，小型水下无人作业设备无法利用性能更好的强制风冷散热器散热。其散热瓶颈在于终端海水环境，若采用水冷技术，则又面临通海高压环境、腐蚀、需额外增设复杂泵阀管路等问题。因此，针对小型水下无人作业设备在海洋环境有限空间下的发热问题，急需研发更加简单高效的散热技术。

相变材料是在一定的温度或温度范围内发生固液相变的材料，其固液相转变过程往往伴随着巨大的潜热吸收或释放。利用这一特性，可以进行热能的储存和利用，可有效缓解工程实践中热能的供给和使用在时间和量级上的不匹配问题[1]，在太阳能储存与利用[2]、建筑节能、电网削峰填谷（夜间蓄冷蓄热）、余热回收利用、冷链物流等领域有着广阔的应用前景[3-5]。特别是在芯片热冲击防护领域，相变材料可用于瞬时性或间歇性工作的电子器件的温控[6-7]。芯片工作时，不可避免地会产生热量，相变材料吸收热量并熔化，同时芯片温度几乎保持不变，因此可以有效抑制芯片温升，防止器件过热；芯片停止工作后，相变材料将吸收的热量释放到周围环境中并凝固，为抵抗下一次热冲击做好准备。基于这一原理，相变材料可用在移动电子设备冷却、芯片热冲击防护、电动汽车电池包热管理、恒温服装、航天电子温控等领域[8]。

本文提出了一种小型水下作业设备储热模块，利用相变材料被动吸热方式对设备内部发热元器件进行散热，以解决现有的自然冷却技术方案无法满足大功率散热需求的问题。研究了不同热功率条件下相变储热模块的热控性能，并将其与原有的自然冷却方法进行了对比。研究了典型热功率条件下有机相变材料和金属相变材料的热控性能，揭示了两者的典型特征和热控效果。

1 模型与方法

1.1 水下作业设备相变热控模块

图1为本文构建的基于相变储热的小型水下作业设备示意图。为简便起见，这里以一个典型热功率元件为例进行建模，忽略其他器件、结构和设备。该模型主要包含5个部分：设备壳体、相变材料、发热元器件、热源封装结构和热传导结构。壳体为不锈钢球体结构，外径为110 mm，厚5 mm。壳体底部区域为中空结构，内部填充相变材料。热传导结构为铝制结构；发热元器件为圆柱状结构（Φ10 mm×20 mm）；热源封装结构为铜质材料，各材料的主要热物性见表1。

图1 水下作业设备相变热控模块简化模型

表1 结构材料主要热物性

发热元器件工作时产生的热量通过封装结构和热传导结构传递到设备壳体。相变材料封装于壳体结构内部，一方面吸收来自热源的热量，另一方面将部分热量传导至壳体外部，并通过自然对流的方式将热量排到周围水域，从而实现相变吸热和自然冷却耦合并行散热。当设备完成高功率作业、恢复常规低功率作业时，其发热量大幅减少，壳体通过自然对流冷却将发热器件产生的热量和相变材料吸收的热量同时排出。相变材料放热并恢复固相状态，以应对下一次高功率作业热冲击。

1.2 数值计算模型

采用焓法模型考虑相变材料固液相变传热过程，忽略相变材料液相区域的自然对流，因此只需求解传热方程。整个计算模型的总焓能量守恒方程为：

式中：ρ为材料的密度；k为材料的热导率；q为体积发热源项，除在发热元器件区域外，其他区域均为0；t为时间；T为温度；H是总焓，它包括显热焓hs和潜热焓La，即H=hs+La。

显热焓定义为：

式中：href是参考温度Tref下的焓；cp为比热容。

潜热焓与局部液相分数φ成正比，即La=φΔH（ΔH为PCM的熔化潜热）。对于固体结构区域，潜热焓为0。

这里采用的固液相变传热模型忽略了相变材料内部液相区域的自然对流及其引起的自然对流传热，将对流和相变耦合的传热问题简化为纯粹的热传导问题。在之前的数值模拟和实验研究[9-10]中已经证实：对于器件散热这类小尺度小温差问题，相变材料液相区域的自然对流传热相对于导热而言可以忽略，此时该模型具有很好的精度，且可以大大减少计算耗时。

仿真模型中忽略发热器件向周围空气域的传热，重点考虑其通过热传导结构向设备壳体和外界海水的传热，即将发热元器件外表面、热源封装结构外表面、热传导结构外表面及设备壳体内表面设置为绝热边界。设备壳体外部为静止水域，其温度T0为20°C，壳体与水域之间通过自然对流散热。按照球体外自然对流传热实验关联式[11]，当特征温差在20°C～50°C范围时，换热系数h在23.90～27.24 W/(m·K)之间变化。为便于计算，这里统一将换热系数h设置为恒定值25 W/(m·K)。假定整个模块的初始温度Tini为20°C（等温），发热元器件内施加大小均匀的热源项，其发热功率为P，本文考虑P为5～20 W时的工况。

相变材料有两种备选方案：低熔点金属相变材料镓和有机相变材料十八烷，两者的主要热物性见表2。

表2 典型的有机和低熔点金属相变材料主要热物性

2 结果与讨论

2.1 有机相变材料与金属相变材料性能对比

图2直观地展示了热源功率为15 W时不同时刻相变热控模块的温度云图（左半边）和液相体积分数云图（右半边）。使用镓作为相变材料时，在t为100 s，300 s，500 s时，热源温度T分别为58°C，69°C，76°C，相变材料熔化分数f分别为0.06，0.41，0.77；使用十八烷作为相变材料时，各时刻对应的热源温度T分别为69°C，99°C，120°C，相变材料熔化分数f分别为0.08，0.58，0.92。不难看出，镓的热控性能明显优于十八烷，这主要得益于其较高的热导率（比十八烷高出两个数量级）。此外，镓的体积熔化潜热为489 MJ/m3，十八烷的体积熔化潜热为177 MJ/m3。这意味着镓的储热密度更大，相同体积下能吸收更多的相变潜热，因此在相同时刻，镓的熔化分数小于十八烷，其持续作用时间更长。

图3定量地给出了热源平均温度和相变材料熔化分数随时间的变化曲线，并以不添加相变材料的情形作为基准参考。可以看到，镓基相变材料在其熔化过程中可以显著抑制热源温升，而十八烷相变热控模块反而使热源温度高于不使用相变材料时的温度。这主要是因为采用镓基相变热控模块时，热源热量在通过壳体时，一部分被相变材料吸收，另一部分通过壳体外表面传入周围水域，因而热源的温升受到抑制；而使用十八烷相变热控模块时，十八烷热导率较低，不仅影响了热量在内部的传递和吸收，还阻碍了热量向壳体外表面的传递，因而使得设备的散热性能恶化。以热源温度到达80°C的时间为评价指标，不使用相变材料时为219 s，十八烷热控模块只能持续158 s，镓基相变热控模块持续时间高达589 s，使得热源工作时间延长至采用自然冷却时的2.7倍。

图2 相变热控模块的温度云图（左半边）和液相体积分数云图（右半边）（P =15 W）

图3 热源平均温度和相变材料熔化分数变化曲线

2.2 不同热功率下金属相变模块的热控性能

从前面的结论可知，低熔点金属镓是理想的候选相变材料。这里针对镓基相变热控模块，研究其在不同热功率下的热控性能。图4直观地展示了使用镓基相变材料和不使用相变材料时设备的温度云图。在P为15 W，t为200 s，400 s，600 s，800 s时，无相变材料的热源温度分别为78°C，96°C，108°C，116°C，使用相变材料镓时，对应的温度分别为64°C，72°C，81°C，89°C，最大温度抑制效果达到27°C。

图5定量地展示了热源功率为5 W，10 W，15 W，20 W时，热源温度随时间的变化曲线。图6为对应的相变材料熔化分数曲线。热源功率从5 W到20 W变化时，相应的相变材料完全熔化时间分别为2 227 s，1 098 s，757 s，592 s。相变材料完全熔化时，有相变材料和无相变材料的热源温差达到最大，最大温差分别为15°C，22°C，27°C，30°C。也就是说，热源功率越高，相变材料镓的温度抑制效果就越明显。

图4 不同时刻设备的温度云图（P =15 W）

图5 不同热功率下热源平均温度随时间的变化

图6 不同热功率下相变材料熔化分数变化曲线

3 结束语

本文提出了一种小型水下作业设备储热模块，研究了典型热功率条件下相变储热模块的热控性能，并对比了不同类型相变材料的热控效果。结果表明：相比于原有的自然冷却方式，低熔点金属相变储热模块可将设备的正常工作时间有效延长至采用自然冷却时的2.7倍，起到较好的热防护作用；而有机相变材料由于传热性能差，反而阻碍了热量向外壳体的传递，恶化了设备的散热性能。本文提出的相变热控模块具有零功耗、储热密度大、工作性能稳定等特点。利用设备原有的壳体空间填充相变材料，不额外增加体积，不影响设备内部空间，可实现相变吸热和自然冷却耦合并行散热，有效防止设备内部器件或设备发生过热损坏，为水下无人作业设备持续、安全、稳定、高效工作提供保障。