1. 相變傳熱

相變冷卻的傳熱過程比一般的傳熱模式復雜得多。

相變表示為以下過程：

a.固體變為液體--熔化

b.液體變為蒸汽--蒸發，也可沸騰

c.蒸汽變為液體–冷凝，

e.液體變為固體--結晶，或冷凍

f.固體變為蒸汽–升華

g.蒸汽變為固體–沉積

舉例來說，在絕對零度以上的任何溫度下，液體中的分子都在不斷運動。其中一些分子的速度將高于平均值。如果其中一個高速分子的能量大于內聚力，分子就可以通過液體表面“逃逸”，這就是蒸發。由于這些速度更高的分子比其余分子含有更多的能量，所以能量的減少會導致本體液體冷卻。

如果液體在密閉的外殼中，逸出的分子就會充滿空氣空間。一些“逃逸”的液體分子甚至會重新進入液體。最終，從液體中逸出的分子數量等于重新進入液體的分子數量。當這種情況發生時，我們稱空氣空間為飽和蒸汽。由于分子在這個外殼內施加壓力，我們稱之為飽和蒸汽壓。如果我們增加空氣空間內的壓力，或減少空氣空間的體積，蒸汽將包含比它所能容納的更多的流體顆粒。然后我們可以說我們已經使蒸汽過飽和了。

如果外殼的壁突然冷卻，我們會再次使蒸汽過飽和。隨機移動的液體分子撞擊冷卻的外殼壁，會離開蒸汽狀態，返回液體狀態，形成冷凝。這也是一個相的變化—從氣相到液相。

升華的過程發生在材料從固相直接變為氣相時。與升華相反的是沉積，即氣相直接轉變為固體。

材料的三相點是溫度和壓力條件的組合，在這些條件下，材料可以同時以固態、液態和氣態存在。水在4.58 Torr 時具有0.01°C的三相點，如下圖所示。升華點是指材料以固體和蒸汽形式存在的溫度和壓力。臨界點是沒有任何壓力會導致蒸汽液化的溫度。當分子移動得如此之快，以至于內部內聚力不足以形成表面時，就會發生這種情況。

當物體吸收能量時，物體將顯示出由物體比熱定義的溫度升高。我們稱這種溫度升高為顯熱。另一種形式的熱是潛熱，物體通過潛熱吸收能量，但溫度不會升高。汽化潛熱高于聚變潛熱，是因為分子在氣體中的間隔比在液體中的間隔更遠。

由于這些過程涉及流體介質，通常將其歸類為對流過程。此外，相變期間的熱傳遞并不總是隨著介質溫度的變化而發生。事實上，可以在溫度變化非常小的情況下實現非常大的熱傳遞速率。這就是相變傳熱的吸引力之一。此外，與自然或強制對流相比，增加溫差可能會導致傳熱系數降低。由于變量的數量，沒有準確的通用方程或相關性可供使用。在可用的方程中，大多數都有一個隨表面特性變化的經驗值，必須通過實驗進行評估。但在沒有實驗驗證的情況下，這些相關性的準確性可能只有50%。

盡管相變傳熱尚未廣泛用于電子冷卻，但隨著部件熱通量的上升，物理定律表明高端冷卻技術將從風冷到液冷再到相變。

2. 彈載相變傳熱仿真

相變材料可以被用于許多專門的電子冷卻應用中，如在大多數情況下，瞬態功率應用，如導彈中使用的瞬態功率應用實現了這些好處。正如我們所看到的，在相變過程中，材料可能只需少量的溫度升高就可以吸收大量的功率。對于導彈等應用，相變材料的機載封裝可以吸收電子封裝釋放的熱量，而不需要專用的冷卻系統。相變材料吸收熱量并熔化。根據熱量和相變材料的質量，冷卻效果將持續到所有材料熔化。相反的效果是，當材料將潛熱釋放給周圍環境時，就會發生凍結。冷凍效應的應用可能出現在短時間在大氣層外飛行的導彈中，在重返大氣層之前，可能需要保護電子封裝免受太空的極端寒冷。

隨著技術的發展，對導引頭制導性能和抗干擾性能的要求有了很大的提高。一些高功率芯片也得到了應用，芯片的熱耗增加了。另一方面，在導彈飛行過程中，由于與外界空氣的劇烈摩擦，整流罩蒙皮的溫度急劇上升。隨著導彈飛行速度和飛行時間的不斷增加，外部環境變得更加嚴峻。內外部的相互作用使彈載導引頭面臨著非常復雜的熱環境，其熱可靠性逐漸成為影響導引頭性能的重要因素。仿真計算模型如下圖所示。

熱量通過熱傳導從連接環傳遞到框架底部，來自頻率合成器、電源和信號處理器的熱量傳遞到框架外圍。功率放大器模塊產生的熱量被下面的相變散熱器吸收。內部和外部的熱量相互耦合，最終完成了電子艙的散熱過程。

根據連接環處隔熱性能的不同，選擇兩組典型曲線作為系統的輸入條件，如下圖所示。

不考慮相變散熱器和電子艙內部熱源的影響，輸入和輸出如下圖所示。

加強型隔熱曲線下框架內部線的溫差為13.6°C，而普通曲線的溫度為19.4°C。因此，框架不同位置的溫度梯度是明顯的，并且隨著熱量的增加，溫度梯度會變得更大。對于安裝在框架上的模塊，需要考慮不同位置之間的溫差，并做出合理的分布。

仿真計算時變溫度邊界條件對相變散熱器的影響，無論電子艙中熱源的影響如何，都使用增強的隔熱曲線作為輸入。相變散熱器在不同時間的溫度分布如下圖所示。隨著框架溫度的不斷升高，散熱器在350秒時發生了相變，底部的四個角在400秒時完全熔化。由于頂部表面沒有熱源，熱量只能從底部向頂部傳導，因此頂部表面的溫度分布相對均勻。在400s內，頂面基本保持在相變溫度，這對安裝在其上的功率放大器模塊起到了一定的隔熱作用。從上面的分析來看，即使沒有內部熱源，相變散熱器在外部氣動熱的傳導下也會釋放出一部分潛熱。

綜上所述，在氣動熱的影響下，連接框架的溫度呈現出明顯的梯度分布。框架上中心線的溫差可以達到19.4°C。在增強連接環處的隔熱性能后，內壁的溫度降低了約21°C。由于框架的溫度不均勻，局部溫度會高于相變材料的熔化溫度，并會損失一些潛熱，熱設計中應考慮該部分的消耗量。

文章來源CAE工程師筆記