相变材料导热强化及其在高温测井仪热管理中的应用研究

在航空航天、国防军工、石油勘探等领域,电子器件经常面临高温环境,与常温环境不同,高温环境器件散热条件恶化,对热管理提出了更高的要求。然而,目前针对高温环境的热管理研究比较缺乏。本文将以典型的工作在井下200°C高温环境的测井仪为研究对象,从真空绝热和相变储热两方面展开高温环境电子器件热管理研究。采用实验与数值分析相结合的方法,对影响绝热及储热性能的关键因素进行分析。通过制备新型复合材料,优化隔热及储热性能,最后实现测井仪热管理系统应用。主要研究内容及创新点如下:1、从机理上对真空隔热与相变储热传热过程进行分析,建立了真空多层传热模型与非稳态相变传热模型,实现了真空隔热与相变储热系统优化设计。主要结论如下:(1)当真空度达到10~-33 Pa时,残余气体导热可以忽略不计;当反射屏层数超过30层时,真空层有效导热系数几乎不变。(2)非稳态相变传热模型最大误差不超过11%,有利于指导相变储热模块优化设计。2、提出了新型复合相变材料制备工艺,解决了石蜡导热系数低及无法实现长时间连续储热的不足。主要研究内容及结论如下:(1)采用石蜡取代传统有毒溶剂超声剥离膨胀石墨制备了石墨纳米片/石蜡复合相变材料,首次发现超声剥离时间与导热系数的非线性关系并从机理上解释了这一现象。当填充4 wt.%的石墨纳米片,石蜡导热系数由0.3 W/m·K增大到3 W/m·K。(2)提出了一种导热增强型模块化相变储热单元,实现了线上储热-线下放热的工作模式,避免了缓慢的再凝固过程,有利于实现长时间连续储热。3、采用细乳液聚合法制备了导热增强型纳米相变胶囊,解决了石蜡导热系数低及相变过程容易发生泄露的问题,并将纳米相变胶囊应用于潜热功能流体强化换热。主要结论如下:(1)纳米相变胶囊导热系数为0.912 W/m·K,与原始相变材料相比提高了527%,为目前同类型研究最高值,相变潜热和封装效率分别为136.8 J/g,60.4%。(2)纳米相变胶囊热稳定性显著提高,相变过程无明显泄露。(3)与传统的单相流体相比,质量分数为20%的潜热功能流体,在80 W热功率下降低热源温度12.1°C,对流换热系数提高11.5%。4、提出了一种被动式热管理系统,实现了真空隔热技术和相变储热技术应用,有效解决了测井仪在高温环境的热问题。主要结论如下:(1)仪器内部器件温度在6h可以控制在125oC以内。(2)建立了测井仪系统传热模型,实现芯片温度预测,最大误差不超过15%。