臨近空間大功率電子設備的熱設計*

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081)

1 引 言

隨著臨近空間(20～100 km)飛行器應用技術的發(fā)展，電子設備等有效載荷在飛行器上的應用日趨廣泛，為了保障設備的正常工作，必須做好相應的熱控措施。由于臨近空間環(huán)境獨特(空氣稀薄；氣溫極低，變化復雜；氣壓低；臭氧和太陽輻射強；平均風速低，20 km區(qū)平均風速最小),使得直接工作在臨近空間的大功率電子設備熱設計面臨一個新的挑戰(zhàn)。臨近空間熱環(huán)境特性與地面有明顯的差異，臨近空間大功率電子設備所采用的熱控措施、熱仿真分析模型與地面設備有顯著的不同。

本文針對某臨近空間大功率電子設備的熱環(huán)境特性和工作要求，提出相應的熱控措施，對其熱控系統(tǒng)進行了詳細設計，利用Icepak軟件進行了熱仿真分析，得到了滿意的結果。

2 熱環(huán)境特性分析

臨近空間大致包括大氣的平流層、中間層和部分電離層區(qū)域。平流層距地面高度12～50 km,環(huán)境特性受地面的影響較小,大氣中雜質很少,幾乎沒有水汽凝結和霧、雨、雹等氣象變化,只有微弱的上下對流。中間層距地面50～80 km,該層溫度先升后降,上下對流非常明顯。電離層距地面60～100 km,該層內帶有高密度的帶電粒子,大部分氣體由于高溫發(fā)生電離。在臨近空間所跨越的三類大氣層中,相比而言,平流層的環(huán)境特性更適合臨近空間飛行器的“生存”。本文中的熱分析是針對20～50 km高度的平流層熱環(huán)境特性。

在北半球中緯度地區(qū),臨近空間約20 km高度處，其主要環(huán)境特點：大氣壓力約5.5 kPa，密度為0.088×103kg/m3，動力粘度μ=1.67×10-5m2/s，溫度約-57℃；氣流以水平運動為主，垂直對流運動很弱，大氣風速隨緯度、季節(jié)和時間變化，20 km高空處風速約為10 m/s；此外，空間大功率電子設備還要承受來自太陽短波輻射及地球-大氣系統(tǒng)長波熱輻射的外熱流，其中太陽輻射強度約為1 300 W/m2，地球表面平均長波熱輻射約為220 W/m2[1]。

考慮熱紅外波段的大氣傳輸,由于平流層上方大氣稀薄,水蒸氣、CO2等對長波吸收本領強的物質顯著減少。較近地面的紅外大氣傳輸而言,平流層以上部分的大氣對長波的輻射熱阻顯著減小,熱源與深空背景的“輻射換熱”作用顯著,可以將平流層上方大氣看成是熱輻射的“透明體”[1]。

3 大功率電子設備熱設計

3.1 大功率電子設備的工作模式與熱控要求

某工程大功率電子設備(熱耗280 W)作為臨近空間飛行器(20 km高度)的有效載荷，安裝在飛行器平臺外壁面上，直接裸露于太空中，要求能連續(xù)工作48 h，其基座的可靠工作最高溫度不超過+75℃。由于空間限制，該設備體積很小，工作時發(fā)熱功率密度較大，其中最大發(fā)熱功率密度為16.2 W/cm2。熱分析表明，在不采取熱控措施的情況下，大功率電子設備工作時會快速升溫，超過設備允許的工作溫度會出現(xiàn)故障，必須采取有效的熱控措施。

3.2 熱控策略

本項目熱控設計的基本思想是在滿足大功率電子設備工作要求的前提下力求簡單、可靠，盡可能采用成熟的熱控技術和實施工藝，以保證熱控系統(tǒng)的高可靠性[2]。熱控制策略如下：

(1)臨近空間空氣稀薄，氣壓較低，不利于對流散熱，設備不同部件間的換熱主要依靠傳導，設備到空間環(huán)境的換熱主要依靠輻射；

(2)臨近空間大功率電子設備在白天工作時，受到較強的太陽短波熱輻射，需采用隔熱罩進行熱隔離，并在隔熱罩表面涂上低短波吸收率、高長波發(fā)射率的有機熱控涂層；

(3)用高傳熱特性的部件，把表面積較小、高熱功率密度的熱源轉換到表面積較大區(qū)域，以降低熱功率密度；

(4)散熱部件的表面涂高輻射發(fā)射率的涂層，以提高向環(huán)境的散熱效率。

3.3 熱控系統(tǒng)設計

大功率電子設備熱控系統(tǒng)模型如圖1所示，主要從以下3方面設計：

(1)熱隔離。在大功率電子設備的外圍設置隔熱罩，從而減小太陽輻射對其的影響；

(2)熱控涂層。在隔熱罩的外表面噴涂短波吸收率為0.17、長波發(fā)射率為0.87的SR107白漆，而在隔熱罩內表面、大功率電子設備殼體、安裝底板表面等部位均噴涂高發(fā)射率的無光漆，以利于輻射散熱；

(3)低熱阻途徑。設計熱管散熱器，通過熱管等傳熱通道將大功率電子設備工作時產生的熱量傳導至散熱器，熱量再經由散熱器輻射到外空間。在熱傳遞路徑上各部件的接觸安裝表面均涂導熱脂，降低熱阻提高熱傳導效果。

圖1 大功率電子設備熱控系統(tǒng)模型

熱控系統(tǒng)設計的核心部分是熱管散熱器設計。由于大功率電子設備工作在惡劣的臨近空間，對流散熱幾乎無法實現(xiàn)，只能靠傳導和輻射，而其耗熱集中，熱流密度高達16.2 W/m2，采用傳統(tǒng)的散熱器已遠不能滿足散熱要求，利用熱管極高的導熱性、等溫傳熱性，可有效地散熱，設計工作的重點是要設計出滿足散熱要求、外形尺寸適當、安裝接口適宜的專用熱管散熱器。

熱管散熱器模型如圖2所示，散熱通道見圖3。為了減小傳導接觸熱阻，大功率電子設備殼體底座和散熱器基板銑制成一體，將熱管的蒸發(fā)段通過焊接鑲嵌在基板內，熱管的冷凝段與各散熱器翅片焊在一起，散熱器翅片通過低溫釬焊焊接到基板上。為了提高散熱器輻射能力，對散熱器表面進行陽極氧化以提高其發(fā)射率。

圖2 熱管散熱器模型

圖3 大功率電子設備散熱通道示意圖

4 熱仿真

為了在設計階段就獲得對熱設計效果的評估，用熱分析軟件Icepak對該設備熱設計模型進行了仿真。利用Icepak軟件現(xiàn)有模型庫中機箱、裝配體、熱源、散熱器等命令，建立熱控系統(tǒng)分析模型。首先進行參數(shù)設定，設定一種密度為0.088×103kg/m3的新流體，它的熱容和熱傳導率只相當于空氣的1/14，并定義環(huán)境溫度、壓力、風速、各模塊材料特性、熱源耗散功率等邊界條件。另外，該問題的求解也與常規(guī)問題不盡相同，在此也特別強調一下，Icepak采用的是Fluent的求解器。在計算純的傳導和輻射問題，要達到最終的收斂，需要將殘差設定得比較小一些，也就是把高能量方程的精度提高到10-17。在仿真過程中，利用Icepak軟件提供的Optimization功能，重點對熱管散熱器參數(shù)進行優(yōu)化設計，其目標是在保證散熱器最高溫度不超過75℃情況下散熱器的熱阻最小。將散熱器肋片的厚度、肋間距、肋高等參數(shù)設為變量，并給變量賦一系列值，Icepak將同時計算出變量取不同值時散熱器的熱阻值，并通過比較得出最優(yōu)結果。

由Icepak熱分析軟件得出熱控系統(tǒng)最優(yōu)結果，熱管散熱器基板溫度分布圖如圖4所示，最高溫度為+70.17℃，滿足基座最高溫度不超過+75℃指標要求；另外，由于鑲嵌在基板中的熱管起均溫作用，致使整個散熱器基板溫度差很小，約為4℃，這樣很好地解決了高功率密度散熱問題。該結果表明，所采取的熱控策略正確，熱控系統(tǒng)設計合理。

圖4 熱管散熱器基板溫度分布圖

5 試驗驗證

按上面的熱設計方法進行結構設計，在整機加工調試完成后，按照環(huán)境試驗要求進行低溫低氣壓環(huán)境試驗、臨近空間環(huán)境模擬試驗。通過試驗證明，設備工作正常，并通過預埋的溫度傳感器探測到大功率電子器件基座溫度為+71℃，該數(shù)值和仿真設計數(shù)據(jù)接近，滿足+75℃可靠工作的基座最高溫度指標要求，滿足臨近空間使用需求。

6 結束語

臨近空間大功率電子設備熱設計的基本任務是在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻的通路，保證熱量順利傳遞出去，以滿足設備在臨近空間飛行器上的應用與可靠運行。本文根據(jù)大功率電子設備的臨近空間熱環(huán)境和工作特點，以傳導和輻射為其主要傳熱方式設計了熱控系統(tǒng)，并采用熱隔離、熱控涂層、低熱阻途徑等熱控策略以提高其傳導和輻射換熱效率。通過Icepak熱分析軟件分析驗證了其熱控效果，優(yōu)化設計了熱管散熱器。試驗驗證表明，臨近空間大功率電子設備熱設計是合理的，滿足其溫度可靠性工作要求，對臨近空間環(huán)境的各類高功率電子設備的熱設計有一定的指導和借鑒作用。

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