臨近空間電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)

謝明君 李姣姣

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和未來信息化作戰(zhàn)概念的不斷演化，“臨近空間”（20～100 km高度的空間）這一人類過去較少涉足的空域，其戰(zhàn)略價值逐漸受到關(guān)注。與衛(wèi)星相比，臨近空間飛行器的優(yōu)點(diǎn)是效費(fèi)比高、機(jī)動性好、有效載荷技術(shù)難度小、易于更新和維護(hù)。與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，臨近空間飛行器的優(yōu)點(diǎn)是持續(xù)工作時間長。傳統(tǒng)飛機(jī)的留空時間以小時為單位，臨近空間飛行器的留空時間則以天為單位，目前正在研制的臨近空間平臺預(yù)定留空時間長達(dá)6個月。由于臨近空間環(huán)境獨(dú)特（空氣稀薄，氣溫極低、氣壓低、臭氧和太陽輻射強(qiáng)，平均風(fēng)速低），使得在臨近空間工作的電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)具有其獨(dú)有的特性。本文針對臨近空間大功率電子設(shè)備的熱環(huán)境特性和工作要求，分析了常用散熱方案的特點(diǎn)，提出了合理的冷卻方案，對熱控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足了設(shè)備的散熱要求。

1 問題分析

某功放設(shè)備熱負(fù)荷為300 W，尺寸為150 mm×300 mm×30 mm，工作高度為海拔20 km，安裝在飛行器內(nèi)部平臺上，航行速度為40節(jié)。工作時熱功率密度為18 W／cm2，局部熱流密度過大，如果不能及時把設(shè)備產(chǎn)生的熱量帶走，會造成芯片短時間快速升溫，從而超出設(shè)備允許的工作溫度，無法工作。因此必須采用有效的熱控措施，保證功放正常工作。

1.1 熱環(huán)境特性分析

在海拔20 km高空處，氣溫－56.5℃，大氣壓力約5 500 Pa，密度為0.088 kg／m3，大氣很稀薄，密度約為地面的7%，氣流以水平運(yùn)動為主，垂直對流運(yùn)動很弱，大氣風(fēng)速隨緯度、季節(jié)和時間變化，評價約10 m／s；此外，空間大功率電子設(shè)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(qiáng)度約為1 300 W／m2，地球表面平均長波熱輻射強(qiáng)度約為220 W／m2［1］。

一些學(xué)者經(jīng)過大量試驗(yàn)證明［2］：在高空20 km高度時，在3 m／s的來流風(fēng)速下，一塊0.01 m高的翅片表面結(jié)構(gòu)的肋片式散熱器，翅片的對流散熱量明顯大于底板的對流散熱量，而翅片和底板對深空的輻射散熱量最低，如圖1所示。因此，最終熱沉為高空大氣，主要換熱方式為對流換熱。

1.2 散熱方案

以對流換熱為主的常用冷卻方案有自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱、液冷散熱等。

1.2.1 自然冷卻

圖1 高空20 km散熱板總散熱量的成分比例份額

自然冷卻適用于發(fā)熱量不大、風(fēng)路順暢、熱流密度較低的情況，一般不需要外動力，僅利用散熱器、通風(fēng)孔、百葉窗及發(fā)熱設(shè)備的合理布局，通過傳導(dǎo)、輻射、自然對流將熱量散發(fā)到大氣熱沉，是最簡單和最經(jīng)濟(jì)的方法，適用于發(fā)熱量不大或體積要求不高的電子設(shè)備［3］。

1.2.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱主要是借助于風(fēng)扇強(qiáng)迫器件周邊空氣流動，從而將器件散發(fā)出的熱量帶走的一種方法，該散熱方法操作簡便、收效明顯。風(fēng)冷散熱主要通過提高風(fēng)速、改善氣流紊流程度來增大對流換熱系數(shù)，此種散熱方案的優(yōu)點(diǎn)為重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高。

1.2.3 液冷散熱

液冷散熱是對電子元器件采用液體冷卻的方法進(jìn)行散熱。液體冷卻包括直接冷卻和間接冷卻。間接液體冷卻法就是液體冷卻劑不與電子元件直接接觸，而熱量經(jīng)中間媒介（如冷板等）從發(fā)熱元件傳遞給液體，液體經(jīng)過散熱器降溫后通過水泵的抽吸運(yùn)送到冷板，往復(fù)循環(huán)使用（圖2）。液冷散熱以其高效、緊湊、噪聲小等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，是高效冷卻技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

圖2 液冷系統(tǒng)示意圖

1.3 散熱方案選擇分析

高空20 km空氣密度僅為地面的7%，要達(dá)到與地面同等的散熱效果，需要將風(fēng)量或散熱面積增大到地面的14倍。低氣壓條件下風(fēng)扇容易損壞，為了提高風(fēng)量必然要加大風(fēng)扇的體積和功耗。綜合考慮后決定利用飛行器飛行時引入的沖壓空氣作為最終冷源。功放設(shè)備熱流密度達(dá)到18 W／cm2，功放散熱量為300 W，考慮空間熱輻射，取熱負(fù)荷Q＝400 W，需要不間斷連續(xù)工作，超出了自然冷卻能力的極限。由于艙內(nèi)設(shè)備排布緊密，無法將沖壓空氣引入有功放設(shè)備的有效散熱位置，因此采用液冷散熱方案。微型液冷系統(tǒng)由泵、換熱器、儲液器和冷板組成。工作原理如圖2所示：功放模塊把熱量傳遞給冷板，冷板里冷卻介質(zhì)吸收熱量升溫后，流經(jīng)換熱器進(jìn)行換熱，通過沖壓空氣和換熱器把熱量散到外部空間，冷卻后的介質(zhì)經(jīng)泵回到冷板，進(jìn)行下一個循環(huán)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是液冷導(dǎo)熱速度快，換熱效率高，可以實(shí)現(xiàn)多個電子元件的同時冷卻；另外，散熱器與功放設(shè)備可以分離，布置比較靈活。

2 液冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 冷卻介質(zhì)選擇

產(chǎn)品運(yùn)行環(huán)境為20 km高空，環(huán)境溫度為－56.5℃，為保證低溫環(huán)境下冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時滿足介質(zhì)熱容量大的要求，冷卻介質(zhì)選用65號冷卻液。

2.2 循環(huán)泵選型

根據(jù)液冷散熱設(shè)計(jì)原則，熱負(fù)荷為400 W，設(shè)計(jì)冷板進(jìn)出口冷卻介質(zhì)溫差3℃，計(jì)算得到所需流量為2.7 L／min。水系統(tǒng)阻力損失應(yīng)為冷板阻力損失、管路阻力損失、換熱器阻力損失之和，考慮到低溫狀態(tài)下65號冷卻液黏性較大，水泵的揚(yáng)程應(yīng)選擇0.3 MPa。

2.3 冷板表面最高溫度計(jì)算與仿真

在液冷系統(tǒng)中，冷板與功放模塊的散熱表面緊貼，主要作用是完成電子元件產(chǎn)生熱量與冷卻介質(zhì)的熱交換。冷板采用板翅式結(jié)構(gòu)，材料為鋁合金LF21，由上下蓋板、封條及內(nèi)部翅片組成。以三角肋翅片（圖3）和鋸齒翅片（圖4）作為導(dǎo)流翅片，起到導(dǎo)流、加強(qiáng)支撐、匹配流量的作用，以錯峰鋸齒翅片（圖5）作為換熱翅片，增強(qiáng)紊流程度，加強(qiáng)局部換熱，冷板使用夾具整體釬焊而成。

圖3 三角肋翅片

圖4 鋸齒翅片

圖5 錯峰鋸齒翅片

根據(jù)釬焊內(nèi)翅片冷板計(jì)算公式，可得冷板基于一次表面的傳熱系數(shù)K為：

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，冷板表面最高溫度不允許超過70℃，冷卻液最高溫度不超過47℃。將計(jì)算所得的冷板一次表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)代入仿真軟件ANSYS Icepak中，得到冷板表面最高溫度為65.3℃，如圖6所示，滿足溫度要求。

圖6 冷板溫度仿真云圖

2.4 散熱器設(shè)計(jì)

沖壓空氣的等效進(jìn)氣量約為0.004 5 kg／s。根據(jù)公式S＝0.86／（ΔT×a），求得散熱面積需要0.8 m3。散熱器采用銅管鋁翅片，最大外形尺寸為50 mm×50 mm×300 mm，等效散熱面積為1.15 m2。

在低氣壓溫箱內(nèi)進(jìn)行了相應(yīng)模擬試驗(yàn)，采用拓普TP9000溫度測試儀測量表面溫度。試驗(yàn)結(jié)果證明，冷板表面最高溫度為69.2℃，實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)接近，滿足模塊技術(shù)指標(biāo)要求，滿足臨近空間環(huán)境特性需要。

3 結(jié)語

針對臨近空間的環(huán)境特點(diǎn)和功放設(shè)備的實(shí)際散熱要求，對不同散熱方式進(jìn)行了分析，選擇了合理的散熱方案；對微型液冷散熱進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，利用沖壓空氣作為最終冷源，使用不同種類翅片搭配，設(shè)計(jì)制作了滿足換熱要求的冷板。相關(guān)計(jì)算和試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)滿足功放散熱要求，可為同類產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

［1］馬偉，宣益民，韓玉閣.臨近空間飛行器熱管理及熱設(shè)計(jì)方法［J］.宇航學(xué)報(bào)，2009（5）

［2］馬偉，宣益民，韓玉閣.臨近空間熱環(huán)境分析及低速飛行器的熱設(shè)計(jì)方法［J］.宇航學(xué)報(bào)，2010（5）

［3］白黎春.全密封發(fā)射機(jī)熱設(shè)計(jì)［J］.電子機(jī)械工程，2003（6）