一種高性能柔性導熱帶設計

姜峰 孔林 柏添 李強

(長光衛(wèi)星技術有限公司，長春 130000)

隨著航天科學技術的發(fā)展，航天遙感相機得到快速發(fā)展，同時對圖像的清晰度有了更高的要求。活動焦面組件是遙感相機的關鍵部件，為了獲取更高質量的圖像，熱控總體設計需要保證活動焦面組件的溫度及溫度穩(wěn)定性[1]。

小功率活動焦面組件，一般采用輻射換熱方式就可以實現散熱設計。隨著焦面組件上集成的電子元器件越來越密集，功耗也越來越高，輻射換熱方式的換熱效率低，導致焦面組件上集成的電子元器件工作溫度不能滿足要求。活動焦面組件都安裝移動調焦機構，用于在軌修正離焦量，焦面電箱的活動性使熱管無法直接安裝在焦平面組件上。另外，活動焦面組件需要采用剛度較小的連接方式實現結構解耦，連接組件質量要足夠小，以避免焦面組件變形，影響成像質量。為此，國內外提出采用導熱帶(Thermal Strap)這種柔性高效熱傳遞方式實現焦面與散熱器高效熱耦合連接，降低冷、熱端溫度梯度，提升焦面組件溫控能力，實現功率較大活動焦面組件與外界的高效換熱。

目前，國外采用一種名為K1100的柔性超強導熱碳纖維材料實現活動焦面組件散熱設計；國內近幾年也開展普通柔性石墨導熱帶相關研究，但是此類導熱帶采用單向導熱路徑設計，石墨層數設計超過50層，導熱帶質量、振動及剛度均較大。由于導熱帶截面方向導熱性極差，石墨導熱帶超過20層，導熱帶的導熱性能隨層數增加極其緩慢，且剛度會隨石墨導熱帶層數設計增加快速增大，僅可用于小功率精度要求較低的活動焦面組件。因此，國內亟待開發(fā)應用于大功率(300 W以上)高精度活動焦面組件的高性能導熱帶[2-4]。本文設計一種高性能柔性導熱帶，采用高效傳導換熱方式，具有高導熱性、低剛度等特點，可解決活動焦面組件散熱設計及溫度控制問題，提高空間遙感相機成像質量及成像時長。

1 柔性導熱帶設計

柔性導熱帶主要由剛性端子和主體段柔性導熱帶等組成。其工作原理為：熱剛性端子與活動焦面組件連接，將焦面組件產生的熱量通過安裝接觸面?zhèn)鬟f到熱端剛性端子。熱剛性端子通過接觸面將熱量傳遞給主體段柔性導熱帶，主體段柔性導熱帶以同樣的方式將熱量傳遞到冷剛性端子，冷剛性端子與散熱器連接，通過這種高效熱耦合連接方式將傳遞的熱量通過散熱器排散到外界環(huán)境中?；顒咏姑娼M件需要調焦移動時，焦面連接導熱帶的熱端與冷端剛性端子通過柔性導熱帶產生相對運動[5]。

本文設計的高性能柔性導熱帶，主要應用于活動焦面組件散熱，既能夠滿足300 W以上導熱能力需求，又能滿足大功率高精度活動焦面組件的質量及剛度約束。首先設計超高導熱性、低剛度柔性主體段，通過一體化雙向導熱路徑設計思想，減小導熱帶層數，降低導熱帶質量，同時能大幅度提高柔性主體段的導熱性并降低剛度。然后，考慮活動焦面組件的安裝方式，設計具有超小質量與高導熱性的剛性端子，并對剛性端子進行導熱與輕量化聯合設計。

1.1 主體段柔性導熱帶設計

主體段柔性導熱帶選用50 μm石墨導熱膜層疊粘貼的制作方法，導熱帶的長度、寬度、粘貼層數是根據活動焦面組件熱耗及溫度要求進行詳細設計。由于受導熱帶(多層石墨導熱膜)層間導熱率及剛度限制，與普通導熱帶不同的是，本文導熱帶的最大層數設計不超過10層。由于導熱膜層間導熱系數不確定，因此導熱帶(多層石墨導熱膜)等效導熱系數按導熱膜平面與層間導熱系數進行等效計算，再通過試驗修正等效導熱系數。主體段柔性導熱帶采用回型設計(普通導熱帶均為條形帶狀)，可使質量減小、導熱性能增加1倍以上，剛度減小約50%。

1.2 剛性端子設計

圖1為剛性端子設計，主要由上下剛性夾具組成，夾具材料選用高導熱率的鋁。為減小主體段柔性導熱帶與活動焦面組件之間的接觸熱阻，采用導熱墊安裝。剛性端子上下夾具設計M3螺釘安裝，保證主體段柔性導熱帶具有足夠的安裝壓力。剛性端子上設計有安裝槽和壓緊凸臺，其尺寸和形狀根據活動焦面組件及主體段柔性導熱帶安裝接口條件設計，非安裝面上設計有減重槽，質量設計不超過120 g。

圖1 剛性端子設計Fig.1 Rigid terminal design

剛性端子和主體段柔性導熱帶整體組裝如圖2所示，組裝后對主體段柔性導熱帶采用聚酰亞胺薄膜封裝處理，以保證導熱帶的高潔凈度。

圖2 柔性導熱帶Fig.2 Flexible thermal strap

1.3 導熱性能計算

導熱性能是指柔性導熱帶熱端剛性端子與冷端剛性端子之間的熱阻值，熱阻值越小，導熱性能越好。柔性導熱帶的熱傳導計算公式[5]為

(1)

式中：λ為導熱系數；A為主體段導熱帶截面積；δ為主體段柔性導熱帶長度；ΔT為溫差；H為導熱率；R為熱阻。

柔性導熱帶兩端通過高效熱傳導方式傳遞的熱量Q與材料的導熱系數λ、截面積A及溫差ΔT成正比，而與主體段柔性導熱帶長度δ成反比。

柔性導熱帶熱阻為主體段柔性導熱帶與兩剛性端子串聯熱阻之和，即

RZ=RS+RJ+RL

(2)

式中：RZ為柔性導熱帶熱阻；RS為主體段柔性導熱帶熱阻；RJ和RL分別為熱端剛性端子和冷端剛性端子與主體段柔性導熱帶之間的熱阻，熱端與冷端剛性端子與主體段柔性導熱帶安裝方式設計一致，熱阻RJ與RL相等，只需要計算其中一個熱阻值。

熱端和冷端設計為鋁剛性端子，厚度設計為1.5 mm，剛性端子自身傳導熱阻忽略不計，主要熱阻為剛性端子與主體段柔性導熱帶間的接觸熱阻。接觸熱阻計算[5]如下。

(3)

式中：rc為接觸導熱系數，與剛性端子與主體段柔性導熱帶安裝方式有關，本文采用填充導熱脂安裝，根據導熱接觸導熱系數選取標準rc為0.001 m2·℃/W；A1為主體段柔性導熱帶與剛性端子安裝接觸面積。

柔性導熱帶熱阻是按設計的主體段柔性導熱帶尺寸和層數，根據式(4)計算。

(4)

式中：λ1為導熱帶等效導熱系數，與導熱膜平面內導熱系數、導熱膜截面導熱系數有關，根據參考選取等效導熱系數為900 W/(m·℃)，并通過試驗結果修正；主體段柔性導熱帶長度δ按照熱端和冷端剛性端子中間位置之間的距離計算。

整理可得柔性導熱帶熱阻計算公式為

(5)

為了避免剛性端子接觸熱阻限制主體段柔性導熱帶的導熱性能，剛性端子設計足夠大的接觸面積，端子接觸熱阻設計小于主體段柔性導熱帶熱阻的1/5。柔性導熱帶熱阻根據實際需求設計，整體導熱性能主要由主體段柔性導熱帶決定。

2 熱仿真分析

某衛(wèi)星活動焦面組件要求柔性導熱帶安裝后活動焦面組件與散熱器之間的等效導熱率(熱阻倒數)大于0.4 W/℃，3個方向的剛度小于20 N/m，振動響應放大倍數小于1/10。表1為根據以上要求設計的柔性導熱帶組件尺寸參數，其等效導熱率為0.518 W/℃。

表1 柔性導熱帶尺寸參數

導熱性能仿真分析計算。首先，根據柔性導熱帶的設計幾何尺寸，采用殼單元建立簡化剛性端子及主體段柔性導熱帶模型。柔性導熱帶等效導熱系數為900 W/(m·℃)；導熱系數的取值通過試驗修正。剛性端子與主動段柔性導熱帶之間建立面與面接觸熱阻，熱阻大小為設計值。

剛性端子和主動段柔性導熱帶兩側多層隔熱材料等效發(fā)射率按0.03計算。冷端剛性端子與冷板之間建立面接觸熱阻，根據設計的導熱安裝方式計算熱阻值為0.2 ℃/W，仿真分析計算邊界條件模擬盡可能與實際情況保持一致，冷端剛性端子(冷板安裝面)仿真計算設定為不產生輻射換熱。冷板水平安裝在散熱板上，冷板與散熱板存在溫差，散熱板溫度在-60～+90 ℃范圍內可調節(jié)，通過接觸換熱方式間接控制冷板溫度。

熱端剛性端子加載4 W功率，散熱板溫度約束為-31.2 ℃、-23.5 ℃、4.5 ℃恒定溫度，分析計算柔性導熱帶不同溫度下的導熱性能，其溫度計算結果見圖3。加熱端功率為4 W，熱端剛性端子與冷端剛性端子平均溫差為4.5 ℃。結合式(5)計算柔性導熱帶熱阻，得出其等效導熱率為0.57 W/℃，且柔性導熱帶的導熱性能不隨加載功率及溫度的變化而變化。仿真計算與設計的等效導熱率最大誤差為10%，導致誤差的主要原因是仿真計算柔性導熱帶層間的導熱系數參考資料選取存在偏差。

3 柔性導熱帶試驗

3.1 導熱性能試驗

為了驗證設計和仿真分析計算的導熱性能，進行導熱性能測試。如圖4所示，柔性導熱帶共計粘貼12個T型熱電偶，熱電偶分布在柔性導熱帶的不同位置，以測量整個柔性導熱帶的溫度梯度。熱端剛性端子中間粘貼薄膜電加熱片，以提供恒定功率熱負載。

冷端剛性端子與冷板之間填充導熱脂，冷板用于提供恒定的溫度邊界。如圖5所示，為了準確測量柔性導熱帶一維導熱能力，減小真空容器熱沉與柔性導熱帶之間的輻射換熱，柔性導熱帶內外表面包覆20單元多層隔熱組件，多層隔熱組件外表面為25 μm聚酰亞胺薄膜。

在壓力小于1.33×10-3Pa的真空容器內測量導熱性能，柔性導熱帶中間采用隔熱材料聚酰亞胺塊支撐，其冷板與真空容器載物平臺接觸，載物平臺底部安裝有液氮管路(溫度在-60～+90 ℃，可調節(jié))，通過載物平臺間接控制冷板溫度。試驗過程中，冷板溫度與仿真分析冷板設定溫度保持一致。試驗需要柔性導熱帶的熱端與冷端溫度達到平衡，根據試驗平衡后的溫度計算導熱性能[6-10]。

圖5 熱試驗技術狀態(tài)Fig.5 Technical state of thermal test

試驗載物平臺的溫度為-31.2 ℃，-21.3 ℃，+4.5 ℃，柔性導熱帶的等效導熱率試驗與設計及仿真結果如圖6所示。等效導熱率的試驗值介于設計與仿真值之間，最大誤差4%，在合理范圍內。

不同加熱功率條件下仿真計算與試驗溫度結果，如圖7所示。柔性導熱帶的導熱性能不隨溫度及加熱功率的變化而變化，其熱端與冷端的溫度與加熱功率成正比。由于層間導熱性差，導熱帶的剛性端子正反面存在溫差，溫差隨加熱功率增大。

圖6 柔性導熱帶等效導熱率結果

圖7 柔性導熱帶溫度結果Fig.7 Temperature results of flexible thermal strap

3.2 隨機振動試驗

振動試驗是為了在振動環(huán)境中暴露柔性導熱帶組件材料和工藝制造質量方面的潛在缺陷，驗證組件承受振動環(huán)境的能力。柔性導熱帶隨機振動試驗條件根據衛(wèi)星焦面電箱振動試驗結果制定，其3個方向隨機振動試驗條件如表2所示。

在試驗頻率范圍內，柔性導熱帶夾具盡可能具有平坦的傳遞特性和較大的阻尼，以避免產生過試驗或欠試驗。柔性導熱帶冷端剛性端子固定在振動臺上，熱端剛性端子與冷剛性端子之間通過制作的柔性支撐安裝。振動加載控制點的確定，取決于柔性導熱帶在系統上的安裝形式。該導熱帶的控制是在振動臺側面，采用單點控制，振動響應加速度傳感器粘貼剛性端子中間，如圖8所示。

表2 隨機振動試驗條件

隨機振動的預振，按正式試驗加速度功率譜密度降低6 dB量級加載，試驗過程中對加載譜進行記錄。試驗前后導熱性能及剛度均未發(fā)生變化，在試驗后未在柔性導熱帶上發(fā)現任何損壞痕跡。隨機振動試驗結果如圖9所示，3個方向(X，Y，Z)的振動響應分別為0.3gn，0.5gn，0.4gn，振動衰減在90%以上，說明柔性導熱帶的隔振性能較好，振動響應極小。

圖8 隨機振動試驗安裝圖Fig.8 Installation diagram of random vibration test

圖9 隨機振動試驗結果Fig.9 Results of random vibration test

3.3 剛度測量

柔性導熱帶剛度試驗的安裝方案與隨機振動試驗一致，不同的是振動條件。測量柔性導熱帶的固有頻率與剛性端子的質量，根據測量結果反推導熱帶剛度，計算公式為

(6)

式中：ω為固有頻率；K為柔性導熱帶剛度；M為剛性端子質量。

柔性導熱帶固有頻率測量采用正弦掃頻振動試驗或模態(tài)試驗測量，正弦掃頻振動試驗條件如表3所示。

表3 掃頻試驗振動

柔性導熱帶掃頻振動試驗結果如圖10所示。分析試驗結果得知：3個方向(X，Y，Z)的固有頻率分別約為5 Hz，12 Hz，7 Hz。根據振動頻率，通過式(6)計算柔性導熱帶剛度，剛性端子質量為0.12 kg，3個方向(X，Y，Z)的剛度分別為2.5 N/m，14.4 N/m，4.9 N/m?？梢姡疚脑O計的柔性導熱帶剛度極小，約為普通帶狀導熱帶剛度的1/3，可滿足焦面組件安裝剛度要求[11]。

圖10 掃頻振動試驗結果Fig.10 Results of sweep vibration test

3.4 疲勞試驗

在柔性導熱帶疲勞試驗中，柔性導熱帶移動端與振動臺連接，另一端與支撐工裝連接，工裝與地面固定連接。疲勞試驗采用振動臺對柔性導熱帶進行定頻試驗，試驗條件見表4。柔性導熱帶疲勞試驗后未發(fā)現任何損壞，導熱性能、剛度均未發(fā)生變化。

表4 定頻試驗條件

4 設計驗證

某衛(wèi)星焦面電箱(310 W)采用本文設計的柔性導熱帶散熱，試驗和仿真分析結果分別見圖11和圖12。由圖12結果可知：焦面電箱外殼熱控設計一般保證在10～30 ℃范圍內，未采用和采用柔性導熱帶散熱設計，其外殼最高溫度分別為31 ℃和21 ℃。因為焦面電箱溫度波動與焦面電箱功率、焦面工作時間及柔性導熱帶的導熱性能相關，采用柔性導熱帶設計，焦面電箱殼溫度降低，焦面工作時溫度波動減小，驗證柔性導熱帶可以用于焦面組件散熱設計，能實現焦面組件處于最佳成像溫度20 ℃左右，控制焦面組件溫度波動在5 ℃內，大大提高焦面組件成像溫度穩(wěn)定性。

圖11 焦面組件熱試驗Fig.11 Thermal test of focal plane assembly

圖12 焦面組件溫度結果

5 結束語

本文根據焦面組件散熱設計的高導熱性、低剛度、高精度等要求，設計了一種高性能柔性導熱帶。柔性導熱帶的熱仿真分析計算與導熱性能試驗結果表明：試驗與仿真結果誤差在4%以內，驗證了導熱性能設計的正確性。柔性導熱帶的質量可降低為300 g，等效導熱率為0.53 W/℃，具有超強的導熱能力。對導熱帶的振動、剛度、疲勞等性能進行試驗研究結果表明：柔性導熱帶具有良好的隔振效果和超強柔性，其導熱性、剛度、隔振等性能均能滿足活動焦面組件散熱設計要求。其在焦面電箱上的應用結果表明：本文設計的柔性導熱帶可以滿足焦面組件(310 W)的散熱設計要求,焦面組件具有極好的成像溫度，能大大提高焦面成像的時間及質量。