临近空间大功率电子设备的热设计*

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081)

1 引 言

随着临近空间(20～100 km)飞行器应用技术的发展，电子设备等有效载荷在飞行器上的应用日趋广泛，为了保障设备的正常工作，必须做好相应的热控措施。由于临近空间环境独特(空气稀薄；气温极低，变化复杂；气压低；臭氧和太阳辐射强；平均风速低，20 km区平均风速最小),使得直接工作在临近空间的大功率电子设备热设计面临一个新的挑战。临近空间热环境特性与地面有明显的差异，临近空间大功率电子设备所采用的热控措施、热仿真分析模型与地面设备有显著的不同。

本文针对某临近空间大功率电子设备的热环境特性和工作要求，提出相应的热控措施，对其热控系统进行了详细设计，利用Icepak软件进行了热仿真分析，得到了满意的结果。

2 热环境特性分析

临近空间大致包括大气的平流层、中间层和部分电离层区域。平流层距地面高度12～50 km,环境特性受地面的影响较小,大气中杂质很少,几乎没有水汽凝结和雾、雨、雹等气象变化,只有微弱的上下对流。中间层距地面50～80 km,该层温度先升后降,上下对流非常明显。电离层距地面60～100 km,该层内带有高密度的带电粒子,大部分气体由于高温发生电离。在临近空间所跨越的三类大气层中,相比而言,平流层的环境特性更适合临近空间飞行器的“生存”。本文中的热分析是针对20～50 km高度的平流层热环境特性。

在北半球中纬度地区,临近空间约20 km高度处，其主要环境特点：大气压力约5.5 kPa，密度为0.088×103kg/m3，动力粘度μ=1.67×10-5m2/s，温度约-57℃；气流以水平运动为主，垂直对流运动很弱，大气风速随纬度、季节和时间变化，20 km高空处风速约为10 m/s；此外，空间大功率电子设备还要承受来自太阳短波辐射及地球-大气系统长波热辐射的外热流，其中太阳辐射强度约为1 300 W/m2，地球表面平均长波热辐射约为220 W/m2[1]。

考虑热红外波段的大气传输,由于平流层上方大气稀薄,水蒸气、CO2等对长波吸收本领强的物质显著减少。较近地面的红外大气传输而言,平流层以上部分的大气对长波的辐射热阻显著减小,热源与深空背景的“辐射换热”作用显著,可以将平流层上方大气看成是热辐射的“透明体”[1]。

3 大功率电子设备热设计

3.1 大功率电子设备的工作模式与热控要求

某工程大功率电子设备(热耗280 W)作为临近空间飞行器(20 km高度)的有效载荷，安装在飞行器平台外壁面上，直接裸露于太空中，要求能连续工作48 h，其基座的可靠工作最高温度不超过+75℃。由于空间限制，该设备体积很小，工作时发热功率密度较大，其中最大发热功率密度为16.2 W/cm2。热分析表明，在不采取热控措施的情况下，大功率电子设备工作时会快速升温，超过设备允许的工作温度会出现故障，必须采取有效的热控措施。

3.2 热控策略

本项目热控设计的基本思想是在满足大功率电子设备工作要求的前提下力求简单、可靠，尽可能采用成熟的热控技术和实施工艺，以保证热控系统的高可靠性[2]。热控制策略如下：

(1)临近空间空气稀薄，气压较低，不利于对流散热，设备不同部件间的换热主要依靠传导，设备到空间环境的换热主要依靠辐射；

(2)临近空间大功率电子设备在白天工作时，受到较强的太阳短波热辐射，需采用隔热罩进行热隔离，并在隔热罩表面涂上低短波吸收率、高长波发射率的有机热控涂层；

(3)用高传热特性的部件，把表面积较小、高热功率密度的热源转换到表面积较大区域，以降低热功率密度；

(4)散热部件的表面涂高辐射发射率的涂层，以提高向环境的散热效率。

3.3 热控系统设计

大功率电子设备热控系统模型如图1所示，主要从以下3方面设计：

(1)热隔离。在大功率电子设备的外围设置隔热罩，从而减小太阳辐射对其的影响；

(2)热控涂层。在隔热罩的外表面喷涂短波吸收率为0.17、长波发射率为0.87的SR107白漆，而在隔热罩内表面、大功率电子设备壳体、安装底板表面等部位均喷涂高发射率的无光漆，以利于辐射散热；

(3)低热阻途径。设计热管散热器，通过热管等传热通道将大功率电子设备工作时产生的热量传导至散热器，热量再经由散热器辐射到外空间。在热传递路径上各部件的接触安装表面均涂导热脂，降低热阻提高热传导效果。

图1 大功率电子设备热控系统模型

热控系统设计的核心部分是热管散热器设计。由于大功率电子设备工作在恶劣的临近空间，对流散热几乎无法实现，只能靠传导和辐射，而其耗热集中，热流密度高达16.2 W/m2，采用传统的散热器已远不能满足散热要求，利用热管极高的导热性、等温传热性，可有效地散热，设计工作的重点是要设计出满足散热要求、外形尺寸适当、安装接口适宜的专用热管散热器。

热管散热器模型如图2所示，散热通道见图3。为了减小传导接触热阻，大功率电子设备壳体底座和散热器基板铣制成一体，将热管的蒸发段通过焊接镶嵌在基板内，热管的冷凝段与各散热器翅片焊在一起，散热器翅片通过低温钎焊焊接到基板上。为了提高散热器辐射能力，对散热器表面进行阳极氧化以提高其发射率。

图2 热管散热器模型

图3 大功率电子设备散热通道示意图

4 热仿真

为了在设计阶段就获得对热设计效果的评估，用热分析软件Icepak对该设备热设计模型进行了仿真。利用Icepak软件现有模型库中机箱、装配体、热源、散热器等命令，建立热控系统分析模型。首先进行参数设定，设定一种密度为0.088×103kg/m3的新流体，它的热容和热传导率只相当于空气的1/14，并定义环境温度、压力、风速、各模块材料特性、热源耗散功率等边界条件。另外，该问题的求解也与常规问题不尽相同，在此也特别强调一下，Icepak采用的是Fluent的求解器。在计算纯的传导和辐射问题，要达到最终的收敛，需要将残差设定得比较小一些，也就是把高能量方程的精度提高到10-17。在仿真过程中，利用Icepak软件提供的Optimization功能，重点对热管散热器参数进行优化设计，其目标是在保证散热器最高温度不超过75℃情况下散热器的热阻最小。将散热器肋片的厚度、肋间距、肋高等参数设为变量，并给变量赋一系列值，Icepak将同时计算出变量取不同值时散热器的热阻值，并通过比较得出最优结果。

由Icepak热分析软件得出热控系统最优结果，热管散热器基板温度分布图如图4所示，最高温度为+70.17℃，满足基座最高温度不超过+75℃指标要求；另外，由于镶嵌在基板中的热管起均温作用，致使整个散热器基板温度差很小，约为4℃，这样很好地解决了高功率密度散热问题。该结果表明，所采取的热控策略正确，热控系统设计合理。

图4 热管散热器基板温度分布图

5 试验验证

按上面的热设计方法进行结构设计，在整机加工调试完成后，按照环境试验要求进行低温低气压环境试验、临近空间环境模拟试验。通过试验证明，设备工作正常，并通过预埋的温度传感器探测到大功率电子器件基座温度为+71℃，该数值和仿真设计数据接近，满足+75℃可靠工作的基座最高温度指标要求，满足临近空间使用需求。

6 结束语

临近空间大功率电子设备热设计的基本任务是在热源至热沉之间提供一条低热阻的通路，保证热量顺利传递出去，以满足设备在临近空间飞行器上的应用与可靠运行。本文根据大功率电子设备的临近空间热环境和工作特点，以传导和辐射为其主要传热方式设计了热控系统，并采用热隔离、热控涂层、低热阻途径等热控策略以提高其传导和辐射换热效率。通过Icepak热分析软件分析验证了其热控效果，优化设计了热管散热器。试验验证表明，临近空间大功率电子设备热设计是合理的，满足其温度可靠性工作要求，对临近空间环境的各类高功率电子设备的热设计有一定的指导和借鉴作用。

参考文献：

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