临近空间电子设备热设计

谢明君 李姣姣

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引言

随着科学技术的迅猛发展和未来信息化作战概念的不断演化，“临近空间”（20～100 km高度的空间）这一人类过去较少涉足的空域，其战略价值逐渐受到关注。与卫星相比，临近空间飞行器的优点是效费比高、机动性好、有效载荷技术难度小、易于更新和维护。与传统飞机相比，临近空间飞行器的优点是持续工作时间长。传统飞机的留空时间以小时为单位，临近空间飞行器的留空时间则以天为单位，目前正在研制的临近空间平台预定留空时间长达6个月。由于临近空间环境独特（空气稀薄，气温极低、气压低、臭氧和太阳辐射强，平均风速低），使得在临近空间工作的电子设备的热设计具有其独有的特性。本文针对临近空间大功率电子设备的热环境特性和工作要求，分析了常用散热方案的特点，提出了合理的冷却方案，对热控系统进行设计，并通过计算和试验验证，满足了设备的散热要求。

1 问题分析

某功放设备热负荷为300 W，尺寸为150 mm×300 mm×30 mm，工作高度为海拔20 km，安装在飞行器内部平台上，航行速度为40节。工作时热功率密度为18 W／cm2，局部热流密度过大，如果不能及时把设备产生的热量带走，会造成芯片短时间快速升温，从而超出设备允许的工作温度，无法工作。因此必须采用有效的热控措施，保证功放正常工作。

1.1 热环境特性分析

在海拔20 km高空处，气温－56.5℃，大气压力约5 500 Pa，密度为0.088 kg／m3，大气很稀薄，密度约为地面的7%，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，评价约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强度约为220 W／m2［1］。

一些学者经过大量试验证明［2］：在高空20 km高度时，在3 m／s的来流风速下，一块0.01 m高的翅片表面结构的肋片式散热器，翅片的对流散热量明显大于底板的对流散热量，而翅片和底板对深空的辐射散热量最低，如图1所示。因此，最终热沉为高空大气，主要换热方式为对流换热。

1.2 散热方案

以对流换热为主的常用冷却方案有自然冷却、强迫风冷散热、液冷散热等。

1.2.1 自然冷却

图1 高空20 km散热板总散热量的成分比例份额

自然冷却适用于发热量不大、风路顺畅、热流密度较低的情况，一般不需要外动力，仅利用散热器、通风孔、百叶窗及发热设备的合理布局，通过传导、辐射、自然对流将热量散发到大气热沉，是最简单和最经济的方法，适用于发热量不大或体积要求不高的电子设备［3］。

1.2.2 强迫风冷散热

强迫风冷散热主要是借助于风扇强迫器件周边空气流动，从而将器件散发出的热量带走的一种方法，该散热方法操作简便、收效明显。风冷散热主要通过提高风速、改善气流紊流程度来增大对流换热系数，此种散热方案的优点为重量轻、体积小、结构简单、可靠性较高。

1.2.3 液冷散热

液冷散热是对电子元器件采用液体冷却的方法进行散热。液体冷却包括直接冷却和间接冷却。间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触，而热量经中间媒介（如冷板等）从发热元件传递给液体，液体经过散热器降温后通过水泵的抽吸运送到冷板，往复循环使用（图2）。液冷散热以其高效、紧凑、噪声小等特点而得到了广泛的应用，是高效冷却技术的研究热点。

图2 液冷系统示意图

1.3 散热方案选择分析

高空20 km空气密度仅为地面的7%，要达到与地面同等的散热效果，需要将风量或散热面积增大到地面的14倍。低气压条件下风扇容易损坏，为了提高风量必然要加大风扇的体积和功耗。综合考虑后决定利用飞行器飞行时引入的冲压空气作为最终冷源。功放设备热流密度达到18 W／cm2，功放散热量为300 W，考虑空间热辐射，取热负荷Q＝400 W，需要不间断连续工作，超出了自然冷却能力的极限。由于舱内设备排布紧密，无法将冲压空气引入有功放设备的有效散热位置，因此采用液冷散热方案。微型液冷系统由泵、换热器、储液器和冷板组成。工作原理如图2所示：功放模块把热量传递给冷板，冷板里冷却介质吸收热量升温后，流经换热器进行换热，通过冲压空气和换热器把热量散到外部空间，冷却后的介质经泵回到冷板，进行下一个循环。该系统的优点是液冷导热速度快，换热效率高，可以实现多个电子元件的同时冷却；另外，散热器与功放设备可以分离，布置比较灵活。

2 液冷散热系统的设计

2.1 冷却介质选择

产品运行环境为20 km高空，环境温度为－56.5℃，为保证低温环境下冷却系统的正常运行，同时满足介质热容量大的要求，冷却介质选用65号冷却液。

2.2 循环泵选型

根据液冷散热设计原则，热负荷为400 W，设计冷板进出口冷却介质温差3℃，计算得到所需流量为2.7 L／min。水系统阻力损失应为冷板阻力损失、管路阻力损失、换热器阻力损失之和，考虑到低温状态下65号冷却液黏性较大，水泵的扬程应选择0.3 MPa。

2.3 冷板表面最高温度计算与仿真

在液冷系统中，冷板与功放模块的散热表面紧贴，主要作用是完成电子元件产生热量与冷却介质的热交换。冷板采用板翅式结构，材料为铝合金LF21，由上下盖板、封条及内部翅片组成。以三角肋翅片（图3）和锯齿翅片（图4）作为导流翅片，起到导流、加强支撑、匹配流量的作用，以错峰锯齿翅片（图5）作为换热翅片，增强紊流程度，加强局部换热，冷板使用夹具整体钎焊而成。

图3 三角肋翅片

图4 锯齿翅片

图5 错峰锯齿翅片

根据钎焊内翅片冷板计算公式，可得冷板基于一次表面的传热系数K为：

根据设计要求，冷板表面最高温度不允许超过70℃，冷却液最高温度不超过47℃。将计算所得的冷板一次表面传热系数代入仿真软件ANSYS Icepak中，得到冷板表面最高温度为65.3℃，如图6所示，满足温度要求。

图6 冷板温度仿真云图

2.4 散热器设计

冲压空气的等效进气量约为0.004 5 kg／s。根据公式S＝0.86／（ΔT×a），求得散热面积需要0.8 m3。散热器采用铜管铝翅片，最大外形尺寸为50 mm×50 mm×300 mm，等效散热面积为1.15 m2。

在低气压温箱内进行了相应模拟试验，采用拓普TP9000温度测试仪测量表面温度。试验结果证明，冷板表面最高温度为69.2℃，实测数据与计算数据接近，满足模块技术指标要求，满足临近空间环境特性需要。

3 结语

针对临近空间的环境特点和功放设备的实际散热要求，对不同散热方式进行了分析，选择了合理的散热方案；对微型液冷散热进行了相关设计计算，利用冲压空气作为最终冷源，使用不同种类翅片搭配，设计制作了满足换热要求的冷板。相关计算和试验表明，该系统满足功放散热要求，可为同类产品的热设计提供一定的指导。

［1］马伟，宣益民，韩玉阁.临近空间飞行器热管理及热设计方法［J］.宇航学报，2009（5）

［2］马伟，宣益民，韩玉阁.临近空间热环境分析及低速飞行器的热设计方法［J］.宇航学报，2010（5）

［3］白黎春.全密封发射机热设计［J］.电子机械工程，2003（6）