臨近空間電子設備熱設計

謝明君 李姣姣

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

隨著科學技術的迅猛發展和未來信息化作戰概念的不斷演化，“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，其戰略價值逐漸受到關注。與衛星相比，臨近空間飛行器的優點是效費比高、機動性好、有效載荷技術難度小、易于更新和維護。與傳統飛機相比，臨近空間飛行器的優點是持續工作時間長。傳統飛機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定留空時間長達6個月。由于臨近空間環境獨特（空氣稀薄，氣溫極低、氣壓低、臭氧和太陽輻射強，平均風速低），使得在臨近空間工作的電子設備的熱設計具有其獨有的特性。本文針對臨近空間大功率電子設備的熱環境特性和工作要求，分析了常用散熱方案的特點，提出了合理的冷卻方案，對熱控系統進行設計，并通過計算和試驗驗證，滿足了設備的散熱要求。

1 問題分析

某功放設備熱負荷為300 W，尺寸為150 mm×300 mm×30 mm，工作高度為海拔20 km，安裝在飛行器內部平臺上，航行速度為40節。工作時熱功率密度為18 W／cm2，局部熱流密度過大，如果不能及時把設備產生的熱量帶走，會造成芯片短時間快速升溫，從而超出設備允許的工作溫度，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%，氣流以水平運動為主，垂直對流運動很弱，大氣風速隨緯度、季節和時間變化，評價約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強度約為220 W／m2［1］。

一些學者經過大量試驗證明［2］：在高空20 km高度時，在3 m／s的來流風速下，一塊0.01 m高的翅片表面結構的肋片式散熱器，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、強迫風冷散熱、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

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

1.2.2 強迫風冷散熱

強迫風冷散熱主要是借助于風扇強迫器件周邊空氣流動，從而將器件散發出的熱量帶走的一種方法，該散熱方法操作簡便、收效明顯。風冷散熱主要通過提高風速、改善氣流紊流程度來增大對流換熱系數，此種散熱方案的優點為重量輕、體積小、結構簡單、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，而熱量經中間媒介（如冷板等）從發熱元件傳遞給液體，液體經過散熱器降溫后通過水泵的抽吸運送到冷板，往復循環使用（圖2）。液冷散熱以其高效、緊湊、噪聲小等特點而得到了廣泛的應用，是高效冷卻技術的研究熱點。

圖2 液冷系統示意圖

1.3 散熱方案選擇分析

高空20 km空氣密度僅為地面的7%，要達到與地面同等的散熱效果，需要將風量或散熱面積增大到地面的14倍。低氣壓條件下風扇容易損壞，為了提高風量必然要加大風扇的體積和功耗。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。功放設備熱流密度達到18 W／cm2，功放散熱量為300 W，考慮空間熱輻射，取熱負荷Q＝400 W，需要不間斷連續工作，超出了自然冷卻能力的極限。由于艙內設備排布緊密，無法將沖壓空氣引入有功放設備的有效散熱位置，因此采用液冷散熱方案。微型液冷系統由泵、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，冷板里冷卻介質吸收熱量升溫后，流經換熱器進行換熱，通過沖壓空氣和換熱器把熱量散到外部空間，冷卻后的介質經泵回到冷板，進行下一個循環。該系統的優點是液冷導熱速度快，換熱效率高，可以實現多個電子元件的同時冷卻；另外，散熱器與功放設備可以分離，布置比較靈活。

2 液冷散熱系統的設計

2.1 冷卻介質選擇

產品運行環境為20 km高空，環境溫度為－56.5℃，為保證低溫環境下冷卻系統的正常運行，同時滿足介質熱容量大的要求，冷卻介質選用65號冷卻液。

2.2 循環泵選型

根據液冷散熱設計原則，熱負荷為400 W，設計冷板進出口冷卻介質溫差3℃，計算得到所需流量為2.7 L／min。水系統阻力損失應為冷板阻力損失、管路阻力損失、換熱器阻力損失之和，考慮到低溫狀態下65號冷卻液黏性較大，水泵的揚程應選擇0.3 MPa。

2.3 冷板表面最高溫度計算與仿真

在液冷系統中，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生熱量與冷卻介質的熱交換。冷板采用板翅式結構，材料為鋁合金LF21，由上下蓋板、封條及內部翅片組成。以三角肋翅片（圖3）和鋸齒翅片（圖4）作為導流翅片，起到導流、加強支撐、匹配流量的作用，以錯峰鋸齒翅片（圖5）作為換熱翅片，增強紊流程度，加強局部換熱，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

根據釬焊內翅片冷板計算公式，可得冷板基于一次表面的傳熱系數K為：

根據設計要求，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℃。將計算所得的冷板一次表面傳熱系數代入仿真軟件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 散熱器設計

沖壓空氣的等效進氣量約為0.004 5 kg／s。根據公式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。

在低氣壓溫箱內進行了相應模擬試驗，采用拓普TP9000溫度測試儀測量表面溫度。試驗結果證明，冷板表面最高溫度為69.2℃，實測數據與計算數據接近，滿足模塊技術指標要求，滿足臨近空間環境特性需要。

3 結語

針對臨近空間的環境特點和功放設備的實際散熱要求，對不同散熱方式進行了分析，選擇了合理的散熱方案；對微型液冷散熱進行了相關設計計算，利用沖壓空氣作為最終冷源，使用不同種類翅片搭配，設計制作了滿足換熱要求的冷板。相關計算和試驗表明，該系統滿足功放散熱要求，可為同類產品的熱設計提供一定的指導。

［1］馬偉，宣益民，韓玉閣.臨近空間飛行器熱管理及熱設計方法［J］.宇航學報，2009（5）

［2］馬偉，宣益民，韓玉閣.臨近空間熱環境分析及低速飛行器的熱設計方法［J］.宇航學報，2010（5）

［3］白黎春.全密封發射機熱設計［J］.電子機械工程，2003（6）