基于相变传热技术的空间瞬时大热耗载荷级联散热设计

2019-05-10李新韩新民何书通刘万发黄金印彭方汉王录孟繁孔何江

航天器工程 2019年2期

李新韩新民何书通刘万发黄金印彭方汉王录孟繁孔何江

(1北京空间飞行器总体设计部,空间热控技术北京市重点实验室,北京 100094)(2中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连 116023)

近年来,随着空间探测任务的不断深入,空间电子设备输出功率迅速增加。一方面,输出功率增大,热耗随之增大,而且空间外热流环境复杂,设备很容易超温[1-3];另一方面,由于空间资源的严格限制,对热控系统的质量、能源消耗等也提出了严格的要求。

如何在有限的空间和资源约束下,解决瞬时大热耗载荷散热问题,成为制约载荷系统实现机热一体化设计、传热强化的技术难题。

利用物质固液相变过程中的潜热来进行储热,进而带走载荷瞬时产生的大量热能,是能够有效解决瞬时大热耗载荷温度过高的方法之一。在相变过程中相变材料具有等温或近似等温、吸收/释放大量潜热的优点,能够很好的应用于瞬时大热耗周期性工作的载荷温控;另外相变装置为纯被动式热控手段,原则上可以进行无限次的可逆工作,具有很高的可靠性[4],在航空航天[5]、导弹电路以及机载行波管等方面逐渐被应用。

石蜡是工程应用较多的相变材料,但石蜡的缺点在于热导率低,相变体积变化大。如何降低热阻,快速的将热量传至相变材料,从而降低热源温度,延长载荷工作时间是空间大热耗载荷采用相变散热的难点。

文献[6-7]针对卫星热控需求,分析了相变装置的传热性能,为相变装置在卫星热控设计中的应用提供依据;同时对微重力下空穴对相变传热过程的影响进行了研究。文献[8]提出了一种针对微重力条件下的泡沫复合相变材料蓄热装置,通过数值仿真分析得出,得益于其较高的导热系数,泡沫复合相变材料可将热源热量有效分散到其他区域。文献[9]对纳米尺度相变传热数学模型进行了研究,分别针对相变材料熔化和凝固两个过程提出了合理的数学模型等。

通过对现有文献的调研发现,目前更多的是对相变装置本身传热机理和模型的研究,在空间工程应用方面:阿波罗15号月球车热控设计[10]中,用了3套相变材料热控装置来分别控制信号处理单元、蓄电池、驱动控制器、继电器;低地球轨道(LEO)大型平面天基雷达天线热控设计[11]利用相变材料解决天线结构及电子设备的温度波动问题;漫游者号火星着陆器采用相变材料热控装置,设计了石蜡驱动热开关对电池控温[12];中国嫦娥一号采用相变热管来抑制温度过高对光学器件的影响[13];文献[14-15]设计了一种新型肋片式相变蓄热装置,应用于某飞行器内部,对总热耗195 W的4台易超温设备进行了实验验证等。但这些载荷的瞬时热耗和热流密度仍有限,对于千瓦级热耗、高热流密度的设备载荷应用相变装置散热,尽可能的节省能源消耗、减少重量代价,仍是空间应用不断优化的目标。

本文针对空间载荷瞬时大热耗的散热需求,同时适应空间载荷高可靠性、热控系统设计最优的原则,提出了一种以被动式为主、结合PCM、平板VC和LHP的一体化通用级联散热设计方法,并通过热分析和热试验进行了验证。

1 级联散热设计

1.1 热设计方法

空间大热耗载荷热设计方法主要有以下特点:

(1)被动式散热设计。利用平板VC、PCM、辐射散热板等无需额外消耗功率、无温度反馈控制的热控技术与产品快速的实现热源与热沉之间的热交换。结构简单、可靠性高。

(2)强化传热设计。为提高传热能力,将VC板直接做成元器件的安装板,元器件通过VC板直接进行热量的传递和扩散。为进一步增大接触换热系数,在元器件与VC板之间涂覆高接触换热系数的导热硅脂(此种导热硅脂实验室测得的接触换热系数＞60 000 W/m2·K)。

(3)基于LHP的主动控温设计。LHP具有点对点热传输特性,可柔性布局,最大传热能力可达1500 W(20℃时),适合大功率元器件散热及集中散热。传输距离＞3 m,无安装方向限制。为使系统具有较强的适应力,以便可用于热源与热沉间不同的未知散热路径,热设计采用LHP作为最终的热传输媒介。

(4)热控一体化设计。鉴于载荷的大热耗和瞬时工作特性,空间辐射散热面的面积设计要合理,结合强化散热和解决热量储蓄角度入手,采用一体化的方案解决问题。整个散热路径基于平板VC、PCM和LHP到达热沉,通过“VC扩热＋PCM蓄热＋LHP散热”的一体化级联散热系统,将相变技术和VC技术结合起来进行热控一体化设计,以充分发挥两种技术的优点,互相补充,同时兼顾多热源的实际散热需求,有效解决瞬时大热耗载荷的散热问题。

1.2 某空间载荷散热特点分析与系统设计

以某瞬时热耗达3000 W的空间载荷作为研究对象,载荷分为顶层和底层两个模块,其元器件中单个热源最大热耗可达230 W,热流密度为3 W/cm2,工作温度为[＋10,＋40]℃,周期性脉冲工作,一个周期90 min。初步分析,如果没有有效的传热路径,元器件40 s内便可超过其工作温度上限,因此必须通过热设计来控制此载荷的工作时间和温升范围。整个级联散热装置的传热路径如图1所示。

图1 散热系统热传递路径图Fig.1 Heat transfer path map of heat sink system

为降低接触热阻,减小温差,热源直接安装在VC上,中间涂覆高接触换热系数的导热硅脂。

PCM作为热量传递过程中的缓冲带,与VC板贴合,既承担暂时将瞬时大热耗积蓄,以防止热源温度过高的作用,又通过与VC板之间的换热将积蓄的热量带走,以使热源温度降至下一个周期的初温。而VC板作为热量传递过程中的“高速路”,一方面进行均热和扩热,另一方面,VC迅速将热量传至LHP的蒸发器,LHP作为最后一道热源与热沉之间的通道,将热量传至热沉。

如图1所示,在设计时,为适应多热源的设备布局,兼顾小型化、集成化,底层模块的两层VC共用一套PCM;为最大限度的利用LHP的传热能力,蒸发器上下两端面均与VC板接触,即两个VC板共用一套LHP。

散热装置结构示意如图2所示,整个散热装置共使用三层VC板、两层PCM、四根热管和一套LHP,集成在设备内部。整个热控系统质量在10 kg以内,与载荷一起封装在645 mm×418 mm×175 mm的空间内。

图2 散热装置结构示意图Fig.2 Schematic diagram of heat sink structure

作为地面验证试验件,热沉采用恒温冷板模拟空间辐射散热器,与散热装置和元器件一起也集成于空间载荷。

1.2.1 VC设计

VC是一种新型的气液两相流传热器件,由于其良好的安装和导热特性,为卫星热控系统的减重和小型化提供了一条解决途径[16-17]。它是一种内壁具有毛细结构的散热装置,传热能力强,当量导热系数≥2000 W/m·K,可适应最大热流密度10 W/cm2,因此也叫做平板热管。可替代电路板安装结构,由于其二维传热特性,可解决分散多热源的均温难题。目前其最小厚度可做到4 mm(见图3),囿于最大外形面积的限制,每层VC设计成两块拼接,尺寸大小分别为396 mm×305 mm和396 mm×300 mm,厚度5 mm,共6块。由于每层只有一个VC与蒸发器接触换热,故在两个VC之间通过热管进行热量的传递,将另一个VC的热量通过热管传至与蒸发器接触的VC,进而将热量传至蒸发器。

图3 VC实物图Fig.3 VC picture of real product

1.2.2 PCM 设计

本设计中,由于发热元器件是具有周期性工作的脉冲式热源,根据相变材料的特点,相变板被设计成既是热沉又是热源的可逆系统[18]。对于相变板充装量的计算,主要是根据热源的热耗、设计的工作时间和相变材料的潜热来确定。在计算相变材料的质量时,为了将Q热耗作为熔化热储存和释放,相变材料的质量必须为[19]

式中:Emax为相变材料的最大储热量,它对应与相变材料全部熔化时应吸收的总热量,r为相变材料的熔化潜热,ρPCM为相变材料的密度,Acp为PCM的面积,L为PCM的厚度。

当相变材料全部熔化时,设备温度此时达到最高为

式中:Tmax为元器件最高温度,T0为相变板与元器件接触面温度,Qp为脉冲发热率,λl为相变材料液相时的热导率。

由式(1)、(2)可得

对于给定的应用和所要求温度范围的相变材料,T0、Q、Emax、λ、Acp、r、ρPCM都是固定不变的量。因此,Tmax是固定的,要降低Tmax,则需要使用高热导率的导热填料。

根据以上分析,按照工作45 s,工作温度为[10,40]℃进行控温,结合载荷实际工作状态,进行了相变板的设计。

对于顶层模块,按照总的热耗(给定的1030W),工作时间为45 s,间歇时间为90 min;总的发热量为46.35 kJ;选取相变材料为正十六烷,相变温度为16.65℃,密度为776 kg/m3,相变潜热为237.1 kJ/kg;需要的相变材料的总质量为0.196 kg。由于相变板尺寸大小限制,共设计两块相变板,尺寸分别为305 mm×311 mm和238 mm×311 mm,每块相变板6 mm厚,质量分别为0.58 kg和0.45 kg。

对于底层模块,按照总的热耗(给定的1970.8 W),工作时间为45 s,间歇时间为90 min;总的发热量为46.35 kJ;选取相变材料为正十六烷,相变温度为16.65℃,密度为776 kg/m3,相变潜热为237.1 kJ/kg;需要的相变材料的总质量为0.374 kg。同样设计两块相变板,尺寸与顶层模块相同,每块相变板厚9 mm,质量分别为0.87 kg和0.68 kg。

为了提高相变材料的充装比,PCM采用三维点阵结构增材制造技术一体成型,综合考虑熔焊性能和材料强度特性,选用AlSi10Mg粉末为3D打印的基本材料,相变材料的充装比可以达到60%以上[20]。装置内部3D打印的导热蜂窝结构如图4所示,大大提高了PCM本身的导热特性。PCM实际充装量均大于理论计算值,相变材料的储热量能够满足散热需求。

图4 3D打印相变储能装置Fig.4 3D printing phase change energy storage device

1.2.3 LHP设计

根据热源特点,LHP设计最大传热能力大于150 W(20℃时),采用双面蒸发器与VC板耦合。出于地面试验验证的需要,冷凝器为恒温冷板热沉,柔性管路出蒸发器后与冷板焊接在一起,以保证与冷板的充分换热。冷板采用小型压缩机制冷来保证热沉的低温。

2 热分析

2.1 简化假设

根据载荷设备的结构特点,以及参考以往的热分析经验,作如下合理简化假设。

(1)计算中认为从LHP传热至散热面是散热的最主要的途径,因此不考虑载荷壳体与外界空间之间的辐射;

(2)不考虑载荷与平台边界间的导热,且模型中去除了壳体上的加强肋、插座等突出物;

(3)对形状不规则的结构和元器件按照等效辐射面积进行简化处理;

(4)元器件的热耗均匀分布在元器件底面上;

(5)在热分析软件中将相变传热板结构进行了简化,相变传热板壳体为铝材,内部充装正十六烷(见图5),热分析模型中简化为三层壳单元,外面两层为铝,厚度各1 mm,中间层为正十六烷,由充装量确定厚度分别为4 mm和7 mm。

图5 相变传热板结构Fig.5 Phase change heat transfer plate structure

2.2 分析模型

采用有限元热分析软件Thermal Desktop 4.8版建立了此空间载荷的有限元热分析模型,共划分了413个节点;采用软件SINDA/FLUINT 4.8版进行后处理,对载荷工作过程的温度进行瞬态分析。图6为载荷的热分析模型。

图6 空间载荷热分析模型Fig.6 Thermal analysis model of space load

2.3 计算工况

为分析载荷在瞬时大热耗工作期间温度的周期变化,首先根据载荷的工作特点,进行了实际工作状态下的热仿真分析,通过试验结果对模型进行修正;为了摸底载荷能够工作的最大工作时间,并与试验结果进行比对,验证模型的正确性,又进一步进行了摸底工况状态下的修正模型后的热仿真分析。两个工况具体见表1。

表1 计算工况Table 1 Calculation conditions

2.4 计算结果与分析

两种工况下6个高热流密度热源(见图6)的计算结果的温度曲线如图7、图8所示。

图7 热源45 s工作时间温度变化曲线Fig.7 Temperature curve of 45s working time

图8 热源60 s工作时间温度变化曲线Fig.8 Temperature curve of 60s working time

由表2热分析结果可知,实际工作状态下,热源工作45 s后,最高温度达到33.9℃,温升16.9℃,距离温度上限还有6.1℃,满足工作温度要求;为摸底最大工作时间,在摸底工况条件下,热源工作60 s后,最高温度达到37.6℃,温升20.6℃,距离温度上限还有2.4℃,在最高工作温度以下。且两种工况结果均表明,在一个周期90 min的时间内,热源温度又能够降至相变材料的相变温度点附近。

表2 热分析结果Table 2 Thermal analysis results ℃

两种工况下的温度云图如图9、图10所示。由图9、图10可知,6个热源之间最大温差在2℃以内,说明VC的均热效果良好。

热分析结果表明:热设计方案能够很好的将载荷的温度控制在合理范围内,且留有一定设计余量,是合理可行的。

图9 载荷45 s工作状态下最高温度云图Fig.9 Maximum temperature cloud at 45s load operation

图10 载荷60 s工作状态下最高温度云图Fig.10 Maximum temperature cloud at 60s load operation

3 试验验证

3.1 试验设计

为验证空间大热耗载荷热设计的正确性,在高低温箱中进行了热试验的验证。在试验设计上,一是通过制冷系统控制冷板温度,模拟散热面,保证冷板温度的均匀性和稳定性;二是对整个空间载荷包覆保温棉,尽量减少对流换热对载荷散热以及LHP漏热产生的影响。

整个空间载荷热试验系统见图11。热源与VC板之间,VC与PCM、热管、LHP蒸发器之间,散热翅片与冷凝器之间均采用螺钉紧固＋涂覆高接触换热系数导热硅脂的贴合方式。各部件上均粘贴热电偶进行测温,共计20个。

图11 空间载荷热试验系统图Fig.11 Space load thermal test system diagram

为将PCM初始温度控制在相变点以下,将冷板温度控制在5～6℃之间,高低温箱初始温度设为0℃,整个载荷开始降温,随后逐渐调整高低温箱内环境温度,同时观察环境温度与保温棉外侧壁温度,见图12。由试验结果可见,后期环境温度与载荷外侧壁温之间温差在1℃以内,可以近似忽略整个载荷与环境之间的对流换热影响,只考虑热量沿冷板排散的单一传热路径。

图12 环境和保温棉温度Fig.12 Environment and thermal insulation cotton outer wall temperature

3.2 试验结果与分析

根据前期热分析的计算工况,为了进一步与热分析工况进行对比,试验中也进行了与热分析工况相同的两个工况,以作验证。

3.2.1 工作工况

如图11,高热流密度热源与安装面之间分别采用高性能导热脂(热源1)、宇航级别导热脂(热源3、4)以及碳膜填充(热源5、6),在试验过程中,分别对比三种安装方式下热源的温升效果。载荷共加电45 s,整个过程LHP正常工作,图13是载荷加电45 s工况下各部件的温度变化曲线。

图13 载荷加电45 s各部件温度变化曲线Fig.13 Temperature variation curves of components for 45s load charging

表3对整个加电过程中各部件的温度变化结果进行了统计。

表3 载荷加电45 s各部件温度变化Table 3 Temperature variation of each components for 45s load charging ℃

由试验结果可知:

(1)与热分析结果对比,热源温度变化趋势与分析结果一致,最大温升与分析结果相比,误差为4.4℃。分析误差产生的原因,与导热硅脂的涂覆、各部件的安装紧固程度、冷板的温度波动对环路热管的影响以及热源实际热耗偏差所带来的误差等均有关,后续需根据试验结果对热分析模型进行修正,以期尽可能准确预示不同工况下载荷各部件的温度。

(2)由敏感性分析可知,界面接触热阻是影响载荷工作时温升的重要因素之一,采用高性能导热脂由于进一步减小了界面接触热阻,与宇航级别导热脂和碳膜相比,温升下降了0.8℃左右。但需要指出的是,高性能导热脂降低界面热阻的效果,只能作为参考,因为这几个热源装在一块VC上,试验中相互间有热耦合的影响。后续需进行进一步的研究,以量化各材料之间界面接触热阻的差异。

(3)热源工作45 s后关停,温度开始下降,由图13可见,下降至13.5℃用时49 min10 s,此时相变板已完全在相变点(16.65℃)以下,小于90 min的间隔。若按相变板完全在相变点以下降温速率计算为6.55×10－2℃/min,降至初温12.2℃预计还要用时19 min52 s,共计用时69 min2 s,也小于90 min的间隔,满足周期工作的要求。

3.2.2 摸底工况

为进一步摸底载荷热控系统的工作能力,对载荷热源工作时间为60 s进行了试验。此轮试验进行了两方面的改进和优化:一是由于冷板温度采用小型压缩机控制,温度交变剧烈,为降低冷凝段翅片的温度波动,在LHP冷凝段翅片与冷板之间安装了两根充装十四烷的热管,十四烷相变点为5.5℃,这样经过改进后,冷板特性更贴近空间辐射器;二是所有热源与安装面之间均涂覆高性能导热硅脂,以期最大限度降低温升。

载荷工作过程中温度变化如图14所示。试验开始后,LHP启动,载荷从室温降至相变点以下,载荷开机,满功率工作60 s。表4对整个加电过程中各部件的温度变化结果进行了统计。

图14 载荷加电60 s各部件温度变化曲线Fig.14 Temperature variation curves of components for 60s load charging

由试验结果可知:

(1)与修正模型后的热分析结果对比,热源最大温升绝对误差为1℃左右,相对误差为4.85%,说明热分析模型正确,能够满足工程实际应用的需求。各热源之间的温升差异,经分析,与导热脂的涂覆工艺、导热路径不同有关。

(2)载荷关机后,热源从35℃左右开始降温,至相变点以下用时在90 min以内。同样满足周期工作的要求。

表4 载荷加电60 s各部件温度变化Table 4 Temperature variation of each components for 60s load charging ℃

综合工作工况和摸底工况的试验温度结果来看,VC板各处温差在3℃以内,有效实现了均温和扩热的作用。PCM有效实现了对瞬时大热耗设备热量的存储,使载荷工作过程中PCM温度维持在相变点以下。

采用三维点阵结构打印的PCM,与传统焊接加工方式相比,大大提高了相变板的充装比,减轻了整个系统的重量;同时新的结构形式增大了支撑结构与相变材料之间的接触面积,进而强化其传热性能。目前已应用于火星车。如果对系统本身的重量没有太多限制,也可通过在PCM内装入填料以改善相变材料的热导率,或者改变散热面的大小。