顏吟雪 李春林 趙振明 魯盼

（北京空間機電研究所，北京 100094）

1 引言

CCD器件是傳輸型空間光學遙感器的核心部件，是空間光學相機能否獲取高質(zhì)量圖片的關(guān)鍵，其熱控效果對成像質(zhì)量有著顯著影響[1]。CCD器件發(fā)熱量較大，一般通過管腳與后部電路板連接，背后可供設計散熱措施的空間有限，故 CCD器件的熱控屬于狹小空間高熱流密度散熱問題。截面特征尺寸小于5mm的微型熱管具備結(jié)構(gòu)尺寸小、可靠性高、傳熱能力強、質(zhì)量輕等優(yōu)點，是解決CCD器件散熱的主要途徑[2]。國內(nèi)外學者針對此類微型熱管開展了大量的研究工作，Longtin[3]和Valerie Sartre[4]等對三角形截面的微型熱管進行了理論及仿真分析研究；Cao Y[5]和張麗春[6]等對矩形槽道熱管的傳熱性能進行了試驗研究；Thomas建立了二維模型考察梯形截面槽道內(nèi)液體和其蒸氣反向流動時的界面特性[7]。這些研究多側(cè)重于理論方面，對于熱管產(chǎn)品的應用性研究較少，并未解決 CCD器件小空間高熱流密度散熱的問題。

根據(jù)當前遙感器發(fā)展趨勢，一方面電子學集成度越來越高，CCD器件熱耗不斷增大；另一方面，焦面電路規(guī)模也越來越大，CCD器件拼接數(shù)量不斷增多。這些都顯著增加了CCD器件的熱控技術(shù)難度，使之成為空間光學遙感器熱控領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一。本文設計了一種內(nèi)槽道為梯形的微型熱管，通過建立熱管傳熱特性的理論模型，分析了熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱特性的影響，確定了熱管的結(jié)構(gòu)尺寸；根據(jù)理論分析結(jié)果研制了熱管產(chǎn)品實物，完成了熱管傳熱性能的試驗驗證；結(jié)合某空間光學遙感器的分系統(tǒng)級熱平衡試驗，成功完成了該種熱管的應用性驗證。

2 設計計算及試驗驗證

2.1 槽道設計

槽道熱管的內(nèi)部槽道類型主要有Ω形、內(nèi)梯形、矩形等，綜合考慮加工工藝要求和傳熱能力需求，最終選擇了梯形槽道類型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。CCD器件背后的安裝空間決定了熱管外形的特征尺寸不能超過5mm。在這個前提下，影響熱管傳熱性能的參數(shù)主要包括蒸氣腔直徑Dv、吸液芯槽道數(shù)量n、槽道上底d、槽道下底w和槽道深度h。

圖1 微型槽道熱管結(jié)構(gòu)Fig.1 M icro-channel heat pipe structure

為使熱管達到最優(yōu)的換熱性能，需要對熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設計。槽道熱管傳熱能力計算公式為[8]：

其中，

為適應 CCD器件背后的安裝空間，首先限定微槽道熱管管殼截面尺寸為 5mm×4mm，繼而考慮到槽道間的強度要求，計算得合理槽道個數(shù)為 8，蒸氣腔直徑為1.7mm。最后利用Matlab仿真軟件編寫計算程序，針對梯形槽吸液芯的槽道上底d、下底w及槽深h等關(guān)鍵參數(shù)進行了組合仿真計算，得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下的熱管傳熱能力，如圖2所示。

計算結(jié)果表明：當吸液芯梯形槽的上底越窄，下底越寬，槽深越深時，傳熱量越大?？紤]到熱管制作時熱擠壓工藝的限制以及熱管成品后的管殼抗壓能力要求，最終確定的槽道熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)式（1），算得該種熱管理論傳熱能力為5.5 W·m。

圖2 不同參數(shù)條件下的熱管傳熱能力曲面Fig.2 Heat pipe heat transfer capability under different conditions

表1 梯形槽道微型熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 trapezoidal grooved m icro heat pipe structure parameters

2.2 試驗驗證

按照表1的設計值完成了熱管型材的制造，經(jīng)熱擠壓工藝得到的微型槽道熱管型材實物如圖3所示。將熱管型材按工藝清洗，再經(jīng)焊接、充灌超純氨（純度優(yōu)于99.9999%）和充液管口冷焊，完成了性能測試用熱管產(chǎn)品實物的研制。

圖3 微槽道熱管型材實物Fig.3 M icro-channel heat pipe

2.2.1 試驗方案

參照QJ 1284.2A-2004[9]，搭建了熱管傳熱性能試驗測試系統(tǒng)，如圖4所示。測試系統(tǒng)主要包括：待測試熱管、電加熱器、制冷機、冷板、測溫系統(tǒng)以及水平調(diào)節(jié)臺。電加熱器的發(fā)熱功率可由直流穩(wěn)壓電源控制，加熱片和導線阻值的總和為22?。在試驗中，制冷機溫度設為10℃，其控溫精度優(yōu)于±0.2℃。測溫系統(tǒng)包括：T-K型熱電偶、數(shù)字采集器和筆記本電腦。在熱管表面沿軸向布置9個測點（T1，T2，…，T9），用于測量熱管蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段溫度。

熱管蒸發(fā)段的長度為100mm，絕熱段為290mm，冷凝段為100mm。由于微型槽道逆重力能力很差，在進行熱管傳熱性能測試之前需對測試平臺進行水平度調(diào)節(jié)。為減少系統(tǒng)漏熱，在熱管的蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段均包裹隔熱材料。試驗測試過程按照QJ 1284.2A-2004執(zhí)行。

圖4 熱管傳熱性能測試系統(tǒng)示意Fig.4 Heat pipe heat transfer performance test system

本文共開展了12個工況的試驗研究，如表2所示。其中，單位長度傳熱量由式(2)計算得到[9]：

式中maxΦ為熱管有效長度為1m時的毛細極限熱流量。

表2 試驗工況Tab.2 Experimental conditions

2.2.2 試驗結(jié)果及分析

不同工況下熱管各部分溫度隨時間的變化如圖5所示。圖6為不同加熱功率下的熱管軸向溫度分布。

由圖5可以看出，由工況1到工況11的過程中，熱管各部分溫度變化穩(wěn)定；當進入工況12時，蒸發(fā)段(T1和T2)溫度急劇升高，而冷凝段(T9)溫度迅速下降。這種現(xiàn)象表明：熱管已經(jīng)到達了毛細極限，液體不能由冷凝段順利回流至蒸發(fā)段，從而導致了蒸發(fā)段液體不夠，溫度急劇上升，冷凝段液體積聚過多，溫度迅速下降。因此，熱管的極限傳熱量為工況11對應的11.93W。根據(jù)式（2），可知單位長度熱管傳熱能力為4.77 W·m。

圖5 不同工況溫度隨時間變化曲線Fig.5 The curve of temperature w ith time under different conditions

圖6 不同功率下的熱管軸向溫度曲線Fig.6 The curve of heat pipe axial temperature w ith different powers

除了傳熱極限，熱管的等溫性是熱管設計中需要考慮的重要傳熱性能參數(shù)[10]。如圖6所示，熱管工作溫度隨著功率增加而升高，但在每個功率的穩(wěn)定狀態(tài)，其沿軸向溫度分布均勻性均優(yōu)于±0.5℃，且絕熱段溫度基本保持恒定。這表明熱管內(nèi)熱量傳遞主要通過工質(zhì)的相變傳熱，該熱管等溫性能良好、傳熱性能優(yōu)越。目前在軌應用的CCD散熱熱管主要為5mm×3.4mm工字型熱管，其標稱傳熱能力為3.2W·m。試驗數(shù)據(jù)表明，本文設計的微型槽道熱管性能更優(yōu)。

由仿真計算的結(jié)果可知，該熱管的極限傳熱能力約為5.5 W·m，與試驗值相差約13%。這是由于仿真計算時對熱管進行了必要的簡化，理想情況計算中浸潤角取值為零；而微型熱管在加工過程中，由于表面處理工藝等因素的影響，實際浸潤角大于零，這將導致其實際的極限傳熱量小于理論分析值。

3 應用情況

5×4微型槽道熱管經(jīng)過傳熱能力試驗驗證及其它必要的產(chǎn)品鑒定試驗之后，目前已經(jīng)應用于多個在研遙感器。以某型號相機為例，該遙感器焦面有3片CCD器件成線陣排列，其散熱方案如圖7所示：通過3根5×4微型槽道熱管并聯(lián)粘于發(fā)熱元件CCD背后，CCD器件的熱耗通過微型槽道熱管迅速傳遞至轉(zhuǎn)接銅板上，再由普通槽道熱管將熱量轉(zhuǎn)移到星外散熱面，通過輻射排散到冷黑空間（圖7中不含普通熱管及散熱面）。

圖7 5×4微型槽道熱管的實際應用Fig.7 Appliance of 5×4 miniature grooved heat pipe

該CCD器件的自身熱耗為3W/片，電路板通過插針傳導給CCD的寄生熱量為1W，單片CCD實際散熱熱耗為4W。3片CCD同時工作，總的散熱量 12W。該相機的熱控方案中，5×4微型槽道熱管設計長度為760mm，通過式（2）計算，其單根熱管傳熱能力最高達6.28W，采用3根并聯(lián)的方式既滿足CCD的散熱需求，又留有足夠的設計裕度。遙感器的整機熱平衡試驗中，5×4微型槽道熱管在高溫工況下的溫度曲線如圖 8所示，滿足CCD溫度–5℃～10℃的溫度指標要求，試驗結(jié)果顯示其傳熱性能良好。

圖8 5×4微型槽道熱管熱平衡試驗溫度曲線Fig.8 The curve of 5×4 m iniature grooved heat pipes temperatures in thermal balance test

4 結(jié)束語

本文根據(jù)空間光學遙感器 CCD器件的散熱需求，設計了一種高性能的微型槽道熱管并完成了產(chǎn)品實物的研制，搭建熱管傳熱性能試驗測試系統(tǒng)，對熱管傳熱性能開展了試驗研究。結(jié)果表明：該種微型槽道熱管傳熱能力最高達4.77W·m，軸向溫度均勻性達到±0.5℃，能夠滿足現(xiàn)有型號遙感器CCD器件的散熱需求。該種微型槽道熱管已在某遙感器的初樣及正樣研制階段得到成功應用。

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