一種微型槽道熱管的性能分析與試驗(yàn)研究

顏吟雪 李春林 趙振明 魯盼

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

1 引言

CCD器件是傳輸型空間光學(xué)遙感器的核心部件，是空間光學(xué)相機(jī)能否獲取高質(zhì)量圖片的關(guān)鍵，其熱控效果對(duì)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(shè)計(jì)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(qiáng)、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，是解決CCD器件散熱的主要途徑[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此類微型熱管開展了大量的研究工作，Longtin[3]和Valerie Sartre[4]等對(duì)三角形截面的微型熱管進(jìn)行了理論及仿真分析研究；Cao Y[5]和張麗春[6]等對(duì)矩形槽道熱管的傳熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)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(dòng)時(shí)的界面特性[7]。這些研究多側(cè)重于理論方面，對(duì)于熱管產(chǎn)品的應(yīng)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(dāng)前遙感器發(fā)展趨勢(shì)，一方面電子學(xué)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(xué)遙感器熱控領(lǐng)域的關(guān)鍵問題之一。本文設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)物，完成了熱管傳熱性能的試驗(yàn)驗(yàn)證；結(jié)合某空間光學(xué)遙感器的分系統(tǒng)級(jí)熱平衡試驗(yàn)，成功完成了該種熱管的應(yīng)用性驗(yàn)證。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 槽道設(shè)計(jì)

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(gè)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(dá)到最優(yōu)的換熱性能，需要對(duì)熱管結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。槽道熱管傳熱能力計(jì)算公式為[8]：

其中，

為適應(yīng) 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(qiáng)度要求，計(jì)算得合理槽道個(gè)數(shù)為 8，蒸氣腔直徑為1.7mm。最后利用Matlab仿真軟件編寫計(jì)算程序，針對(duì)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(jìn)行了組合仿真計(jì)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(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)吸液芯梯形槽的上底越窄，下底越寬，槽深越深時(shí)，傳熱量越大?？紤]到熱管制作時(shí)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(yàn)驗(yàn)證

按照表1的設(shè)計(jì)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(shí)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(cè)試用熱管產(chǎn)品實(shí)物的研制。

圖3 微槽道熱管型材實(shí)物Fig.3 M icro-channel heat pipe

2.2.1 試驗(yàn)方案

參照QJ 1284.2A-2004[9]，搭建了熱管傳熱性能試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，如圖4所示。測(cè)試系統(tǒng)主要包括：待測(cè)試熱管、電加熱器、制冷機(jī)、冷板、測(cè)溫系統(tǒng)以及水平調(diào)節(jié)臺(tái)。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(dǎo)線阻值的總和為22?。在試驗(yàn)中，制冷機(jī)溫度設(shè)為10℃，其控溫精度優(yōu)于±0.2℃。測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)（T1，T2，…，T9），用于測(cè)量熱管蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段溫度。

熱管蒸發(fā)段的長(zhǎng)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(jìn)行熱管傳熱性能測(cè)試之前需對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)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(yàn)測(cè)試過程按照QJ 1284.2A-2004執(zhí)行。

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

本文共開展了12個(gè)工況的試驗(yàn)研究，如表2所示。其中，單位長(zhǎng)度傳熱量由式(2)計(jì)算得到[9]：

式中maxΦ為熱管有效長(zhǎng)度為1m時(shí)的毛細(xì)極限熱流量。

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Experimental conditions

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同工況下熱管各部分溫度隨時(shí)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(dāng)進(jìn)入工況12時(shí)，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(dá)了毛細(xì)極限，液體不能由冷凝段順利回流至蒸發(fā)段，從而導(dǎo)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(duì)應(yīng)的11.93W。根據(jù)式（2），可知單位長(zhǎng)度熱管傳熱能力為4.77 W·m。

圖5 不同工況溫度隨時(shí)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(shè)計(jì)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(gè)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(yīng)用的CCD散熱熱管主要為5mm×3.4mm工字型熱管，其標(biāo)稱傳熱能力為3.2W·m。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文設(shè)計(jì)的微型槽道熱管性能更優(yōu)。

由仿真計(jì)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(yàn)值相差約13%。這是由于仿真計(jì)算時(shí)對(duì)熱管進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化，理想情況計(jì)算中浸潤(rùn)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(shí)際浸潤(rùn)角大于零，這將導(dǎo)致其實(shí)際的極限傳熱量小于理論分析值。

3 應(yīng)用情況

5×4微型槽道熱管經(jīng)過傳熱能力試驗(yàn)驗(yàn)證及其它必要的產(chǎn)品鑒定試驗(yàn)之后，目前已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)在研遙感器。以某型號(hào)相機(jī)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(shí)際應(yīng)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(dǎo)給CCD的寄生熱量為1W，單片CCD實(shí)際散熱熱耗為4W。3片CCD同時(shí)工作，總的散熱量 12W。該相機(jī)的熱控方案中，5×4微型槽道熱管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為760mm，通過式（2）計(jì)算，其單根熱管傳熱能力最高達(dá)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(shè)計(jì)裕度。遙感器的整機(jī)熱平衡試驗(yàn)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(biāo)要求，試驗(yàn)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(yàn)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(xué)遙感器 CCD器件的散熱需求，設(shè)計(jì)了一種高性能的微型槽道熱管并完成了產(chǎn)品實(shí)物的研制，搭建熱管傳熱性能試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)熱管傳熱性能開展了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：該種微型槽道熱管傳熱能力最高達(dá)4.77W·m，軸向溫度均勻性達(dá)到±0.5℃，能夠滿足現(xiàn)有型號(hào)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(yīng)用。

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