一種用于單機熱真空試驗快速升降溫的調溫平臺設計及應用

劉 春，林博穎，武 飛，鄒世杰，劉 哲

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器單機產品在研制過程中需要進行熱真空試驗。熱真空試驗在真空容器中進行，同時配備特定形式的升降溫裝置以實現高低溫環(huán)境模擬。目前低溫環(huán)境一般靠熱沉實現；加熱裝置可根據試驗需求采用紅外加熱籠、紅外燈或薄膜電加熱器[1-2]；試驗產品與熱沉及加熱裝置之間的換熱一般以輻射為主。

熱真空試驗通常會對試驗產品的升降溫速率提出明確要求[3]，并規(guī)定升降溫的循環(huán)次數。在每個循環(huán)的初始降溫階段，因加熱功率能夠通過控制程序調節(jié)，故可保證產品溫度按設定的速率進行變化；當加熱裝置功率逐步降至0 以后，由于輻射散熱的溫差變小，產品的降溫開始變緩，所以可能出現無法滿足降溫速率的情況。

有些單機產品需要在熱真空試驗的低溫保持階段進行冷啟動或加電測試，期間會產生較大的附加熱量，導致試驗產品無法繼續(xù)在該溫度條件下保持溫度穩(wěn)定。如某型號探測器雷達單機組件的熱真空試驗要求高溫+65 ℃，低溫-55 ℃，升降溫速率≥1 ℃/min，循環(huán)次數3.5 次，并要求在首、尾高低溫保持階段進行大功率測試時不超出溫度允差（高溫+4 ℃，低溫-4 ℃）。為此，本文對該類單機產品的熱真空試驗進行了理論分析，結果表明其降溫速率和溫度穩(wěn)定性均不能滿足試驗技術指標要求。

提出采用熱傳導方式增強降溫能力的解決方案，利用熱分析軟件進行仿真驗證，設計和研制適用于該產品的調溫平臺，并完成試驗驗證，以探究適用于這類單機產品的通用試驗方法。

1 理論分析

1.1 極限降溫速率

熱真空試驗時，輻射換熱功率取決于產品表面溫度、表面特性、散熱面積和熱沉溫度。在不安裝加熱裝置情況下，一個表面積為A1、表面溫度為T1、發(fā)射率為ε1的試驗產品安裝在表面積為A0、表面溫度為T0、熱沉發(fā)射率為ε0的密閉容器中，可按照兩個漫灰表面組成的封閉腔進行分析[4]，輻射換熱功率為

式中σ 為斯忒藩-玻耳茲曼常量。由于熱沉表面發(fā)射率ε0＞0.9，且參試產品表面積A1與熱沉表面積A0相比為小量，所以輻射換熱公式可簡化為

考慮熱真空環(huán)境中無加熱裝置、產品無內熱源情況下的降溫過程，薄板僅通過單面輻射換熱時，單位時間內散發(fā)的熱量等于產品熱容變化量，即為

式中：ρ 為薄板密度；δ 為薄板厚度；c 為比熱容；ΔTt為降溫速率。

聯立式(2)與式(3)，得到降溫速率的表達式：

本文所述的這類單機產品通常為規(guī)則的立方結構，材質為鋁合金，表面進行發(fā)黑處理。單機內部的各類模塊及元器件一般是安裝在底板上，側殼和頂蓋一般為薄板結構。假設側殼厚度為3 mm，頂蓋厚度為4 mm，內部模塊及元器件按等質量的鋁合金折算成底板的附加高度，相當于底板厚度為16 mm。分別代入式(4)，可計算出相應的降溫速率，如表1 所示。

表1 不同厚度的鋁合金薄板極限降溫速率Table 1 The limit cooling rate of aluminum alloy sheets of different thicknesses

從表1 可看出，在[+65 ℃, -55 ℃]降溫區(qū)間內，該產品的側殼降溫速率大于1 ℃/min，勉強滿足要求；頂蓋降至-35.5 ℃后降溫速率開始小于1 ℃/min；底板幾乎全程降溫速率小于1 ℃/min。

以上計算是假設產品不受遮擋的極限情況。實際試驗中產品會受試驗工裝遮擋的影響，因此降溫速率會比理論值更小。此外，由于頂蓋、側殼及底板是一個整體，相互之間的導熱會對降溫速率產生影響。

1.2 溫度平衡條件

熱真空試驗中當產品溫度降低至低溫條件時，需及時調整加熱裝置功率，維持產品的溫度穩(wěn)定。在環(huán)境溫度（熱沉溫度）不變的情況下，加熱裝置需要增加相應的功率。溫度平衡時產品通過輻射散熱的功率等于加熱功率與產品內部發(fā)熱功率之和，即

將式(2)代入式(5)，得到溫度平衡時的加熱功率為

本文涉及的單機產品需要在低溫保持時進行啟動，產生60 W 的發(fā)熱功率。經計算，產品表面積A1=0.44 m2，低溫保持時T1= -55 ℃，代入式(6)，得到加熱裝置需增加的功率P= -10.96 W，與實際情況不符，即產品無法在該溫度繼續(xù)保持穩(wěn)定。

2 技術方案

根據前述分析計算，對于單機產品的熱真空試驗，無論是降溫速率不達標，或是在低溫保持時產品因測試產生額外熱量而無法繼續(xù)維持溫度穩(wěn)定，均是因為采用輻射換熱的方式進行降溫時試驗產品的散熱功率不足。而解決該問題的有效方法之一是以“熱傳導”的方式提升試驗降溫能力（對升溫能力也能夠有效提升）。此前已研究過增加導熱熱橋的形式，但試驗中需要根據產品溫度的變化斷開產品與熱橋的連接，而低溫下連接機構的設計是低溫熱橋設計的重點與難點之一[5]。本文提出一種新的解決方案，其技術核心是研制一個調溫平臺，試驗時產品安裝在調溫平臺上并緊密接觸，利用調溫平臺提高產品升/降溫速率。因此，調溫平臺需具備以下能力：

1）具備溫度快速調節(jié)功能；

2）溫度變化區(qū)域能夠覆蓋試驗需求溫度范圍，而且在該范圍內滿足升降溫速率要求（通常要求≥1 ℃/min）；

3）具有較強的“溫度牽引能力”，即考慮調溫平臺自身有一定熱容，不能因安裝產品后整體熱容增大導致升降溫速率降低。

在此需要指出，該方法需要利用接觸面進行傳熱，因此主要適用于具有平整安裝面的單機產品。

3 調溫平臺設計

3.1 結構設計

調溫平臺的設計采用類似插片式散熱器的結構（見圖1）。平臺上表面為產品安裝面板，下方為等間距排布的導熱基塊（見圖2），導熱基塊與安裝面板通過螺釘緊固為一個整體。調溫平臺的冷源依靠導熱基塊下端與冷板的接觸傳熱提供。導熱基塊靠上位置兩側安裝電加熱器，上端面開凹槽安裝測溫傳感器，通過控制導熱基塊上端面的溫度來控制產品安裝面板的溫度變化。導熱基塊設計為類似倒梯形截面的長條結構，目的是限制與冷板接觸部位的傳熱過大；而上端面盡量寬，保證與安裝面板有盡可能大的接觸面積，同時也有利于增大導熱基塊自身的熱容，減小產品安裝面板溫度變化對導熱基塊上端面溫度的沖擊。此外，采用這樣的截面形狀時，兩側電加熱器之間以及與底部冷邊界的距離不會太近，有助于降低導熱基塊內部的溫度梯度。

圖1 調溫平臺整體結構Fig.1 General structure of temperature control platform

圖2 導熱基塊組件結構Fig.2 Structure of the thermal conductive components

3.2 熱仿真驗證

3.2.1 熱仿真模型

對調溫平臺結構進行熱仿真以驗證其功能是否滿足需求。如圖3 所示，導熱基塊在產品安裝面板下方均勻排布，可近似認為每個導熱基塊的溫度分布相同；同時，考慮產品及安裝面板會對導熱基塊上端面溫度產生影響，故選取與導熱基塊等間距的分割區(qū)域進行熱分析。

對圖3 所示的模型進行合理假設：

1）導熱基塊沿長度方向無溫度變化，因此只分析橫截面的二維溫度分布；

2）安裝面板與產品底板在界面A、B 處水平方向溫度梯度為0，按絕熱處理；

3）產品底板界面C 被產品側殼、頂蓋包圍，不存在向熱沉輻射散熱的情況，按絕熱處理；

4）界面D、E 為電加熱器，工作時按第二類邊界條件處理，無功率輸出時按絕熱處理；

5）液氮冷板內壁按第一類邊界條件處理，即恒溫-180 ℃；

6）導熱基塊之間的密閉空間內存在相互輻射換熱，但因金屬表面發(fā)射率較低，而且相比熱傳導，輻射換熱功率為小量，可近似按絕熱處理。

為避免導熱基塊內熱流過大，導熱基塊材質選擇熱導率較低的不銹鋼[6]；而產品安裝面板需要較好的熱傳導性，故用銅板加工。此外，為減小產品底板與調溫平臺安裝面的接觸熱阻，安裝時涂抹導熱硅脂或加軟性材質隔熱墊。根據工程經驗，接觸面在加導熱填料的情況下，其導熱系數一般在500～2000 W/(m2·K)之間，如果采用熱導率高的金屬箔為填料，然后施以足夠的壓力壓緊，其導熱系數可達5000 W/(m2·K)[7]。

3.2.2 溫度均勻性驗證

使用Thermal Desktop 軟件進行仿真。穩(wěn)態(tài)情況下，導熱基塊上端面平均溫度分別為-100 ℃、0 ℃、100 ℃時的電加熱器功率及溫度均勻性計算結果詳見表2。

表2 穩(wěn)態(tài)時電加熱器功率值與溫度均勻性Table 2 Temperature uniformity and corresponding power of the heater in steady state

圖4(a)、(b)、(c)分別為導熱基塊上端面平均溫度為-100 ℃、0 ℃、100 ℃時的截面溫度分布圖?？梢钥闯觯S著加熱功率的增大，導熱基塊上端面的溫度不均勻性有逐漸變差的趨勢，但最差不超過0.8 ℃。因此，圖2 中測溫傳感器所測得的溫度能夠很好地代表導熱基塊上端面的平均溫度。

圖4 導熱基塊上端面平均溫度為-100、0、100 ℃時截面溫度云圖Fig.4 Temperature distributions on cross section of heat conductive device with average temperature of -100,0,and 100 ℃

3.2.3 升/降溫能力驗證

對導熱基塊的升溫能力進行驗證：當導熱基塊上端面溫度為-100 ℃時，更改電加熱器輸出功率，使其按照100 ℃平衡電流的1.23 倍（功率增至1.5 倍）進行加熱，得到導熱基塊上端面溫升曲線，如圖5 所示。根據瞬態(tài)計算結果，當溫度升至100 ℃時，溫度變化率為6 ℃/min。

圖5 導熱基塊定功率升溫時上端面溫度曲線Fig.5 Temperature distribution on top surface of the conductive device with regular power heating

對導熱基塊的極限降溫能力進行驗證：當導熱基塊上端面溫度為0 ℃時，電加熱器斷電，得到導熱基塊上端面溫降曲線，如圖6 所示。根據瞬態(tài)計算結果，當溫度降至-100 ℃時，溫度變化率為-3.4 ℃/min。

圖6 導熱基塊斷電降溫時上端面溫度曲線Fig.6 Temperature distribution on top surface of conductive device with power-off cooling

驗證導熱基塊升、降溫能力時分別按特定功率與極限情況進行計算。實際應用中，利用基于PID 的多通道控溫程序，可以實時調節(jié)程控電源輸出功率，實現導熱基塊上端面溫度按照預先設定的速率進行升/降溫。

3.2.4 試驗過程模擬

對于穩(wěn)態(tài)情況，基于前述的假設條件，產品底板的溫度能夠與導熱基塊上端面溫度保持一致；但對于瞬態(tài)情況，熱量的傳遞以及溫度的平衡需要一定時間。在使用調溫平臺進行試驗時，若將產品溫度直接作為控制目標，則會因為溫度響應速率過慢而導致超調；同時，也不利于加熱分區(qū)的細分，以致安裝面板的溫度均勻性無法得到保證。因此，選擇導熱基塊上端面溫度為控制點進行控溫。

為驗證產品底板溫度的跟隨效果，使用Thermal Desktop 軟件對溫度循環(huán)過程進行動態(tài)仿真。當導熱基塊上端面溫度按照預設的曲線（高溫+65 ℃，低溫-55 ℃，升/降溫速率1.5 ℃/min，高低溫停留時間2 h）進行變化，計算得到產品底板平均溫度的變化曲線如圖7 所示。

圖7 產品溫度跟隨效果曲線Fig.7 Temperature follow-up of product with the conductive device

從圖7 可看出，產品底板溫度曲線與導熱基塊上端面溫度變化基本一致，但存時間延遲。延遲時長主要與接觸面的導熱填料有關。當安裝面板與導熱基塊、以及安裝面與產品底板之間傳熱系數為500 W/(m2·K)時，升降溫期間的延遲時間為6 min，高低溫穩(wěn)定的延遲時間約30 min，即對應圖7 所示的溫度曲線。導致高低溫穩(wěn)定延遲增加的原因是導熱基塊上端面到達目標溫度穩(wěn)定后與產品底板之間的熱流量變小。實際控溫時，可采取保守方法，將控溫點溫度保持延長相應的時間；也可采取人工干預的形式，即在升（降）溫操作時將導熱基塊上端面預設溫度提升（降低）一定幅度，待底板溫度接近目標溫度時，逐步調整導熱基塊上端面溫度至預設值。

4 試驗實施及試驗結果

對于單機類產品，其內部模塊及元器件一般是安裝在底板上，可以認為產品的熱容以及測試發(fā)熱的部位主要集中在底部，因此選擇底板作為與調溫平臺進行接觸傳熱的部位是非常合理的。對于產品的側殼與頂蓋，由于厚度較小，使用常規(guī)的紅外籠進行加熱。圖8 為產品及試驗工裝的安裝示意圖。試驗時調溫平臺的導熱基塊均分為6 組，每組對應1 個控制回路；紅外加熱籠的5 個加熱面各自為1 個控制回路，每個加熱面對應1 個熱電偶測溫點。

圖8 正式試驗產品及工裝狀態(tài)Fig.8 State of DUT and fixture

試驗時以產品底板溫度T1、T2作為溫度判據，利用多通道控溫系統驅動直流電源對調溫平臺導熱基塊與產品側殼及頂蓋進行控溫，升降溫速率設定為1.2 ℃/min。圖9 為試驗期間產品底板的溫度曲線，可見，高低溫指標、升降溫速率均滿足試驗需求，其中在高低溫保持階段的溫度波動由產品加電測試引起，但均在4 ℃允差范圍內。

圖9 正式試驗產品溫度曲線Fig.9 Temperature curve of the DUT in the test

5 結束語

增加熱傳導是增強熱真空試驗升降溫能力的有效方式。本文根據試驗需求與產品狀態(tài)研制了具有快速升降溫能力的調溫平臺。在進行該平臺結構設計時，綜合考慮了控溫效果、升降溫能力、溫度均勻性等參數指標，并利用熱分析軟件進行了仿真驗證，優(yōu)化了結構模型。作為調溫平臺關鍵部位的導熱基塊，其結構已基本定型，可根據不同試驗產品的尺寸對調溫平臺面積進行擴展。該平臺已在多個單機產品的熱真空試驗中得到應用，效果顯著。