文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190569
中文引用格式： 張健，王子才，張華，等. 空間太陽能電池陣列模擬器的散熱系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(9)：110-113.
英文引用格式： Zhang Jian，Wang Zicai，Zhang Hua，et al. Design of cooling system in space solar array simulator[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(9)：110-113.
0 引言
衛(wèi)星電源會直接影響衛(wèi)星的性能和使用壽命，對其正常工作和使用至關(guān)重要。然而衛(wèi)星的工作環(huán)境惡劣、復(fù)雜，如溫度變化范圍寬、條件變化快和高頻顆粒輻射等[1-4]。已有的文獻(xiàn)[5-6]也指出，由于紫外線輻射、捕獲的電子和質(zhì)子等，太陽能電池板會經(jīng)歷逐漸和突然的功率損耗。空間軌道上的所有這些條件都不能通過地面的太陽能板來再現(xiàn)[7]。所以采用太陽能電池陣列模擬器模擬和測試空間工況下太陽陣的輸出特性是有重要意義和至關(guān)重要的。
空間太陽能電池模擬器(Space Solar Array Simulator，SSAS)的主要任務(wù)是在衛(wèi)星地面測試階段模擬實際太陽能電池方陣在空間的工作狀況，代替實際太陽能電池方陣為衛(wèi)星上各分系統(tǒng)供電，是空間電源地面測試系統(tǒng)必不可少的組成部分[8-9]。SSAS可用于不同特性及不同工況的太陽陣輸出特性的模擬。SSAS的特殊要求，大大簡化了地面測試系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時，也提高了地面測試系統(tǒng)的效率，縮短了空間電源系統(tǒng)從研發(fā)到產(chǎn)品正樣的周期[10]。
針對太陽能陣列模擬器要求在體積為2U的機箱內(nèi)實現(xiàn)2.4 kW的功率等級，初步計算該2U機箱內(nèi)產(chǎn)生的熱量約為800 W，考慮高功率密度、結(jié)構(gòu)簡單緊湊的特點選用了強迫風(fēng)冷散熱方式。該系統(tǒng)中的散熱器和風(fēng)扇尺寸不一致且距離較遠(yuǎn)，使得風(fēng)道的建立和優(yōu)化設(shè)計成為至關(guān)重要的問題。在不增加散熱器和風(fēng)扇的體積與重量的前提下有效提高散熱系統(tǒng)效率是合理優(yōu)化設(shè)計風(fēng)道的目標(biāo)，而優(yōu)化散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵則是引導(dǎo)冷卻氣流沖擊散熱表面，提高進(jìn)入散熱系統(tǒng)冷卻風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量，進(jìn)而提高散熱效率[11-20]。
1 強迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)
強迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容主要包括散熱風(fēng)扇選型、散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計。風(fēng)扇的兩個主要參數(shù)是風(fēng)量和風(fēng)壓，風(fēng)量取決于系統(tǒng)的總熱耗，風(fēng)壓與機箱系統(tǒng)的風(fēng)道設(shè)計及散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。散熱器依據(jù)由熱耗和風(fēng)壓決定的熱阻值選擇，風(fēng)壓通過系統(tǒng)的特性曲線表示[21]。
由能量守恒原理計算系統(tǒng)所需的總風(fēng)量為[22]：
式中：P為散熱系統(tǒng)冷卻風(fēng)道內(nèi)的阻力，單位為Pa；λ為風(fēng)道內(nèi)的摩擦阻力系數(shù)；Rs為冷卻風(fēng)道的水力半徑，單位為m；v為冷卻空氣在風(fēng)道內(nèi)的平均流速，單位為m/s；y為冷卻風(fēng)道長度即散熱器的長度，單位為m。
2 模擬器的散熱風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計
由電氣設(shè)計給出的電路圖和電器件確定太陽能電池陣列模擬器的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，綜合散熱設(shè)計、機械結(jié)構(gòu)和電氣性能的需求，將該模擬器布局劃分為線性、投切和Vicor三個模塊分別單獨設(shè)計，各模塊的獨立散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖2、圖3、圖4所示。
由圖2可以看出該部分散熱器的橫截面尺寸和風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)尺寸相同，因此采用規(guī)則形狀的長方體腔體構(gòu)建風(fēng)罩即可，不再進(jìn)行詳細(xì)研究。而對于圖3所示的Vicor部分考慮Vicor模塊的壓接式無螺紋特殊安裝要求，選用了Vicor自配的散熱器，使得該部分散熱器與風(fēng)扇之間的風(fēng)道不能通過規(guī)則形狀的長方體風(fēng)罩連接。于是本文設(shè)計了一款如圖5所示的喇叭形的風(fēng)罩連接散熱器與風(fēng)扇之間的風(fēng)道。同時對于圖4所示的投切部分，其散熱系統(tǒng)風(fēng)道與Vicor部分類似，因此該部分的風(fēng)道設(shè)計可參照Vicor部分。
3 散熱系統(tǒng)的數(shù)值模擬
以Vicor部分的風(fēng)道為例進(jìn)行有限元仿真分析，分別從風(fēng)速和溫度的分布圖兩方面進(jìn)行分析。
圖6和圖7分別是風(fēng)道優(yōu)化前后散熱系統(tǒng)Y-Z切面的速度矢量圖，由圖6可以看出優(yōu)化前大部分冷卻風(fēng)流線向散熱器的上下兩個方向偏折，極少部分流量通過散熱器，散熱器表面的傳熱系數(shù)達(dá)不到預(yù)期值，模塊的溫度偏高，達(dá)到了123 ℃。同時兩個吹風(fēng)風(fēng)扇的出口和兩個抽風(fēng)風(fēng)扇的進(jìn)口附近分別出現(xiàn)了上下兩個分離渦，該分離渦降低了部分氣流的流速，降低了散熱效率。為避免這種現(xiàn)象，構(gòu)建一個收縮型的風(fēng)道，既可以消除分離渦的影響，又可以增大通過散熱器的風(fēng)量，本文建立的收縮型風(fēng)道為喇叭形的風(fēng)罩，兩端分別連接風(fēng)扇和散熱器。圖7所示為風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計后的Y-Z切面速度矢量圖，優(yōu)化后大部分的風(fēng)量都進(jìn)入了散熱器內(nèi)部進(jìn)行冷卻，且優(yōu)化前的分離渦都得以消除，該條件下模塊的最高溫度降低到了87 ℃，低于最高允許溫度125 ℃。
圖8和圖9分別表示了模擬器設(shè)備內(nèi)對Vicor模塊部分增加喇叭形風(fēng)罩前后殼溫的穩(wěn)態(tài)分布結(jié)果?？梢钥闯觯惭b風(fēng)罩前模塊的最高殼溫達(dá)到了123 ℃，超出了模塊的允許結(jié)溫要求125 ℃，器件不能正常工作。這主要是因為該設(shè)備中風(fēng)扇與散熱器組件的橫截面尺寸大小不一致，風(fēng)扇很大部分的風(fēng)量實際都不能吹進(jìn)散熱器翅片內(nèi)部參與冷卻。安裝喇叭形的風(fēng)罩后風(fēng)扇的風(fēng)量全部被引導(dǎo)吹進(jìn)散熱器的翅片表面，且安裝風(fēng)罩后設(shè)備內(nèi)模塊的最高殼溫比無風(fēng)罩的設(shè)備降低了約36 ℃，說明安裝風(fēng)罩后更多的冷卻空氣參與了熱交換，散熱效果得以增強。因此，合理設(shè)計風(fēng)道的關(guān)鍵即是要引導(dǎo)盡可能多的冷卻氣流沖擊散熱器表面，充分利用風(fēng)量以增強熱交換，提高散熱效率。
4 散熱系統(tǒng)的實驗驗證
圖10所示為模擬器穩(wěn)態(tài)熱實驗的測試平臺，應(yīng)用風(fēng)速儀DT620、數(shù)據(jù)記錄儀LR8401-02分別測量設(shè)備進(jìn)出風(fēng)口處冷卻空氣的流速和監(jiān)測散熱器表面的溫度變化過程，用紅外攝像儀FLUKE TI32測試散熱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的溫度分布結(jié)果。
圖11所示為在環(huán)境溫度Ta=27.5 ℃條件下，用數(shù)據(jù)記錄儀LR8401-02測得的散熱器表面的瞬態(tài)溫升曲線。由實測的瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)可知Vicor模塊的殼溫約為74.1 ℃，推導(dǎo)得在40 ℃環(huán)境溫度條件下模塊的殼溫約為86.6 ℃，與仿真結(jié)果一致，說明本文建立的模型和分析方法是合理的。綜合穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的溫度測試結(jié)果可知風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計后電源模塊的最高殼溫低于其最高允許溫度，可以安全可靠地工作。
5 結(jié)論
本文以航天器測試用太陽能電池陣列模擬器的散熱系統(tǒng)設(shè)計為例，研究了散熱風(fēng)道的優(yōu)化設(shè)計對散熱效果的改進(jìn)影響。通過建立喇叭形風(fēng)罩連接散熱器與風(fēng)扇之間的風(fēng)道，提高了進(jìn)入散熱器肋片內(nèi)部參與冷卻的風(fēng)量，改進(jìn)了散熱系統(tǒng)的散熱性能。本文采用仿真分析方法分別從散熱系統(tǒng)的風(fēng)速分布和溫度分布兩方面對風(fēng)道優(yōu)化前后進(jìn)行了比較分析，風(fēng)道優(yōu)化前只有極少數(shù)的風(fēng)量進(jìn)入散熱器翅片內(nèi)且風(fēng)速較低，風(fēng)道優(yōu)化后大部分風(fēng)量參與冷卻且風(fēng)速得到極大提高。風(fēng)道優(yōu)化前電源模塊的殼溫升高到了123 ℃，不能正常工作；而風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計后Vicor部分的電源模塊殼溫降低到了87 ℃，可以安全可靠地工作。同時對優(yōu)化后的散熱系統(tǒng)建立熱測試平臺進(jìn)行了實驗驗證，結(jié)果表明與仿真結(jié)果一致，該散熱系統(tǒng)合理，優(yōu)化方法可行。
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作者信息:
張 健1，2，王子才1，張 華2，張東來3
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；
2.深圳航天科技創(chuàng)新研究院，廣東 深圳518057；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 機電工程與自動化學(xué)院，廣東 深圳518055)