《电子技术应用》
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空间太阳能电池阵列模拟器的散热系统设计
2019年电子技术应用第9期
张 健1,2,王子才1,张 华2,张东来3
1.哈尔滨工业大学 航天学院,黑龙江 哈尔滨150001; 2.深圳航天科技创新研究院,广东 深圳518057;3.哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院,广东 深圳518055
摘要: 针对大功率空间太阳能电池阵列模拟器的小型化要求,设计了一种2U机箱内实现2 400 W功率的高功率密度强迫风冷散热系统。该散热系统采用模块化结构,将整个机箱结构分为线性、投切和Vicor三部分分别建立独立的散热风道,重点研究投切和Vicor两部分的收缩型风道的优化设计。风道优化设计后的散热系统能够满足该设备的大功率散热需求,可将元器件的最高壳温控制在88 ℃,并通过有限元仿真和热实验进行验证,设备内器件都能够安全可靠地工作。
中图分类号: TM921.5
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190569
中文引用格式: 张健,王子才,张华,等. 空间太阳能电池阵列模拟器的散热系统设计[J].电子技术应用,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.
Design of cooling system in space solar array simulator
Zhang Jian1,2,Wang Zicai1,Zhang Hua2,Zhang Donglai3
1.School of Astronautics,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China; 2.Shenzhen Academy of Aerospace Technology,Shenzhen 518057,China; 3.School of Mechanical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology(Shenzhen),Shenzhen 518055,China
Abstract: For the high power solar array simulator, the requirements such as high power, miniaturization and modularization are higher. In this paper the total power of the simulator is 2.4 kW with the chassis height is no more than 2U. The forced air cooling is adopted. The modular structure is used in the forced cooling system according to the electrical connection requirement. The chassis is divided into three parts, the linear, the multilevel and the Vicor module. And the independent cooling air duct system is set up for each part. The contractile air duct of the multilevel and the Vicor part are optimized mainly. The forced air cooling system with the optimization design can satisfy the high power density requirements of the simulator. The maximum case temperature of the components can be controlled under 88 ℃, and all the devices in the simulator can work safely and reliably. The results are verified by both finite element simulation and thermal test.
Key words : simulator;forced air cooling;cooling system;modular;air duct optimization

0 引言

    卫星电源会直接影响卫星的性能和使用寿命,对其正常工作和使用至关重要。然而卫星的工作环境恶劣、复杂,如温度变化范围宽、条件变化快和高频颗粒辐射等[1-4]。已有的文献[5-6]也指出,由于紫外线辐射、捕获的电子和质子等,太阳能电池板会经历逐渐和突然的功率损耗。空间轨道上的所有这些条件都不能通过地面的太阳能板来再现[7]。所以采用太阳能电池阵列模拟器模拟和测试空间工况下太阳阵的输出特性是有重要意义和至关重要的。

    空间太阳能电池模拟器(Space Solar Array Simulator,SSAS)的主要任务是在卫星地面测试阶段模拟实际太阳能电池方阵在空间的工作状况,代替实际太阳能电池方阵为卫星上各分系统供电,是空间电源地面测试系统必不可少的组成部分[8-9]。SSAS可用于不同特性及不同工况的太阳阵输出特性的模拟。SSAS的特殊要求,大大简化了地面测试系统的复杂度,同时,也提高了地面测试系统的效率,缩短了空间电源系统从研发到产品正样的周期[10]

    针对太阳能阵列模拟器要求在体积为2U的机箱内实现2.4 kW的功率等级,初步计算该2U机箱内产生的热量约为800 W,考虑高功率密度、结构简单紧凑的特点选用了强迫风冷散热方式。该系统中的散热器和风扇尺寸不一致且距离较远,使得风道的建立和优化设计成为至关重要的问题。在不增加散热器和风扇的体积与重量的前提下有效提高散热系统效率是合理优化设计风道的目标,而优化散热系统的关键则是引导冷却气流冲击散热表面,提高进入散热系统冷却风道内的风量,进而提高散热效率[11-20]

1 强迫风冷散热系统的设计依据

    强迫风冷散热系统设计内容主要包括散热风扇选型、散热器的结构设计。风扇的两个主要参数是风量和风压,风量取决于系统的总热耗,风压与机箱系统的风道设计及散热器的结构设计有关。散热器依据由热耗和风压决定的热阻值选择,风压通过系统的特性曲线表示[21]

    由能量守恒原理计算系统所需的总风量为[22]

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式中:P为散热系统冷却风道内的阻力,单位为Pa;λ为风道内的摩擦阻力系数;Rs为冷却风道的水力半径,单位为m;v为冷却空气在风道内的平均流速,单位为m/s;y为冷却风道长度即散热器的长度,单位为m。

2 模拟器的散热风道优化设计

    由电气设计给出的电路图和电器件确定太阳能电池阵列模拟器的机械结构如图1所示,综合散热设计、机械结构和电气性能的需求,将该模拟器布局划分为线性、投切和Vicor三个模块分别单独设计,各模块的独立散热系统结构图分别如图2、图3、图4所示。

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    由图2可以看出该部分散热器的横截面尺寸和风扇的结构尺寸相同,因此采用规则形状的长方体腔体构建风罩即可,不再进行详细研究。而对于图3所示的Vicor部分考虑Vicor模块的压接式无螺纹特殊安装要求,选用了Vicor自配的散热器,使得该部分散热器与风扇之间的风道不能通过规则形状的长方体风罩连接。于是本文设计了一款如图5所示的喇叭形的风罩连接散热器与风扇之间的风道。同时对于图4所示的投切部分,其散热系统风道与Vicor部分类似,因此该部分的风道设计可参照Vicor部分。

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3 散热系统的数值模拟

    以Vicor部分的风道为例进行有限元仿真分析,分别从风速和温度的分布图两方面进行分析。

    图6和图7分别是风道优化前后散热系统Y-Z切面的速度矢量图,由图6可以看出优化前大部分冷却风流线向散热器的上下两个方向偏折,极少部分流量通过散热器,散热器表面的传热系数达不到预期值,模块的温度偏高,达到了123 ℃。同时两个吹风风扇的出口和两个抽风风扇的进口附近分别出现了上下两个分离涡,该分离涡降低了部分气流的流速,降低了散热效率。为避免这种现象,构建一个收缩型的风道,既可以消除分离涡的影响,又可以增大通过散热器的风量,本文建立的收缩型风道为喇叭形的风罩,两端分别连接风扇和散热器。图7所示为风道优化设计后的Y-Z切面速度矢量图,优化后大部分的风量都进入了散热器内部进行冷却,且优化前的分离涡都得以消除,该条件下模块的最高温度降低到了87 ℃,低于最高允许温度125 ℃。

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    图8和图9分别表示了模拟器设备内对Vicor模块部分增加喇叭形风罩前后壳温的稳态分布结果。可以看出,安装风罩前模块的最高壳温达到了123 ℃,超出了模块的允许结温要求125 ℃,器件不能正常工作。这主要是因为该设备中风扇与散热器组件的横截面尺寸大小不一致,风扇很大部分的风量实际都不能吹进散热器翅片内部参与冷却。安装喇叭形的风罩后风扇的风量全部被引导吹进散热器的翅片表面,且安装风罩后设备内模块的最高壳温比无风罩的设备降低了约36 ℃,说明安装风罩后更多的冷却空气参与了热交换,散热效果得以增强。因此,合理设计风道的关键即是要引导尽可能多的冷却气流冲击散热器表面,充分利用风量以增强热交换,提高散热效率。

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4 散热系统的实验验证

    图10所示为模拟器稳态热实验的测试平台,应用风速仪DT620、数据记录仪LR8401-02分别测量设备进出风口处冷却空气的流速和监测散热器表面的温度变化过程,用红外摄像仪FLUKE TI32测试散热系统稳态时的温度分布结果。

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    图11所示为在环境温度Ta=27.5 ℃条件下,用数据记录仪LR8401-02测得的散热器表面的瞬态温升曲线。由实测的瞬态温度数据可知Vicor模块的壳温约为74.1 ℃,推导得在40 ℃环境温度条件下模块的壳温约为86.6 ℃,与仿真结果一致,说明本文建立的模型和分析方法是合理的。综合稳态和瞬态的温度测试结果可知风道优化设计后电源模块的最高壳温低于其最高允许温度,可以安全可靠地工作。

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5 结论

    本文以航天器测试用太阳能电池阵列模拟器的散热系统设计为例,研究了散热风道的优化设计对散热效果的改进影响。通过建立喇叭形风罩连接散热器与风扇之间的风道,提高了进入散热器肋片内部参与冷却的风量,改进了散热系统的散热性能。本文采用仿真分析方法分别从散热系统的风速分布和温度分布两方面对风道优化前后进行了比较分析,风道优化前只有极少数的风量进入散热器翅片内且风速较低,风道优化后大部分风量参与冷却且风速得到极大提高。风道优化前电源模块的壳温升高到了123 ℃,不能正常工作;而风道优化设计后Vicor部分的电源模块壳温降低到了87 ℃,可以安全可靠地工作。同时对优化后的散热系统建立热测试平台进行了实验验证,结果表明与仿真结果一致,该散热系统合理,优化方法可行。

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作者信息:

张  健1,2,王子才1,张  华2,张东来3

(1.哈尔滨工业大学 航天学院,黑龙江 哈尔滨150001;

2.深圳航天科技创新研究院,广东 深圳518057;3.哈尔滨工业大学(深圳) 机电工程与自动化学院,广东 深圳518055)