文獻標識碼： 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設計[J].電子技術應用，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
衛星電源會直接影響衛星的性能和使用壽命，對其正常工作和使用至關重要。然而衛星的工作環境惡劣、復雜，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[5-6]也指出，由于紫外線輻射、捕獲的電子和質子等，太陽能電池板會經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[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重要的。
空間太陽能電池模擬器(Space Solar Array Simulator，SSAS)的主要任務是在衛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星上各分系統供電，是空間電源地面測試系統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的復雜度，同時，也提高了地面測試系統的效率，縮短了空間電源系統從研發到產品正樣的周期[10]。
針對太陽能陣列模擬器要求在體積為2U的機箱內實現2.4 kW的功率等級，初步計算該2U機箱內產生的熱量約為800 W，考慮高功率密度、結構簡單緊湊的特點選用了強迫風冷散熱方式。該系統中的散熱器和風扇尺寸不一致且距離較遠，使得風道的建立和優化設計成為至關重要的問題。在不增加散熱器和風扇的體積與重量的前提下有效提高散熱系統效率是合理優化設計風道的目標，而優化散熱系統的關鍵則是引導冷卻氣流沖擊散熱表面，提高進入散熱系統冷卻風道內的風量，進而提高散熱效率[11-20]。
1 強迫風冷散熱系統的設計依據
強迫風冷散熱系統設計內容主要包括散熱風扇選型、散熱器的結構設計。風扇的兩個主要參數是風量和風壓，風量取決于系統的總熱耗，風壓與機箱系統的風道設計及散熱器的結構設計有關。散熱器依據由熱耗和風壓決定的熱阻值選擇，風壓通過系統的特性曲線表示[21]。
由能量守恒原理計算系統所需的總風量為[22]：
式中：P為散熱系統冷卻風道內的阻力，單位為Pa；λ為風道內的摩擦阻力系數；Rs為冷卻風道的水力半徑，單位為m；v為冷卻空氣在風道內的平均流速，單位為m/s；y為冷卻風道長度即散熱器的長度，單位為m。
2 模擬器的散熱風道優化設計
由電氣設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構如圖1所示，綜合散熱設計、機械結構和電氣性能的需求，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計，各模塊的獨立散熱系統結構圖分別如圖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扇的結構尺寸相同，因此采用規則形狀的長方體腔體構建風罩即可，不再進行詳細研究。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扇之間的風道不能通過規則形狀的長方體風罩連接。于是本文設計了一款如圖5所示的喇叭形的風罩連接散熱器與風扇之間的風道。同時對于圖4所示的投切部分，其散熱系統風道與Vicor部分類似，因此該部分的風道設計可參照Vicor部分。
3 散熱系統的數值模擬
以Vicor部分的風道為例進行有限元仿真分析，分別從風速和溫度的分布圖兩方面進行分析。
圖6和圖7分別是風道優化前后散熱系統Y-Z切面的速度矢量圖，由圖6可以看出優化前大部分冷卻風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達不到預期值，模塊的溫度偏高，達到了123 ℃。同時兩個吹風風扇的出口和兩個抽風風扇的進口附近分別出現了上下兩個分離渦，該分離渦降低了部分氣流的流速，降低了散熱效率。為避免這種現象，構建一個收縮型的風道，既可以消除分離渦的影響，又可以增大通過散熱器的風量，本文建立的收縮型風道為喇叭形的風罩，兩端分別連接風扇和散熱器。圖7所示為風道優化設計后的Y-Z切面速度矢量圖，優化后大部分的風量都進入了散熱器內部進行冷卻，且優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備內對Vicor模塊部分增加喇叭形風罩前后殼溫的穩態分布結果。可以看出，安裝風罩前模塊的最高殼溫達到了123 ℃，超出了模塊的允許結溫要求125 ℃，器件不能正常工作。這主要是因為該設備中風扇與散熱器組件的橫截面尺寸大小不一致，風扇很大部分的風量實際都不能吹進散熱器翅片內部參與冷卻。安裝喇叭形的風罩后風扇的風量全部被引導吹進散熱器的翅片表面，且安裝風罩后設備內模塊的最高殼溫比無風罩的設備降低了約36 ℃，說明安裝風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，合理設計風道的關鍵即是要引導盡可能多的冷卻氣流沖擊散熱器表面，充分利用風量以增強熱交換，提高散熱效率。
4 散熱系統的實驗驗證
圖10所示為模擬器穩態熱實驗的測試平臺，應用風速儀DT620、數據記錄儀LR8401-02分別測量設備進出風口處冷卻空氣的流速和監測散熱器表面的溫度變化過程，用紅外攝像儀FLUKE TI32測試散熱系統穩態時的溫度分布結果。
圖11所示為在環境溫度Ta=27.5 ℃條件下，用數據記錄儀LR8401-02測得的散熱器表面的瞬態溫升曲線。由實測的瞬態溫度數據可知Vicor模塊的殼溫約為74.1 ℃，推導得在40 ℃環境溫度條件下模塊的殼溫約為86.6 ℃，與仿真結果一致，說明本文建立的模型和分析方法是合理的。綜合穩態和瞬態的溫度測試結果可知風道優化設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設計為例，研究了散熱風道的優化設計對散熱效果的改進影響。通過建立喇叭形風罩連接散熱器與風扇之間的風道，提高了進入散熱器肋片內部參與冷卻的風量，改進了散熱系統的散熱性能。本文采用仿真分析方法分別從散熱系統的風速分布和溫度分布兩方面對風道優化前后進行了比較分析，風道優化前只有極少數的風量進入散熱器翅片內且風速較低，風道優化后大部分風量參與冷卻且風速得到極大提高。風道優化前電源模塊的殼溫升高到了123 ℃，不能正常工作；而風道優化設計后Vicor部分的電源模塊殼溫降低到了87 ℃，可以安全可靠地工作。同時對優化后的散熱系統建立熱測試平臺進行了實驗驗證，結果表明與仿真結果一致，該散熱系統合理，優化方法可行。
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作者信息:
張 健1，2，王子才1，張 華2，張東來3
(1.哈爾濱工業大學 航天學院，黑龍江 哈爾濱150001；
2.深圳航天科技創新研究院，廣東 深圳518057；3.哈爾濱工業大學(深圳) 機電工程與自動化學院，廣東 深圳518055)