相变热控在高空光学遥感器CCD组件中的应用

相变热控在高空光学遥感器CCD组件中的应用

曾悦

天津蓝巢电力检修有限公司天津市西青区300380

摘要：随着科学技术的高速发展，高空光学遥感器作为一种有效的光电载荷，已在航空遥感、测绘和侦察等领域得到了广泛应用。为保证高空光学遥感器CCD组件所需的温度水平，利用石蜡类材料的相变储热特性，设计了一种相变热控方案。分析了相变热控中封装容器及导热增强体材料。利用热平衡方程，计算了相变材料用量，设计了封装容器及导热增强体。通过CCD组件热试验测试了热控方案的热控效果，满足热控指标要求。

关键词：遥感器；CCD组件；相变材料；相变热控

高空光学遥感器热控制技术是一门综合多学科的新技术，涉及传热学、材料学、光学、电子学、空气动力学、计算数学、化学以及试验测量技术等学科。进行热设计时，要统筹光机电热之间的相互关系，合理选择光学材料、结构材料及热控材料，实现光机电热一体化设计。由于科技发展及信息战争需求的牵引，CCD组件作为高空光学遥感器成像关键电子设备，日趋小型化和高集成化，CCD器件的热流密度和发热量也越来越大。高空环境下，空气稀薄，对流作用很小；且遥感器外部会受到空气动力学的影响。传统的对流散热及热管导热方式已不能满足日益增长的热控要求。如果CCD器件产生的热量不能及时散发，将导致CCD组件温度急剧上升且波动较大，造成CCD器件的热噪声和暗电流增大，使系统信噪比降低，影响到光学遥感器的成像质量。因此，合理有效的热控设计是提高CCD组件可靠性，保证光学遥感器成像质量的重要措施。

一、CCD组件相变热控方案

该CCD组件为封装箱体结构，像面尺寸为48mm×36mm。相变热控方案主要由相变材料、封装容器、导热增强体和导热填料等组成，如图所示。相变材料利用相变潜热储热，当被控件表面温度上升到相变材料相变点时,发生相变吸收热量，实现热控功能；导热增强体通过增大与相变材料的接触面积，提高相变热控装置的热控性能；封装容器用于防止相变材料(固-液相变型)在相变过程中熔化所导致的液相流失；导热填料可以将接触面内的空气挤出，降低接触热阻，以增强导热能力。

1、相变材料。一般来说，用于CCD组件热控的相变材料应具有以下特性：相变温度适应CCD组件热控需要，略低于最高工作温度；相变潜热高；导热系数大；比热大；相变过程可逆性好，体积变化小；稳定性好；密度低；无毒、无腐蚀性；价格低廉；使用寿命高。该CCD组件的工作温度范围为-10～35℃，综合考虑各项因素后选用相变温度为28～31℃的正十八烷相变材料，该材料属于石蜡类材料，相变过程为固-液相变，乙酸十八(烷)醇酯含量大于99％，具有相变潜热较高、性能稳定、无毒、无腐蚀性及价格低廉等特点。

2、封装容器及导热增强体。封装容器是相变材料的盛放容器，为防止相变过程中液相流失，要进行密封设计。导热增强体在相变热控装置中提供低热阻通道，提高等效导热性，降低相变材料内部的温度梯度，提高储热量。适用于相变热控的封装容器和导热增强体材料都应具有密度小、导热系数大、加工性能优异及相容性好等特点。综合比较铝合金、钛合金及不锈钢等材料的性能，选择导热系数高、比热大、密度小及耐腐蚀性好的铝合金作为相变材料理想的封装容器和导热增强体材料。导热增强体的结构形式主要有铝翅片、铝蜂窝、铝泡沫等。考虑导热增强体与封装容器的材料相同，结合机械加工工艺，将导热增强体与封装容器作为一体形式，采用错位铝翅片作为导热增强体结构形式。利用密封圈可以实现封装容器的密封，有效解决了相变材料在相变后液相流动的泄漏问题。封装容器外部两侧的散热片亦可以增强其自身散热能力。式中：△T为CCD组件温差，△T=10K；c为相变材料比热容；m′为CCD组件铝件等效质量，m=0.4kg；c′为铝比热容，c′=921J/(kg•K)。

二、热计算

由于CCD组件的工作模式为连续式工作，即在航摄期间CCD组件连续产生热耗。忽略热对流的影响，CCD组件的发热量主要由3部分吸收：一是由相变材料相变所吸收的热量；二是通过热辐射散到CCD组件周围环境中；三是CCD组件吸热升温；则热平衡方程为：

式中：ε为散热表面发射率，取ε=0.93；A为散热面积，A=0.05m2；σ为斯特藩-玻耳兹曼常数，σ=5.67×10-8W/(m2•K4)；T1为散热面温度，根据相变材料的相变温度取T1=301K；T2为周围环境温度，T2=291K。忽略电子器件的热容，则CCD组件升温时吸热量为：式中：△T为CCD组件温差，△T=10K；c为相变材料比热容；m′为CCD组件铝件等效质量，m=0.4kg；c′为铝比热容，c′=921J/(kg•K)。联立上式，可知所需相变材料的质量为m=0.125kg。

三、热试验

1、试验装置。为无有相变热控试验装置照片。将CCD组件放置于恒温室内(18℃)，在CCD组件四周放置4个传感器，以便进行温度测量并记录；然后将相变热控装置通过导热脂安装在CCD组件一侧，进行对比试验。试验装置主要由CCD组件、相变热控装置、温度传感器、温度控制系统及28V电源组成。

2、试验结果与分析。利用CCD组件连续工作2h内的温度变化情况来评价相变热控效果。从获得的试验结果曲线中可知，CCD组件连续工作2h，无相变热控时，CCD组件温度上升较快，初始升温速率约为0.5℃/min，随后温度上升速率减慢，最后达到41.4℃；有相变热控时，CCD组件温度上升缓慢，初始升温速率约为0.3℃/min，随着温度达到相变材料的相变温度，CCD组件温度维持在28℃，保持恒定。由此可见，相变热控使CCD组件在连续工作过程中的温度水平保持在18～28℃，有效防止了CCD组件因热量过高而引起的温度快速上升。同时说明热计算正确，相变材料含量满足相变热控要求，相变热控方案合理有效。

对大面阵CCD组件具有发热量高、升温快等特点，设计了采用具有固定熔点的正十八烷材料的相变热控方案。热试验结果表明，采用相变材料的热控措施有效防止了CCD组件连续工作过程中的温度过高以及温升速率过快，CCD组件温度范围为18～28℃，满足热控指标要求。该相变热控方案已成功应用于某高空光学遥感器，并获得了稳定、清晰的航摄图像，可以作为其他航空光学遥感器CCD组件热控设计的参考。

参考文献：

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[2]李延伟，杨洪波，张洪文．相变热控在高空光学遥感器CCD组件中的应用[J]．红外与激光工程，2016，（09）．

[3]陈立恒，李延春．空间相机大功率CCD器件的热设计与热试验[J]．光学精密工程，2016，（12）．