空間觀(guān)測設備熱設計與熱分析

第28卷第11期光機電信息Vol 28 No, 11OME Information文章編號:1007-11802011)11-0063-05空間觀(guān)測設備熱設計與熱分析徐振(中國科學(xué)院長(cháng)春光學(xué)精密機槭與物理研究所,吉林長(cháng)春130033摘要:以觀(guān)測設備為研究對象,根據觀(guān)測設備工作的環(huán)境和本身結構特點(diǎn),選擇了傳導散熱措施;在研究傳導散熱理論基礎上,對大功耗元器件進(jìn)行了傳導散熱設計。通過(guò)建立有限元模型,對散熱片的厚度、散熱片的接觸面積與各功耗器件的穩態(tài)溫度關(guān)系進(jìn)行了分析和優(yōu)化,得到散熱片的最優(yōu)傳導面積。實(shí)驗結果表明,進(jìn)行了熱設計的觀(guān)測設備,在環(huán)境溫度為-20-~50℃的環(huán)境中,通電工作正常,且穩態(tài)溫度不超過(guò)85℃滿(mǎn)足使用要求。關(guān)鍵詞:觀(guān)測設備;傳導散熱;熱設計;熱分析中圖分類(lèi)號:V248.3文獻標識碼:ADOI:10.3788/OMEI20l128110063Thermal Design and Thermal Analysis of Space Observation EquipmentXU ZhenChangchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of SciencesChangchun 130033, China)Abstract: On the research of observation equipment, the method of heat conduction was chosen aiming at high-powerelectronic components based on the working environment and structure characteristics. The thermal design wasfinished on the research of heat conduction theory for the high-power electronic components. After the finite elementmodel was built, the relations between the thickness and contact area of heat sink and the steady temperature of highpower electronic components were analyzed, and the design of heat sink was optimized. The experimental resultsshowed that the equipment worked well in range of -30-50C environment, and the steady temperature was less than85C. Therefore, the equipment of thermal design can satisfy the temperature requirements in the space environment.Keywords: observation equipment; heat conduction; thermal design; thermal analysi中國煤化工63CNMHG出機電信第28卷第11期(1 E InformaionVol 28 No. 11引言表1電子元器件功耗表元器件功耗(W)工作環(huán)境溫度(℃)位置運載火箭穿過(guò)大氣層時(shí),與大氣摩擦產(chǎn)生大量照明系統2.4-40-85相機前端的熱量,并產(chǎn)生聲振等危害。為了保護有效載荷順壓縮芯片3.0-40-85視頻模塊利送達預定軌道,需要利用整流罩來(lái)保護有效載荷電源40-85電源模塊通過(guò)大氣層。在達到空氣稀薄的高空,有效載荷無(wú)CPU芯片3.040~85主控模塊需保護時(shí),衛星整流罩盡早與運載火箭解鎖分離。因此,在運載火箭整流罩內部搭載空間觀(guān)測設22熱控措施選擇及結構布局基于對熱控措施實(shí)現手段的復雜程度、可靠性備,實(shí)時(shí)監測整流罩與運載火箭分離的過(guò)程,變得等因素的考慮,設備采用了被動(dòng)熱控措施。該設備尤為重要4由于空間觀(guān)測設備體積較小、電子設備功率大工作于稀薄大氣層中,對流和輻射只能帶走很小部分熱量,設備主要采用熱傳導的方式導出熱量。等因素的影響,導致單位體積的熱密度較高,需要照明系統安裝在相機的前端,為相機拍攝提供及時(shí)導出熱量,保證系統在正常溫度環(huán)境下工作。照明。為了方便照明燈的熱量及時(shí)導出,將照明燈本文根據空間觀(guān)測設備的技術(shù)狀態(tài),在研究散的安裝基板與設備前箱壁直接連接。試驗結果表明熱理論的基礎上,針對大功率器件進(jìn)行了相應的熱照明燈工作正常,導熱效果明顯。設計和熱分析,并以此為指導研制了樣機。通過(guò)對設備在發(fā)射過(guò)程中,力學(xué)環(huán)境比較惡劣,振動(dòng)、樣機的熱試驗,驗證了熱設計的合理性和方案的可沖擊對電源模塊、主控模塊和視頻模塊本身及其電行性。子元器件提出了嚴峻考驗?；谏鲜隹紤],電源模2設備的熱設計塊、主控模塊和視頻模塊等與機箱壁之間需要采用2.1研究對象定的隔振措施,避免直接連接。這種結構布局給空間觀(guān)測設備主要包括以下幾部分:照明系統、大功率元器件地傳導散熱帶來(lái)了非常不利的影響相機、電源模塊、主控模塊、視頻模塊和電箱結構因此,各電子模塊熱量的導岀,需要通過(guò)專(zhuān)用的導熱管道,將熱量盡可能地導出到箱體側壁。件在進(jìn)行散熱片設計時(shí),散熱片的剛度不能太高電源模塊主控模塊以避免箱體的振動(dòng)通過(guò)散熱片直接傳遞給電子元器顆模塊件。安裝散熱片時(shí),采用硅橡膠將散熱片直接粘貼相機到電子元器件表面,既保證二者之間能夠很好地傳遞熱量,又避免二者之間的剛性接觸。圖2所示為電子模塊散熱設計結構布局圖。進(jìn)行傳導散熱時(shí),外界吸收的熱量公式為:Qt)=k·△7(t)td(t)(1)照明系統式中:S為導熱面積;K為導熱系數;ΔT(t)為散熱圖!空間觀(guān)測設備結構示意圖片兩端之間的溫差;h為熱傳導距離。在設備內部主要包括以下大功率器件,如表1通過(guò)式(1)可以看出,在達到熱平衡時(shí),芯片所示。的功耗與散熱片的導熱面積S、熱傳導距離h具有www.omeinfo.comNov.2011中國煤化工CNMHG第28卷第11期光機電信良Vol 28 No 11CPU導熱片壓縮卡導熱片乜源導熱片圖3散熱有限元模型局部示意圖32散熱片厚度分析及優(yōu)化圖2散熱設計結構示意圖設環(huán)境溫度為50℃,設備T作時(shí)的初始溫度為50℃。分別對厚度為05~3mm的散熱片的穩態(tài)溫度定的關(guān)系。其中,K、h為固定值,為了降低散熱片上進(jìn)行了分析,分析結果如表3所示。產(chǎn)生的溫差△r(t),需要增大散熱片的傳導面積S表3散熱片厚度與功耗元件表CPU芯片電源壓縮卡芯片3傳導散熱分析和優(yōu)化(℃C)3.1設備有限元模型的建立102.587.5有限元分析模型相比實(shí)體模型,進(jìn)行了簡(jiǎn)化。0.62584.8重點(diǎn)對大功率器件等關(guān)鍵器件進(jìn)行了建模和分析,0.75并針對模型的散熱方式進(jìn)行了簡(jiǎn)化,重點(diǎn)分析了傳087591.181.5684.2導散熱。芯片的制造主要采川Si等半導體材料,在分析84477.980.7模型中可以采用Si作為元器件的材料屬性。其他零1.7577.180.5部件的材料屬性如表2所示。8l.877.379.681.1表2材料屬性密度導熱系數比熱容材料79475.877.6(kgm)LW/mK)]卩J/(kg·k2A12圖4所示為散熱片厚度為2mm時(shí),環(huán)境溫度和2330137710初始溫度為50℃的溫度云圖。電源的穩態(tài)溫度不超散熱片8930398過(guò)771℃、CPU芯片最高溫度為81.8℃、壓縮卡為空氣(70)3.04e-279.6℃,均在止常工作環(huán)境溫度范圍內。圖5為散熱片厚度與大功耗器件的關(guān)系曲線(xiàn)。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),采用shel單元代替實(shí)體單從圖中所示曲線(xiàn)可以看出,散熱片的厚度變化與溫元,如圖3所示。度的變化呈非線(xiàn)性。在散熱片厚度>2mm時(shí),散熱片的厚度對穩態(tài)溫度的影響驟降,因此,設計中采中國煤化工165CNMHG光機電信息第28卷第11期OME InformationoL 28 No 11溫度試驗s340環(huán)境溫度壓縮卡芯片電源CPU芯片圖42mm厚散熱片的穩態(tài)溫度云圖00120140時(shí)間/min80CPU芯片圖6溫度試驗曲線(xiàn)壓縮卡芯片濕60551.50散熱片厚度/mm圖5散熱片厚度與穩態(tài)溫度關(guān)系曲線(xiàn)圖7試驗現場(chǎng)照片用了2mm厚的散熱片。85℃。試驗結果表明,采用被動(dòng)熱控措施,可以滿(mǎn)足試驗設備的散熱要求。散熱片結構設計合理、分析結果為了驗證傳導熱設計方案的合理性,對添加散正確,該方案可以滿(mǎn)足使用要求。熱片的電子設備進(jìn)行了溫度試驗,驗證設備的散熱5結論效果電了設備工作環(huán)境溫度為50℃時(shí),保持電子設本文根據空間觀(guān)測設備內部的結構、工作環(huán)境備開(kāi)機工作,利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監測大功率元器要求,采用被動(dòng)熱控措施導出大功耗元器件積累的件的溫度,其變化趨勢如圖6中曲線(xiàn)所示。CPU的熱量。在研究熱傳導的基礎上,根據設備的內部結最高穩態(tài)溫度達到76℃,壓縮卡芯片的穩態(tài)溫度為構,對散熱片的結構進(jìn)行了設計,并通過(guò)有限元軟69℃,電源的穩態(tài)溫度為68.1℃。與分析結果相件進(jìn)行了分析和優(yōu)化,使散熱片在不破壞電子設備比較:的前提下,保證電子設備的工作溫度正常。溫度試驗(1)穩態(tài)溫度最大偏差不超過(guò)15%;結果表明,在環(huán)境溫度為-20-50℃時(shí),設備開(kāi)機工作(2)滿(mǎn)足在環(huán)境溫度為50℃時(shí),工作溫度低于正常,穩態(tài)溫度不超過(guò)80℃。參考文獻「柳征勇,駱劍,唐國安.大型衛星整流罩分離沖擊載荷分析研究[J航天器環(huán)境工程,208,25(5):467-468[2]徐永成,茍永杰,王石剛.某衛星整流罩分離仿真分析[上海航天.2009(1):53-56www.omeinfo.com中國煤化工Nov.2011CNMHG第28卷第11期光機電信息Vol 28 No 11OME Information3]孫目,潘忠文。衛星整流罩噪聲環(huán)境預示與降噪設計[導彈與航天運載技術(shù),2008(4):6-10.[4]陳萬(wàn)創(chuàng ).戰術(shù)導彈電子設備熱設計研究J環(huán)境技術(shù),1997(2):24285]范含林空間環(huán)境對航天器熱設計影響分析[J航天器環(huán)境工程,2008,25(2):220-223阿6]田灃,任康,焦超鋒,等.一種高密度電子模塊的熱設計J航空計算技術(shù),2004,34(1):116-1李勇.星載信息處理機的熱設計與分析[J鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2007,22(4):75-798]李增辰褚俐.某密閉電子設備的熱設計巾電子機械工程,2009,25(4):7-99]許艷軍,齊迎春,任建岳.空間遙感器電子學(xué)系統熱分析J電子機械工程,2009,25(2):12-15[0]齊迎春,許艷軍,趙運隆.空間遙感器電子學(xué)單機熱分析[長(cháng)春理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)報),200932(3):366-369.[l1l王麗.大功率電子設備結構熱設計研究!無(wú)線(xiàn)電工程,2009,39(1):6163[12]王萌,徐曉婷.高密度密封電子設備熱設計與結構優(yōu)化卩電子工藝技術(shù),2006,27(6):39343.[13]薛軍,陳文禮,吳瀾溽,等,基于有限元法的空間相機cCD電箱熱控研究U.光學(xué)技術(shù),2008,34(6):851-853[14] Mandal R, Liu Baomin, Mui Y C. 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