第28卷第11期光機(jī)電信息Vol 28 No, 11OME Information文章編號(hào):1007-11802011)11-0063-05空間觀測(cè)設(shè)備熱設(shè)計(jì)與熱分析徐振(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)槭與物理研究所,吉林長(zhǎng)春130033摘要:以觀測(cè)設(shè)備為研究對(duì)象,根據(jù)觀測(cè)設(shè)備工作的環(huán)境和本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選擇了傳導(dǎo)散熱措施;在研究傳導(dǎo)散熱理論基礎(chǔ)上,對(duì)大功耗元器件進(jìn)行了傳導(dǎo)散熱設(shè)計(jì)。通過建立有限元模型,對(duì)散熱片的厚度、散熱片的接觸面積與各功耗器件的穩(wěn)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(dǎo)面積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)的觀測(cè)設(shè)備,在環(huán)境溫度為-20-~50℃的環(huán)境中,通電工作正常,且穩(wěn)態(tài)溫度不超過85℃滿足使用要求。關(guān)鍵詞:觀測(cè)設(shè)備;傳導(dǎo)散熱;熱設(shè)計(jì);熱分析中圖分類號(hào):V248.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)煤化工63CNMHG出機(jī)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(yùn)載火箭穿過大氣層時(shí),與大氣摩擦產(chǎn)生大量照明系統(tǒng)2.4-40-85相機(jī)前端的熱量,并產(chǎn)生聲振等危害。為了保護(hù)有效載荷順壓縮芯片3.0-40-85視頻模塊利送達(dá)預(yù)定軌道,需要利用整流罩來(lái)保護(hù)有效載荷電源40-85電源模塊通過大氣層。在達(dá)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(hù)時(shí),衛(wèi)星整流罩盡早與運(yùn)載火箭解鎖分離。因此,在運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)部搭載空間觀測(cè)設(shè)22熱控措施選擇及結(jié)構(gòu)布局基于對(duì)熱控措施實(shí)現(xiàn)手段的復(fù)雜程度、可靠性備,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整流罩與運(yùn)載火箭分離的過程,變得等因素的考慮,設(shè)備采用了被動(dòng)熱控措施。該設(shè)備尤為重要4由于空間觀測(cè)設(shè)備體積較小、電子設(shè)備功率大工作于稀薄大氣層中,對(duì)流和輻射只能帶走很小部分熱量,設(shè)備主要采用熱傳導(dǎo)的方式導(dǎo)出熱量。等因素的影響,導(dǎo)致單位體積的熱密度較高,需要照明系統(tǒng)安裝在相機(jī)的前端,為相機(jī)拍攝提供及時(shí)導(dǎo)出熱量,保證系統(tǒng)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(dǎo)出,將照明燈本文根據(jù)空間觀測(cè)設(shè)備的技術(shù)狀態(tài),在研究散的安裝基板與設(shè)備前箱壁直接連接。試驗(yàn)結(jié)果表明熱理論的基礎(chǔ)上,針對(duì)大功率器件進(jìn)行了相應(yīng)的熱照明燈工作正常,導(dǎo)熱效果明顯。設(shè)計(jì)和熱分析,并以此為指導(dǎo)研制了樣機(jī)。通過對(duì)設(shè)備在發(fā)射過程中,力學(xué)環(huán)境比較惡劣,振動(dòng)、樣機(jī)的熱試驗(yàn),驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)的合理性和方案的可沖擊對(duì)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(yán)峻考驗(yàn)?；谏鲜隹紤],電源模2設(shè)備的熱設(shè)計(jì)塊、主控模塊和視頻模塊等與機(jī)箱壁之間需要采用2.1研究對(duì)象定的隔振措施,避免直接連接。這種結(jié)構(gòu)布局給空間觀測(cè)設(shè)備主要包括以下幾部分:照明系統(tǒng)、大功率元器件地傳導(dǎo)散熱帶來(lái)了非常不利的影響相機(jī)、電源模塊、主控模塊、視頻模塊和電箱結(jié)構(gòu)因此,各電子模塊熱量的導(dǎo)岀,需要通過專用的導(dǎo)熱管道,將熱量盡可能地導(dǎo)出到箱體側(cè)壁。件在進(jìn)行散熱片設(shè)計(jì)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(jī)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局圖。進(jìn)行傳導(dǎo)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(tǒng)式中:S為導(dǎo)熱面積;K為導(dǎo)熱系數(shù);ΔT(t)為散熱圖!空間觀測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖片兩端之間的溫差;h為熱傳導(dǎo)距離。在設(shè)備內(nèi)部主要包括以下大功率器件,如表1通過式(1)可以看出,在達(dá)到熱平衡時(shí),芯片所示。的功耗與散熱片的導(dǎo)熱面積S、熱傳導(dǎo)距離h具有www.omeinfo.comNov.2011中國(guó)煤化工CNMHG第28卷第11期光機(jī)電信良Vol 28 No 11CPU導(dǎo)熱片壓縮卡導(dǎo)熱片乜源導(dǎo)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖設(shè)環(huán)境溫度為50℃,設(shè)備T作時(shí)的初始溫度為50℃。分別對(duì)厚度為05~3mm的散熱片的穩(wěn)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(jié)果如表3所示。產(chǎn)生的溫差△r(t),需要增大散熱片的傳導(dǎo)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(dǎo)散熱分析和優(yōu)化(℃C)3.1設(shè)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(duì)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(duì)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(dǎo)散熱。芯片的制造主要采川Si等半導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)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(wěn)態(tài)溫度不超散熱片8930398過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(nèi)。圖5為散熱片厚度與大功耗器件的關(guān)系曲線。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。度的變化呈非線性。在散熱片厚度>2mm時(shí),散熱片的厚度對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度的影響驟降,因此,設(shè)計(jì)中采中國(guó)煤化工165CNMHG光機(jī)電信息第28卷第11期OME InformationoL 28 No 11溫度試驗(yàn)s340環(huán)境溫度壓縮卡芯片電源CPU芯片圖42mm厚散熱片的穩(wěn)態(tài)溫度云圖00120140時(shí)間/min80CPU芯片圖6溫度試驗(yàn)曲線壓縮卡芯片濕60551.50散熱片厚度/mm圖5散熱片厚度與穩(wěn)態(tài)溫度關(guān)系曲線圖7試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片用了2mm厚的散熱片。85℃。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用被動(dòng)熱控措施,可以滿足試驗(yàn)設(shè)備的散熱要求。散熱片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、分析結(jié)果為了驗(yàn)證傳導(dǎo)熱設(shè)計(jì)方案的合理性,對(duì)添加散正確,該方案可以滿足使用要求。熱片的電子設(shè)備進(jìn)行了溫度試驗(yàn),驗(yàn)證設(shè)備的散熱5結(jié)論效果電了設(shè)備工作環(huán)境溫度為50℃時(shí),保持電子設(shè)本文根據(jù)空間觀測(cè)設(shè)備內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境備開機(jī)工作,利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大功率元器要求,采用被動(dòng)熱控措施導(dǎo)出大功耗元器件積累的件的溫度,其變化趨勢(shì)如圖6中曲線所示。CPU的熱量。在研究熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)上,根據(jù)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)最高穩(wěn)態(tài)溫度達(dá)到76℃,壓縮卡芯片的穩(wěn)態(tài)溫度為構(gòu),對(duì)散熱片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并通過有限元軟69℃,電源的穩(wěn)態(tài)溫度為68.1℃。與分析結(jié)果相件進(jìn)行了分析和優(yōu)化,使散熱片在不破壞電子設(shè)備比較:的前提下,保證電子設(shè)備的工作溫度正常。溫度試驗(yàn)(1)穩(wěn)態(tài)溫度最大偏差不超過15%;結(jié)果表明,在環(huán)境溫度為-20-50℃時(shí),設(shè)備開機(jī)工作(2)滿足在環(huán)境溫度為50℃時(shí),工作溫度低于正常,穩(wěn)態(tài)溫度不超過80℃。參考文獻(xiàn)「柳征勇,駱劍,唐國(guó)安.大型衛(wèi)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(wèi)星整流罩分離仿真分析[上海航天.2009(1):53-56www.omeinfo.com中國(guó)煤化工Nov.2011CNMHG第28卷第11期光機(jī)電信息Vol 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