当某星载电子机箱的热设计和热分析
某星载电子机箱的热设计和热分析
摘要:星载电子机箱的热设计对设备上天后能否正常工作起到重要作用,热设计失败可能会导致载荷数据的遗失、失真、寿命降低,甚至不工作。本文介绍了某星载电子机箱的热设计和热仿真。
关键词:热设计、热仿真、热分析、有限元分楔形口部份应力远远超出资料的屈从强度析
1 引言
随着卫星的应用和发展,对星载设备的可靠性、精确性以及使用寿命的要求都越来越高,这些都与星载设备的热设计有着重要联系。
对于卫星载荷来说,不仅安装在星外的设备要通过选用耐温范围广、热膨胀系数小的材料、涂覆热控涂层、包覆隔热料等热控措施进行热设计以保证其性能,星内电子机箱的热设计也同样重要。
安装在卫星舱内的电子设备,由于受到卫星壳体的遮挡,不直接面对轨道热源和冷空间,所以其热设计与舱外设备有所不同,它一般都以卫星舱板为热沉边界,其热设计任务就是将热量快速有效地传递给卫星舱板。
本文在设计阶段对某星载探测器电源机箱进行热设计和热分析,主要考虑元器件或其他固态组件的结温要求,及温度敏感器件的温度要求,使得设备处于最高设计工作温度时,这些部件的结温或壳温符合温度降额的要求,不超过降额要求的温度值。同时综合考虑机、电等设计要求。
通过使用MSC Patran 和MSC Nastran 软件建模并分析,得到设备温度的分析计算值以验证热设计,分析结果表明该设备的热设计满足热设计要求。
2 设备基本情况及热设计
2.1 机箱基本信息
机箱内共有6 块印制电路板,总热耗29W,第一块板3W,第二块热耗2.9W,第三块热耗11W,第四块为第三块的备份,第六块热耗12.1W,第五块为第六块的备份,大功耗器件主要是电源模块。工作时,机箱内”沙晓林说只有主份或备份工作。
2.2 热设计方案
该设备采用的热控措施有如下几个方面:
①机箱采取的散热措施:六块印制板都加有铝边框,单元机箱采用立式箱式结构,电路的铝边框的四边中都各有一边与卫星舱板全部接触,边长为264mm,宽度大于等于24mm,目的是尽可能增大数控单元每块电路板框体与卫星舱板的导热面积,便于进行热交换;箱体外表然后查表或计算面除与卫星的安装接触面之外,其他各外表面都进行发黑处理,其发射率ε ≥0.85,目的是增加机箱对卫星舱体的辐射散热;机箱与卫星舱板的安装接触面表面平面度尽量高,表面粗糙度优于3.2μ m,并填充导热脂,目的是尽量降低单元机箱与卫星舱板之间的接触热阻,有利于机箱热量传递到舱板;主备份间隔布置,如图1 所示,目的是分散热量。
图1.设备俯视示意图
②机箱内印制板的散热措施:印制板四周有5mm 宽的边与铝边框接触,通过多个螺钉固定,增加印制板与铝边框的接触换热;印制板采用多层板,设计大面积覆铜的地层和电源层,并在其它层能覆铜的地方尽量覆铜,以提高印制板的等效热导率,增加印制板的传热能力。
③元器件的散热措施如下:在大功耗电源模块器件下面设计导热板,导热板与铝边框一体加工,器件与导热板之间填充导热填料,通过器件下面的铝板将热量传递到边框,再传递到卫星舱板。对于中、低等热耗的元器件,则采取尽量将器件靠近印制板边缘并尽量分散布置的方法进行散热。
3 设备的热分析
3.1 模型简化
①省略PCB 板:由于本设备中热耗大于0.1W 的器件都直接安装在铝板上,因此在模型中省略PCB 板;②省略不必要的筋、孔;③印制板铝框和器件建为板壳元。
3.2 边界条件及参数选取
以卫星舱板为分析热沉边界,舱板温度取45℃。
机箱材料导热系数121.4 W/m/K;冷轧钢的导热系数33.7W/m/K;机箱表面发射率取值0.85。
3.3 热分析结果
通过计算机仿真只能够得到器件壳体温度,得到器件壳体温度后,对于热耗大于100mW的器件可以通过如下公式计算得到器件的结温:
Tj=Tc+Q*Rjc
其中,Tj 为器件结温,单位℃;Tc 为器件壳温,单位℃;Q 为器件热耗,单位W; Rjc 为器件结壳热阻,单位℃/W。对于热功耗不大于100mW 的元器件,可通过如下公式估算器件结温:
Tj≤Tb+10℃
其中, Tb 为器件安装位置对应的印制板温度,单位℃。
通过仿真得到各印制板的温度分布图如图2~5 所示。
根据计算机仿真分析结果,结合公式(1)、(2)可计算得到器件结温。从表1 中可以看出,热耗大于300mW 的元器件结温都在降额允许的范围之内;②热耗小于300mW 大于100mW 的器件最高结温为70.3℃;③热耗小于等于100mW 的器件最高结温不超过67.3℃。热分析结果表明器件结温满足降额要求,符合热设计要求。
4 结论
本用户在选用时1定要注意文对某星载电子机箱进行了热设计,分别从机箱、印制板、器件层面都采取了相应散热措施,以尽可能的减小发热元器件到卫星舱板的热阻,使热量快速有效的传递到卫星舱板上,并通过计算机仿真初步验证了其热设计满足要求。
致谢
感谢中国科学院光电研究院的李锴、刘冰山在机箱分析方面所做的帮助,感谢中国空间技术研究院的曾福明、陈恩涛、耿利寅在热设计方面提供的帮助,感谢本所李宁、张茉、栗晓鹏在结构方面所作的工作,感谢本所刘和光老师、张德海老师、许可老师在这项工作中的支持。
参考文献
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