空間相機電控機箱的熱設(shè)計及仿真分析

郭 亮，吳清文，曹啟鵬，顏昌翔，陳立恒，王領(lǐng)華，劉偉毅

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039；3.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京100094）

空間相機電控機箱的熱設(shè)計及仿真分析

郭 亮1，2，吳清文1，曹啟鵬3，顏昌翔1，陳立恒1，王領(lǐng)華1，2，劉偉毅1，2

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039；3.航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京100094）

為了保證空間相機電控機箱在軌運行期間的工作溫度滿足使用要求，根據(jù)電控機箱的結(jié)構(gòu)特點和導(dǎo)熱路徑，對電控機箱內(nèi)部大功耗電子元器件進行了詳細熱控設(shè)計，解決了某些電子元器件發(fā)熱量大、導(dǎo)熱路徑較長的問題。以某個典型元器件為例，進行了散熱效果估算。最后應(yīng)用有限元分析軟件IDEAS-TMG建立了詳細的電控機箱熱分析有限元模型，根據(jù)電控機箱所處溫度邊界條件進行了穩(wěn)態(tài)仿真分析，給出了電控機箱整體的熱響應(yīng)性能、印制線路板（PCB）及板上大功耗電子元器件的穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖，結(jié)果顯示，PCB的溫度為40.6～51.1℃，板上大功耗電子元器件的結(jié)溫為46.3～62.5℃，均滿足熱控設(shè)計的指標要求。熱分析結(jié)果表明電控機箱熱設(shè)計合理可行，能夠滿足使用要求。

空間相機；電控機箱；熱設(shè)計；熱分析

1 引 言

現(xiàn)代科技和空間遙測技術(shù)的不斷發(fā)展對航空電子設(shè)備提出了越來越高的要求，儀器功能、種類和數(shù)量的增加加大了對發(fā)射裝置承載能力的壓力和使用空間大小的限制，因此，空間相機上的電子器件的功耗以及系統(tǒng)的組裝密度越來越高［1］，導(dǎo)致其熱設(shè)計的難度也越來越大。電子設(shè)備熱控設(shè)計系統(tǒng)性能的好壞直接影響到電子設(shè)備的工作狀態(tài)、工作性能以及工作壽命，解決電子設(shè)備過熱問題是目前國內(nèi)外電子設(shè)備熱設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一［2，3］。

對于在地面或太空艙內(nèi)工作的電子設(shè)備，可以采用對流（自然對流和強制對流）、傳導(dǎo)和輻射等無源和有源熱控制技術(shù)，而空間環(huán)境下電子產(chǎn)品的熱控制技術(shù)與之不同。電控機箱是空間相機的重要組成部分，它處于微重力的環(huán)境中，常規(guī)的重力加速度僅為10-6g，沒有形成自然對流的必要條件，并且由于其暴露于冷黑空間中，無法采取強制對流冷卻技術(shù)，只能采用傳導(dǎo)和輻射進行散熱［4］。針對空間環(huán)境下這種電子設(shè)備熱設(shè)計難的問題，國內(nèi)同行工作者進行了大量的研究工作［5～13］。

目前，協(xié)助熱設(shè)計并驗證熱設(shè)計方案正確性的方法有兩種：熱試驗和熱分析。其中熱試驗?zāi)軠蚀_得到溫度分布，但是必須首先建立產(chǎn)品的樣機模型，而且改進熱設(shè)計的代價較大；而熱分析是采用數(shù)學(xué)手段，在設(shè)計初期找出產(chǎn)品熱設(shè)計的缺陷，從而改進熱設(shè)計方案的方法，該方法可大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，為提高產(chǎn)品設(shè)計的合理性和可靠性提供保障［3］。本文針對某空間相機電控機箱的空間環(huán)境和結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，進行了詳細的熱控設(shè)計，并根據(jù)采取的熱控措施對其進行了仿真分析，得到了理想的結(jié)果，驗證了熱設(shè)計方案的正確性以及熱控措施的有效性。

2 熱設(shè)計

2.1 熱設(shè)計關(guān)鍵問題

電控機箱內(nèi)共有6塊印刷電路板（PCB），由于整體重量的限制，其結(jié)構(gòu)十分緊湊，體積熱流密度可達3.3 kW/m3。另外，PCB板的導(dǎo)熱性能很差，同時板上元器件排布又十分密集，因此PCB板上元器件的熱量大量累積后就會造成元器件溫度過高。而對于箱內(nèi)元器件而言，其散熱通道十分有限，一方面通過輻射換熱的方式與箱內(nèi)其它組部件進行熱量交換，另一方面通過安裝導(dǎo)熱帶等方式將熱量傳導(dǎo)到箱體上散失。在元器件散熱面較小的情況下，直接導(dǎo)熱的散熱方式效率較高，但是導(dǎo)熱路徑長同樣是制約箱內(nèi)元器件散熱的關(guān)鍵問題。

解決上述電子元器件發(fā)熱量大、導(dǎo)熱路徑較長的問題，可采取兩種渠道：一是熱疏導(dǎo)，即建立良好的導(dǎo)熱通道，盡量減小沿途熱阻，降低元器件的工作溫度；二是熱存儲，即在重量、結(jié)構(gòu)設(shè)計等限制條件允許的情況下盡可能地增大熱容量，降低元器件的溫升速率。這些都需要與結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密配合，也就是說在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就要考慮熱控設(shè)計的需求，合理安排大功耗元器件的布局，盡量使用最少資源達到最佳散熱效果。目前，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中統(tǒng)籌考慮大功耗元器件的合理布局以及有效的散熱措施已經(jīng)越來越受到結(jié)構(gòu)、電子以及熱控等工程設(shè)計人員的重視［14～16］。

2.2 熱控措施

對于安裝在艙內(nèi)儀器板上的電控機箱，主要有兩個散熱通道，一是通過輻射向外部空間環(huán)境散熱，主要熱控措施是在電控機箱外表面噴涂高發(fā)射率熱控涂層；二是通過安裝面處導(dǎo)熱向艙內(nèi)儀器板上散熱，此處是電控機箱熱量主要的導(dǎo)出通道，因此降低此處的熱阻是實現(xiàn)良好散熱效果的關(guān)鍵。除了盡可能增加安裝面處的接觸面積以外，還可在安裝面處涂敷導(dǎo)熱脂等導(dǎo)熱填料降低接觸表面凸凹不平所引入的接觸熱阻，從而增強導(dǎo)熱效果。實施熱控措施后此處接觸熱阻約為0.019℃/W，能夠滿足電控機箱的散熱要求。

電源模塊和濾波器是電控機箱的主要發(fā)熱元器件，如果不能及時將熱量疏導(dǎo)出去，電源模塊的溫升速率會達到28℃/min。如此高的熱流密度，僅通過加裝散熱片是無法達到散熱要求的，因此這里將電源模塊直接安裝在電控機箱的箱體內(nèi)側(cè)，與PCB板之間的通訊通過特殊設(shè)計的底臺板進行連接，從而減短了大功耗元器件的導(dǎo)熱路徑，降低了沿程熱阻，有利于元器件熱量的散失。

空間相機電控機箱內(nèi)的PCB板均采用環(huán)氧玻璃布所制的多層板，其導(dǎo)熱率較低，散熱性能較差。為增強PCB板的整體散熱效果，將每個PCB板均按照大功耗元器件的布局有針對性地設(shè)計了鋁框架，以電源板為例，鋁框架及PCB板上的大功耗元器件散熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電源板熱控系統(tǒng)Fig.1 Thermal control system of power PCB

電源板的熱控系統(tǒng)主要由鋁框架、散熱片、導(dǎo)熱墊以及導(dǎo)熱填料組成，為疏導(dǎo)大功耗元器件工作時所產(chǎn)生的熱量，防止因熱量集中而導(dǎo)致過熱，主要采取了兩點措施，第一，熱設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計和電子學(xué)設(shè)計之間要統(tǒng)籌考慮，合理分布大功能元器件的布局；第二，保證大功耗元器件到電控機箱箱體之間的導(dǎo)熱路徑通暢。電源模塊等大功耗器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的散熱面通常是在元器件封裝的頂面處或者底面處。對于散熱面在封裝底部的元器件，采取的散熱措施是直接安裝在鋁框架之上，如圖1所示。為減小接觸熱阻、增強導(dǎo)熱效果，在各個安裝面處均涂敷導(dǎo)熱填料。同時為防止元器件短路，避免元器件受到鋁框架的沖擊，在鋁框架與元器件之間需要增加一層導(dǎo)熱墊，導(dǎo)熱墊不僅要具有高導(dǎo)熱率，而且還要具有良好的絕緣效果以及緩沖作用。因此應(yīng)盡量選擇導(dǎo)熱率高且具有形狀適應(yīng)性的電氣絕緣體，同時在安裝應(yīng)力允許的情況下，導(dǎo)熱墊的厚度要盡量小。經(jīng)綜合對比，本文首先在元器件與鋁框架直接接觸處增加了一層厚度為0.5 mm的絕緣導(dǎo)熱墊，其次對鋁框架上用于元器件管腳插針通過的孔嵌入聚四氟乙烯絕緣墊片。這樣元器件的熱量通過整體式設(shè)計的鋁框架直接傳導(dǎo)至電控機箱殼體處，最后通過機箱安裝面和表面輻射進行散熱。對于散熱面在封裝頂部的元器件，其散熱措施是在元器件頂部加裝散熱片，如圖1所示。散熱片材料選取原則為導(dǎo)熱率高、密度小、可塑性好，其尺寸大小根據(jù)各個元器件散熱量進行計算后確定。與底面散熱的元器件一樣，為減小接觸熱阻、增強導(dǎo)熱效果，在各個安裝面處均涂敷導(dǎo)熱填料。同時為防止元器件短路與緩沖振動應(yīng)力，元器件與鋁框架直接接觸處也增加了一層絕緣導(dǎo)熱墊片。這樣元器件的熱量通過散熱片傳遞到鋁框架上，最后通過電控機箱殼體進行散熱。由此可見，相對于頂面散熱而言，底面散熱的導(dǎo)熱通道上減少了散熱片與鋁框架之間的接觸熱阻，同時鋁框架本身熱容量要遠遠大于散熱片的熱容量，因此通過底面散熱的元器件的散熱效果要優(yōu)于通過頂面散熱的元器件。因此熱設(shè)計時要綜合考慮元器件功耗大小與散熱方式。

2.3 熱控效果估算

按照上述熱設(shè)計方案進行熱控之后，電控機箱內(nèi)元器件的導(dǎo)熱路徑以及簡化后的熱阻分析模型如圖2所示，圖中分別以底面散熱和頂面散熱兩種典型散熱方式的器件為例。

圖2 元器件導(dǎo)熱路徑及熱阻模型Fig.2 Heat transfer channel and thermal resistance model of elements

圖中，對于底面散熱的元器件來說，沿程熱阻按照如下公式計算：

其中R1，A1為元器件（底面散熱）與絕緣導(dǎo)熱墊之間的接觸熱阻與接觸面積；R2，A2為絕緣導(dǎo)熱墊本身熱阻與橫截面積；R3，A3為絕緣導(dǎo)熱墊與鋁框架之間的接觸熱阻與接觸面積；R4，A4為鋁框架本身熱阻與橫截面積；R5，A5為鋁框架與機箱殼體之間的接觸熱阻與接觸面積；D1為導(dǎo)熱墊本身厚度；D2為鋁框架長度（熱量傳遞方向）；κ1為元器件（底面散熱）與絕緣導(dǎo)熱墊之間的傳熱系數(shù)；κ2為絕緣導(dǎo)熱墊與鋁框架之間的傳熱系數(shù)；κ3為鋁框架與機箱殼體之間的傳熱系數(shù)；λ1為絕緣導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱率；λ2為鋁框架的導(dǎo)熱率。

對于頂面散熱的元器件來說，由于PCB的導(dǎo)熱率很低，因此其主要熱量都是通過頂部加裝的散熱片散失的。沿程熱阻按照如下公式計算：

其中R′1，A′1為元器件（頂面散熱）與絕緣導(dǎo)熱墊之間的接觸熱阻與接觸面積；R′2，A′2為絕緣導(dǎo)熱墊本身熱阻與橫截面積；R′3，A′3為絕緣導(dǎo)熱墊與散熱片之間的接觸熱阻與接觸面積；R′4，A′4為散熱片本身熱阻與橫截面積；R′5，A′5為散熱片與鋁框架之間的接觸熱阻與接觸面積；R′6，A′6為鋁框架本身熱阻與橫截面積；R′7，A′7為鋁框架與機箱殼體之間的接觸熱阻與接觸面積；D′1為導(dǎo)熱墊本身厚度；D′2為散熱片長度（熱量傳遞方向）；D′3為鋁框架長度（熱量傳遞方向）；κ′1為元器件（頂面散熱）與絕緣導(dǎo)熱墊之間的傳熱系數(shù)；κ′2為絕緣導(dǎo)熱墊與散熱片之間的傳熱系數(shù)；κ′3為散熱片與鋁框架之間的傳熱系數(shù)；κ′4為鋁框架與機箱殼體之間的傳熱系數(shù)；λ′1為絕緣導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱率；λ′2為散熱片的導(dǎo)熱率；λ′3為鋁框架的導(dǎo)熱率。

根據(jù)機箱內(nèi)元器件結(jié)構(gòu)與散熱措施的實際情況，取電源板上兩種典型元器件為例，底面散熱元器件的計算參數(shù)如下：

將上述參數(shù)值代入式（1）可得：

因此，底面散熱元器件的沿程總熱阻為：

按照軌道周期平均計算，底面散熱元器件功耗Q為4.7 W，因此底面散熱元器件與機箱殼體之間的溫差為：

頂面散熱元器件的計算參數(shù)如下：

將上述參數(shù)值代入式（2）可得：

因此頂面散熱元器件的沿程總熱阻為：

按照軌道周期平均計算，頂面散熱元器件功耗Q′為1.3 W，因此頂面散熱元器件與機箱殼體之間的溫差為：

2.4 結(jié)-殼溫度計算模型

上述計算中所得到的結(jié)果是元器件的殼體溫度。一般來說，由于不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、封裝方式、封裝材料等因素的存在，導(dǎo)致元器件內(nèi)部結(jié)點溫度遠大于殼體溫度。同時元器件的溫度設(shè)計指標均通過結(jié)溫表示，因此首先通過仿真分析得到元器件的殼體溫度，再根據(jù)元器件廠商提供的準確的結(jié)-殼之間的熱阻來得到元器件的結(jié)溫。結(jié)-殼溫度計算公式為：

式中，TJ為結(jié)點溫度，TQ為殼體溫度，q為元器件功耗，RJ→Q為結(jié)-殼熱阻。

3 熱分析

3.1 熱分析模型

綜合考慮電控機箱的結(jié)構(gòu)特點以及元器件散熱方式，應(yīng)用IDEAS-TMG建立了電控機箱有限元熱分析模型，如圖3所示。

圖3 電控機箱熱分析模型Fig.3 Thermal analytic model of electronic controlling cabinet

3.2 熱分析計算

根據(jù)建立的電控機箱熱分析模型，對整個電控機箱進行了仿真分析。計算過程中，環(huán)境溫度設(shè)置為30℃；電控機箱安裝面處視為熱沉，定義

基于以上所述熱控措施，通過材料主要參數(shù)對比及其對熱控性能的影響選取熱控材料，材料主要參數(shù)見表1。此處溫度邊界條件為30℃。

表1 材料主要參數(shù)Tab.1 Main parameters for materials

經(jīng)過穩(wěn)態(tài)分析計算，得到了滿足熱控指標的計算結(jié)果，電控機箱內(nèi)PCB的溫度數(shù)據(jù)見表2，其中電源板2上的大功耗元器件直接安裝在箱體側(cè)壁處，因此此處直接給出箱體側(cè)壁的溫度范圍；PCB上大功耗器件的殼體最高溫度數(shù)據(jù)見表3；PCB及大功耗元器件溫度分布云圖如圖4～圖7所示。

表2 電控機箱PCB溫度數(shù)據(jù)Tab.2 Temperature data of PCBs in electronic controlling cabinet

表3 大功耗元器件溫度數(shù)據(jù)Tab.3 Temperature data of large power consumption elements （℃）

圖4 電源板1溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution nephogram of power PCB 1

圖5 箱體側(cè)壁溫度分布云圖Fig.5 Temperature distribution nephogram of side wall in electronic controlling cabinet

圖6 控制PCB溫度分布云圖Fig.6 Temperature distribution nephogram of control PCB

圖7 接口板溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution nephogram of interface PCB

從表1～表3，圖4～圖7的溫度數(shù)據(jù)和溫度云圖可以看出，電控機箱內(nèi)的熱量均通過有效的散熱通道排散出去，沒有形成熱量集中，各個大功耗元器件的工作溫度均滿足熱控指標要求。電控機箱內(nèi)電源板1的溫度最高，PCB的溫度范圍為46.3～51.1℃；元器件E6（底面散熱）的殼溫最高達到52.5℃；元器件E8（頂面散熱）的結(jié)溫最高達到62.5℃。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)電控機箱所處環(huán)境以及自身結(jié)構(gòu)特點，利用增大表面發(fā)射率、降低沿程熱阻等熱控措施對電控機箱內(nèi)部大功耗元器件進行了詳細的熱控設(shè)計，同時對典型元器件的散熱效果進行了估算。最后應(yīng)用IDEAS-TMG建立了電控機箱的有限元模型并進行了仿真分析，電控機箱內(nèi)PCB的溫度為40.6～51.1℃，大功耗元器件的結(jié)溫為46.3～62.5℃。仿真結(jié)果表明，電控機箱熱設(shè)計方案合理，滿足熱控指標要求。本文所探討的空間相機電控機箱熱設(shè)計與仿真分析內(nèi)容可為其它空間相機電子設(shè)備熱設(shè)計提供參考和依據(jù)。

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《光機電信息》征稿啟事

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本欄目主要征集研究新成果的快速報道。要求具有如下內(nèi)容：摘要、關(guān)鍵詞、研究背景（引言）、研究過程或?qū)嶒炦^程、研究結(jié)果、參考文獻。

3.研究評論

主要是對當前最新研究結(jié)果或研究動態(tài)的評論或展望，也可是基于他人研究結(jié)果的二次開發(fā)或更深層次的研究結(jié)果報道。

4.綜述文章

（1）綜述本領(lǐng)域或本學(xué)科的研究成果和進展、發(fā)展動態(tài)和趨勢。（2）作者本研究群體的研究工作綜述。

5.研究論文

征集研究新結(jié)果的學(xué)術(shù)論文。

6.應(yīng)用開發(fā)類論文

接受各類大學(xué)、研究所、企業(yè)自主研發(fā)的新產(chǎn)品性能報道和新應(yīng)用報道；新型器件在系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果方面的報道等。是反映企業(yè)研發(fā)創(chuàng)新和對自身產(chǎn)品的再認識的能力、并能夠讓用戶更好地了解產(chǎn)品性能、拓展應(yīng)用范圍的手段。本欄目論文具有產(chǎn)品推廣廣告作用。

7.成果信息和研發(fā)信息

本欄目主要為大學(xué)、研究所等研發(fā)部門發(fā)布研究成果信息或項目工程研發(fā)信息；企業(yè)需要開發(fā)或攻關(guān)的項目信息等。目的是為研發(fā)部門和企業(yè)之間架起溝通橋梁。

8.各類形式的企業(yè)宣傳、廣告，具體來電來函商談。

本刊做各類宣傳、廣告，歡迎媒體利用?！昂镁埔才孪镒由睢薄漠a(chǎn)品多一份廣告就會多一份收益，本刊廣告效費比高，宣傳范圍廣。紙版的廣告+電子版的廣告——更值得客戶信賴，更能為您培養(yǎng)潛在的中、遠期客戶。

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《光機電信息》編輯部

Thermal design and simulation analysis of electronic controlling cabinet in space camera

GUO Liang1，2，WU Qing-wen1，CAO Qi-peng3，YAN Chang-xiang1，CHEN Li-heng1，WANG Ling-hua1，2，LIU Wei-yi1，2

（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate Uniυersity of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China；3.Aerospace DongFangHong Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094，China）

To ensure the operating temperature of electronic controlling cabinet in a space camera to satisfy the operating requirements，the thermal design of large power consumption electronic components in the electronic controlling cabinet was performed according to the design feature and heat transfer path of the controlling cabinet.The key problems such as the great heat-producing capability and long heat transfer path were settled.On the basis of the above，a complete thermal design scheme was given.By taking some classical elements for examples，the effect of heat eliminating was estimated.In the end，a thermal analysis finite element model was established by a finite element thermal analysis software IDEAS-TMG.Based on the given temperature boundary condition，the steady-state thermal analysis of electric cabinet was carried out by the IDEAS-TMG，and theintegral thermal response performance of electronic controlling cabinet and the steady-state temperature profiles of PCBs and large power consumption elements were given.It is shown that the ranges of temperatures of PCBs and large power consumption electronic components in steady-state thermal analysis are 40.6-51.1℃ and 46.3-62.5℃，respectively，which reaches the target of thermal design.Analytical results indicate that the thermal design scheme for the electronic controlling cabinet is appropriate and feasible and it can satisfy the requirement of thermal control operating.

space camera；electronic controlling cabinet；thermal design；thermal analysis

V447.3

A

1674-2915（2011）02-0129-10

2010-12-11；

2011-02-13

國防預(yù)研基金資助項目（No.O5001SA050）

book=45,ebook=47

郭 亮（1982—），男，黑龍江哈爾濱人，助理研究員，主要從事空間光學(xué)遙感器的熱控制、熱分析與熱試驗技術(shù)

方面的研究。E-mail：guoliang329@hotmail.com

吳清文（1968—），男，四川簡陽人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事光學(xué)精密儀器CAD/CAE研究和空間光學(xué)遙

感器熱控技術(shù)方面的研究。E-mail：wuqw@ciomp.ac.cn