空間相機電控機箱的熱設計及仿真分析

郭 亮，吳清文，曹啟鵬，顏昌翔，陳立恒，王領華，劉偉毅

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

空間相機電控機箱的熱設計及仿真分析

郭 亮1，2，吳清文1，曹啟鵬3，顏昌翔1，陳立恒1，王領華1，2，劉偉毅1，2

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100039；3.航天東方紅衛星有限公司，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，根據電控機箱的結構特點和導熱路徑，對電控機箱內部大功耗電子元器件進行了詳細熱控設計，解決了某些電子元器件發熱量大、導熱路徑較長的問題。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，根據電控機箱所處溫度邊界條件進行了穩態仿真分析，給出了電控機箱整體的熱響應性能、印制線路板（PCB）及板上大功耗電子元器件的穩態溫度分布云圖，結果顯示，PCB的溫度為40.6～51.1℃，板上大功耗電子元器件的結溫為46.3～62.5℃，均滿足熱控設計的指標要求。熱分析結果表明電控機箱熱設計合理可行，能夠滿足使用要求。

空間相機；電控機箱；熱設計；熱分析

1 引 言

現代科技和空間遙測技術的不斷發展對航空電子設備提出了越來越高的要求，儀器功能、種類和數量的增加加大了對發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的組裝密度越來越高［1］，導致其熱設計的難度也越來越大。電子設備熱控設計系統性能的好壞直接影響到電子設備的工作狀態、工作性能以及工作壽命，解決電子設備過熱問題是目前國內外電子設備熱設計技術領域的研究熱點之一［2，3］。

對于在地面或太空艙內工作的電子設備，可以采用對流（自然對流和強制對流）、傳導和輻射等無源和有源熱控制技術，而空間環境下電子產品的熱控制技術與之不同。電控機箱是空間相機的重要組成部分，它處于微重力的環境中，常規的重力加速度僅為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，只能采用傳導和輻射進行散熱［4］。針對空間環境下這種電子設備熱設計難的問題，國內同行工作者進行了大量的研究工作［5～13］。

目前，協助熱設計并驗證熱設計方案正確性的方法有兩種：熱試驗和熱分析。其中熱試驗能準確得到溫度分布，但是必須首先建立產品的樣機模型，而且改進熱設計的代價較大；而熱分析是采用數學手段，在設計初期找出產品熱設計的缺陷，從而改進熱設計方案的方法，該方法可大大縮短產品的開發周期，為提高產品設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境和結構設計特點，進行了詳細的熱控設計，并根據采取的熱控措施對其進行了仿真分析，得到了理想的結果，驗證了熱設計方案的正確性以及熱控措施的有效性。

2 熱設計

2.1 熱設計關鍵問題

電控機箱內共有6塊印刷電路板（PCB），由于整體重量的限制，其結構十分緊湊，體積熱流密度可達3.3 kW/m3。另外，PCB板的導熱性能很差，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其它組部件進行熱量交換，另一方面通過安裝導熱帶等方式將熱量傳導到箱體上散失。在元器件散熱面較小的情況下，直接導熱的散熱方式效率較高，但是導熱路徑長同樣是制約箱內元器件散熱的關鍵問題。

解決上述電子元器件發熱量大、導熱路徑較長的問題，可采取兩種渠道：一是熱疏導，即建立良好的導熱通道，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、結構設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。這些都需要與結構設計緊密配合，也就是說在結構設計時就要考慮熱控設計的需求，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，在結構設計過程中統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越來越受到結構、電子以及熱控等工程設計人員的重視［14～16］。

2.2 熱控措施

對于安裝在艙內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境散熱，主要熱控措施是在電控機箱外表面噴涂高發射率熱控涂層；二是通過安裝面處導熱向艙內儀器板上散熱，此處是電控機箱熱量主要的導出通道，因此降低此處的熱阻是實現良好散熱效果的關鍵。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熱脂等導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熱元器件，如果不能及時將熱量疏導出去，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側，與PCB板之間的通訊通過特殊設計的底臺板進行連接，從而減短了大功耗元器件的導熱路徑，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的PCB板均采用環氧玻璃布所制的多層板，其導熱率較低，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如圖1所示。

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

電源板的熱控系統主要由鋁框架、散熱片、導熱墊以及導熱填料組成，為疏導大功耗元器件工作時所產生的熱量，防止因熱量集中而導致過熱，主要采取了兩點措施，第一，熱設計與結構設計和電子學設計之間要統籌考慮，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熱路徑通暢。電源模塊等大功耗器件結構設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、增強導熱效果，在各個安裝面處均涂敷導熱填料。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熱墊，導熱墊不僅要具有高導熱率，而且還要具有良好的絕緣效果以及緩沖作用。因此應盡量選擇導熱率高且具有形狀適應性的電氣絕緣體，同時在安裝應力允許的情況下，導熱墊的厚度要盡量小。經綜合對比，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計的鋁框架直接傳導至電控機箱殼體處，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熱率高、密度小、可塑性好，其尺寸大小根據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、增強導熱效果，在各個安裝面處均涂敷導熱填料。同時為防止元器件短路與緩沖振動應力，元器件與鋁框架直接接觸處也增加了一層絕緣導熱墊片。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于通過頂面散熱的元器件。因此熱設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

按照上述熱設計方案進行熱控之后，電控機箱內元器件的導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）與絕緣導熱墊之間的接觸熱阻與接觸面積；R2，A2為絕緣導熱墊本身熱阻與橫截面積；R3，A3為絕緣導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）與絕緣導熱墊之間的傳熱系數；κ2為絕緣導熱墊與鋁框架之間的傳熱系數；κ3為鋁框架與機箱殼體之間的傳熱系數；λ1為絕緣導熱墊的導熱率；λ2為鋁框架的導熱率。

對于頂面散熱的元器件來說，由于PCB的導熱率很低，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）與絕緣導熱墊之間的接觸熱阻與接觸面積；R′2，A′2為絕緣導熱墊本身熱阻與橫截面積；R′3，A′3為絕緣導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）與絕緣導熱墊之間的傳熱系數；κ′2為絕緣導熱墊與散熱片之間的傳熱系數；κ′3為散熱片與鋁框架之間的傳熱系數；κ′4為鋁框架與機箱殼體之間的傳熱系數；λ′1為絕緣導熱墊的導熱率；λ′2為散熱片的導熱率；λ′3為鋁框架的導熱率。

根據機箱內元器件結構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如下：

將上述參數值代入式（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如下：

將上述參數值代入式（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-殼溫度計算模型

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

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

3 熱分析

3.1 熱分析模型

綜合考慮電控機箱的結構特點以及元器件散熱方式，應用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，環境溫度設置為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，通過材料主要參數對比及其對熱控性能的影響選取熱控材料，材料主要參數見表1。此處溫度邊界條件為30℃。

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

經過穩態分析計算，得到了滿足熱控指標的計算結果，電控機箱內PCB的溫度數據見表2，其中電源板2上的大功耗元器件直接安裝在箱體側壁處，因此此處直接給出箱體側壁的溫度范圍；PCB上大功耗器件的殼體最高溫度數據見表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溫度數據Tab.2 Temperature data of PCBs in electronic controlling cabinet

表3 大功耗元器件溫度數據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的溫度數據和溫度云圖可以看出，電控機箱內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）的結溫最高達到62.5℃。

4 結 論

本文根據電控機箱所處環境以及自身結構特點，利用增大表面發射率、降低沿程熱阻等熱控措施對電控機箱內部大功耗元器件進行了詳細的熱控設計，同時對典型元器件的散熱效果進行了估算。最后應用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PCB的溫度為40.6～51.1℃，大功耗元器件的結溫為46.3～62.5℃。仿真結果表明，電控機箱熱設計方案合理，滿足熱控指標要求。本文所探討的空間相機電控機箱熱設計與仿真分析內容可為其它空間相機電子設備熱設計提供參考和依據。

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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，Fine 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，主要從事空間光學遙感器的熱控制、熱分析與熱試驗技術

方面的研究。E-mail：guoliang329@hotmail.com

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

感器熱控技術方面的研究。E-mail：wuqw@ciomp.ac.cn