激光捷聯慣導量化熱設計指標控制方法

趙 欣，苗 圃，陳善秋

(1.北京航天時代激光導航技術有限責任公司，北京100094;2.空裝駐北京地區第四軍事代表室，北京100041)

0 引言

隨著航空慣導系統逐步向小型化、輕量化、高精度、高可靠方向發展,機載激光慣導的安裝密度越來越大,其內外部安裝環境都更加不利于散熱,使得局部器件過熱成為電子產品失效的主要原因之一[1-5]。

目前,機載設備的熱設計主要有以下幾個基本技術:1)在箱體外表面設計散熱片,用以增加箱體的散熱面積；2)給電路板設計導熱冷板,用冷板同時貼合重要的電子元器件和箱體,使得電子元器件的散熱方式由熱對流轉變為熱傳導；3)對重要的結構件采用噴涂或表面處理的方式增加表面熱輻射系數,提高熱輻射效率；4)采用液冷或風冷散熱技術[1-5]；5)采用有限元仿真技術在設計完成時進行熱仿真驗證[1-7]。

采用液冷或風冷技術進行電路板或機箱的散熱設計不利于整體減重,適用于熱流密度較大的電子產品,如機載雷達的設計[1]。對于激光慣導,則主要通過優化箱體結構參數與功耗、給電路板設計導熱冷板或采用噴涂等增加表面熱輻射的方式進行設計優化。

采用有限元方法進行熱設計分析和優化雖然能夠有效預示整機溫度場,但是需要在整機結構及電路設計完整之后進行,且需要對電路的高功耗元器件進行篩選及詳細建模,分析計算后再進行設計迭代,仍會耗費大量的設計時間。

本文基于第1種散熱設計技術(設計散熱片,增加散熱面積),綜合考慮結構參數和各電路功耗的分配[8],提出了一種在總體設計階段對整機功耗和箱體外表面積進行指標計算的方法,能夠在設計最早期提出電路功耗和箱體結構設計指標,能有效控制整機熱設計的效果,從而使得設計完成的熱分析迭代設計變成熱設計校核分析,并避免整機完成后試驗過程中因熱失效引起的設計返工,最大限度節省了設計時間。

1 方法描述

激光慣導在工作過程中,電路、儀表等發熱元器件在電流作用下發出熱量,這些熱量一部分通過冷板、鎖緊條等以熱傳導的方式傳遞到箱體上,另一部分通過箱體內空氣對流和輻射傳遞到箱體上。無論以何種方式傳遞,都需要經過箱體與外界進行熱交換,如圖1所示。箱體散熱能力不足會導致箱體溫升過快,從而使得慣導內環境溫度過高,降低了內部儀器儀表測量精度及元器件的工作可靠性。箱體外表面積是決定箱體散熱能力的重要指標,箱體外表面積越大,整機散熱效率越高。但是,由于尺寸、質量的限制,箱體外表面積不能無限擴大。設計多大的散熱面積能夠滿足慣導整機的散熱要求,以及在可以實現的散熱面積前提下如何對整機功率進行量化指標控制,目前還沒有其它文獻記錄。

圖1 激光捷聯慣導熱傳遞示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal transmitting in laser strapdown inertial navigation system

本文提出了一種激光捷聯慣導量化熱設計指標控制方法,通過估算整機功耗P,并根據預先設定的平衡溫度T1和環境溫度T2,建立箱體熱平衡方程計算箱體最小散熱面積,并以該面積值作為總體結構設計的控制指標在箱體表面設計散熱片,實現對激光捷聯慣導散熱性能的量化控制。實際進行結構設計時,并不是任何指標都能夠滿足,箱體外廓尺寸就會影響散熱面積指標的可達性。因此,在本文方法中加入了對散熱面積可達性的判斷,能夠根據不可達的散熱面積指標反算整機功耗,再以該整機功耗為指標進行新的功耗標準的重新分配。具體的步驟如下:

1)根據需要熱控制的激光慣導裝置中各元器件的單獨功耗Pi估算激光慣導裝置的整機功耗P

2)根據激光慣導裝置中各元器件的耐受溫度獲取激光慣導裝置整機的元器件耐受溫限值T0,同時估算整機溫降值ΔT,根據元器件耐受溫限值T0及整機溫降值ΔT計算出整機平衡溫度T1

3)根據總體環境試驗要求設定環境溫度值T2。

4)建立箱體熱平衡方程[9],計算箱體最小散熱面積A

式(3)中,P為慣導整機功耗,A為箱體最小散熱面積,h為自然對流換熱系數,T2為環境溫度值,C0為黑體輻射系數,ε1為箱體發射率,ε2為吸收體發射率,φ1-2為輻射角系數。

針對不同的箱體材料對應不同的設計參數,均可通過如表1[9]所示的參數表進行選擇。

表1 參數表Table 1 Parameter list

5)計算最小箱體設計表面積許用值[A],并對所得許用值進行判斷。若該設計許用值可達,則以該許用值為設計指標執行設計；否則,利用設計可達的最大箱體設計表面積及箱體熱平衡方程,反算最大整機功耗P及最大整機功耗許用值[P],并根據最大整機功耗許用值對各元器件的單獨功耗進行分配,作為各元器件新的功耗標準。

最小箱體設計表面積許用值[A]的表達式為

式(4)中,η為安全系數。

最大整機功耗許用值[P]的表達式為

該方法的步驟流程圖如圖2所示。

圖2 本文方法的步驟流程圖Fig.2 Flowchart of the method in this paper

圖2中,1為正算流程,2為反算流程。

2 方法驗證

2.1 算例

某慣導預計整機功耗P=80W,器件耐受溫度為120℃,預計ΔT=10℃,則整機平衡溫度的最大值T1=110℃,環境溫度T2=70℃。

將上述參數代入平衡方程求解,可得到箱體散熱面積A=0.28m2,安全系數η=1.5,則箱體表面積許用值為[A]=1.5×A=0.42m2。該設計表面積經檢驗為不可達,箱體的最大設計表面積為0.34m2,用此表面積值反算的最大功耗為97.5W,則最大功耗許用值為[P]=P/1.5=65W。然后,再按上述功耗值對儀表、電路進行重新新配。

2.2 有限元仿真驗證

該方法的核心在于熱平衡方程的有效性,因此采用有限元仿真和試驗兩種方法對熱平衡方程的有效性進行驗證。

某慣導的設計模型如圖3所示,外廓尺寸為301mm×190mm×147mm,外表面積為0.34m2。慣導由外殼體、本體組件、電源、CPU組件等組成,設備最大工作功率為65W,芯片工作限制溫度為120℃。

圖3 慣導幾何模型Fig.3 Geometric model of INS

慣導外殼由殼體、上蓋、側蓋組件等構成,側蓋外部安裝有電器插座等；慣導內部包含電源、IO、衛導等8個組件。每個組件主要由電路板、芯片等構成,電路與殼體間通過冷板、鎖緊結構等進行熱傳遞,再通過箱體與外界環境進行熱交換。

采用FloEFD軟件對該慣導整機包含內部結構進行建模。電子產品的熱源模型處理比較復雜,本文選擇了各單板上發熱功率較大、體積相對較小的元器件作為熱源(稱為熱源元器件),如圖4所示。將單板總功耗按額定功率比例分配到所選擇的熱源元器件上,這樣既保證了單板總功耗不變,又有針對性地簡化了模型。

圖4 電路組件建模示意圖Fig.4 Schematic diagram of circuit component modeling

主要材料參數如表2所示。慣導箱體表面涂黑色無光漆,發射率取0.8；其他鋁合金表面陽極化處理,發射率取0.2；箱體外表面與周圍環境對流換熱,自然對流換熱系數取5W/(m2·K)[3]；冷板與芯片之間涂導熱硅脂,接觸熱阻為9×10-6(m2·K)/W[10]；鎖緊條與箱體插槽的接觸熱阻為 2.3×10-4(m2·K)/W[2,10]。

表2 材料參數Table 2 Parameters of materials

芯片產生的熱量通過冷板傳熱、空氣自然對流和輻射傳遞到外殼體上,外殼體通過對流換熱將熱量傳遞到周圍環境中。

對環境溫度70℃下的慣導進行熱仿真計算,得到外殼體表面溫度場分布,如圖5所示。外表面溫度最高為110℃,最低為97℃,由此驗證了熱平衡方程的計算結果。

圖5 熱平衡狀態下箱體外表面溫度場分布結果Fig.5 Results of temperature field distribution on the external surface of the shell under the thermal equilibrium

此外,仿真分析還得到了各個電路的溫度分布、主要芯片溫度及箱體內空氣流動跡線。其中,電路板溫度場分布結果如圖6所示,箱體內流動跡線如圖7所示。

圖6 電路板溫度場分布結果Fig.6 Temperature field distribution of circuit board

圖7 箱體內流動跡線Fig.7 Schematic diagram of air flow track inside the shell

2.3 試驗驗證

通過溫箱對慣導設備進行耐高溫考核試驗,試驗條件為:在標準大氣壓環境下,70℃保溫14h,工作3h,慣導設備功率為65W,箱體外表面積為0.34m2。

試驗前,在箱體外壁粘貼測溫電阻,并將測溫電阻用電纜引出,如圖8所示；試驗期間,測試電纜通過箱壁上的測試孔引出,將被測試品和測溫電阻與箱外的測試設備連接起來,實時監控溫度變化以及慣導工作情況。

圖8 試驗測點布置及試驗現場Fig.8 Diagram of test point layout and test site

通電3h后,慣導工作正常,各測溫點所測溫度達到平衡,各測溫點的平衡溫度如表3所示。從仿真數據中提取與測點位置相同節點的計算結果與試驗結果進行比對,如表4所示。由結果可知,試驗中各測點值顯示溫度分布與仿真計算相符,最高溫度與理論計算值相符。

表3 70℃高溫試驗中箱體平衡溫度Table 3 Equilibrium temperature of the shell in 70℃high temperature test

表4 試驗中箱體平衡溫度與仿真數據的比較Table 4 Comparison of equilibrium temperature data between test and simulation

3 結論

本文針對激光捷聯慣導總體設計中因無法在設計前期進行熱設計指標控制而導致后期設計返工的問題,提出了一種熱設計量化控制方法。該方法采用箱體散熱面積作為控制指標,或通過最大可達箱體散熱面積反算整機功率,對單板功率重新分配。經有限元仿真和試驗驗證,該方法具有較高的控制精度,可以實現慣導設計前期定量化的熱設計控制,在很大程度上避免了后期因熱可靠性及熱試驗問題的設計返工。