应用相变储能板的星载数据处理器热设计.pdf

第 卷 第 期 年 月空 间 电 子 技 术 .收稿日期:修回日期:基金项目:科技重大专项课题(编号:)引用格式:胡凤姣王升刘江涛等.应用相变储能板的星载数据处理器热设计.空间电子技术():.():.:./.应用相变储能板的星载数据处理器热设计胡凤姣王 升刘江涛赵 静(中国空间技术研究院西安分院西安)摘 要:某星载数据处理器采用标准机箱结构实现整星对地遥测数据的存储与传输的功能 数据处理器总热耗较大其中有 个数据处理单元在工作时热耗高达 针对数据处理单元的周期性工作特点填充有相变材料的储能板作为其散热措施使用 在数据处理单元工作时储热间歇时散热实现对数据处理单元的温度控制 为了验证该热设计措施的有效性采用 软件进行仿真分析并设计了真空下的瞬态热平衡试验 仿真和试验结果均证明热设计方案合理该相变储能板可以适应数据处理单元周期性工作的需求且其内部所有元器件均满足一级降额设计要求 这种热设计方法为后续该类型周期性工作的大热耗单元热设计提供了参考意义关键词:数据处理器相变储能热设计热平衡试验中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:引言 随着电子科学技术日新月异地发展电子设备也向着高集成化和高功率化不断迈进在属于科技发展前沿阵地的航天领域更是如此 对卫星功能要求的不断提升带来了载荷数据量、运算量和传输量的剧增而随之产生的高热量和高热流密度非常容易导致相关设备和电子元器件工作温度偏高甚至引起失效 研究表明半导体元 年第 期胡凤姣等:应用相变储能板的星载数据处理器热设计器件的温度每升高 电子产品的可靠性将下降 在追求高可靠性的航天领域这种下降显然是难以接受的因而必须严格控制电子元器件的温升热控系统的重要作用就是保障电子设备在合理的温度区间工作 在航天载荷中大功率周期性工作的设备(如数据处理器)越来越成为宇航电子产品热控的难点 相变储能技术是应对这种周期性大功率设备热控的有效手段之一相变储能是利用相变材料在发生相变过程时吸收大量热能并保持温度基本不变的特点实现控温的 待设备停止工作后储存在相变材料中的热能向环境逐步释放恢复到原始状态 由于固 气、液 气相变都会产生气体导致相变前后体积变化巨大因此一般使用固 液相变材料用于储能而利用率最高的相变材料为石蜡类有机相变材料 为了应对月球昼夜更替的巨大温差美国在 年发射的月球车上应用了 套石蜡类相变储能热控系统中国的玉兔月球车上也搭载有相类似的相变储能系统 还将十二烷、十六烷和正十五烷分别用于在火星探测器和猎户座载人飞船的热控系统中随着技术的发展相变储能不仅被应用于卫星系统级热控也在星载周期性工作的大功率设备内部热设计中发挥重要作用 相对于系统级热控相变储能技术在单机内部的应用对体积与质量的约束条件更严苛 单机内部元器件较大的热流密度对热设计也提出了更高的要求 文章介绍的是一种将相变储能技术应用于星载数据处理器内部数据处理单元的热设计案例利用 软件对热设计方案进行仿真并通过真空下的瞬态热平衡试验对方案的合理性进行了验证 设计输入某星载数据处理器是卫星上重要载荷实现整星对地遥测、数据存储与传输功能 该卫星在固定轨道工作绕地球一圈约 数据处理器最大工作时长约 最大热耗约 属于周期性工作的大热耗单机该数据处理器采用.协议设计的标准结构由机箱与 块功能相对独立的插板组成 如图 所示数据处理器结构分为上下两部分其中上盒体安装插板下盒体安装母板与电源模块 为了减小上下两层盒体间的接触热阻在盒体侧壁上插装铜水热管将上盒体侧壁上的热量利用热管直接传导至下盒体图 数据处理器结构示意图.数据处理器主要热耗分布在插板与电源模块内部其中 个数据处理单元由于运算复杂数据处理量大其最高热耗单板约 主要发热元器件热耗分布如表 和图 所示 由表 及图 中数据可知元器件热耗和热流密度较大其中 热耗最大为 热流密度最大约为./数据处理器在太空中工作时由于没有空气对流且各插板之间温差较小辐射散热效率较低元器件的热量主要通过与其接触的 或散热板传出处理器的安装面最高温度为 而一般元器件结温的一级降额温度为 除去元器件结壳温升约只有 的热设计空间 因此设备热耗大、热流密度大、设计温度区间窄如何保障产品在周期性工作的工况中满足降额使用要求是热设计的难点空间电子技术 年第 期表 数据处理单元主要发热元器件的具体参数.位号名称热耗/结壳热阻/(/)一级降额温度/././电源模块./电源模块.图 数据处理板主要发热元器件分布示意图.通过热耗分布可以看出数据处理单元的热耗分布较为平均且都位于印制电路板正面有利于在其正面采取散热措施 相变储能板针对数据处理器周期性工作的特点在数据处理单元正面设计一块相变储能板如图 所示图 数据处理单元结构.在其工作时相变材料吸收元器件释放的热量实现控温的要求 设备停止工作后相变材料逐步释放热量恢复初始状态 相变储能板的结构由铝合金制成内部填充有复合石蜡类有机相变材料其具体性能参数如表 所列 根据计算相变材料充灌量约 表 相变材料的具体参数.参数名称指标熔融范围 典型温度:凝固范围 典型温度:储热容量./潜热与显热之和(温度范围 )/比热容/由表 数据可知该相变材料潜热大相变点温度为 与元器件一级降额温度 存在较大的温差利用相变材料在吸热融化时温度基本保持不变的特点可以有效的控制数据处理单元内元器件温度满足一级降额使用要求 热分析文章采用 软件作为分析工具分析网格模型如图 所示利用软件内部的相变模型对相变材料进行定义 为了提高计算速度在不影响计算精度的前提下分析模型适当简化忽略了一些几何特征对非数据处理单元的插板不建立详细模型不会影响数据处理单元内的温度分布 分析模型共有网格 个网格单元最大长宽比为.图 数据处理单元网格模型示意图.仿真针对最严苛的工况进行即数据处理器采取周期性工作模式单次开机时长 在最大热 年第 期胡凤姣等:应用相变储能板的星载数据处理器热设计耗情况下工作最高工作环境温度为 单机底部舱板布置有作为热沉的热管安装面温度较为均匀故仿真过程中将安装面定义为定温边界 作为星载电子设备数据处理器在真空下工作没有对流传热故其传热方式仅为热传导与热辐射 设定辐射环境温度与安装面温度一致均为 通过仿真可知开机后数据处理器内部温度随时间不断攀升 时元器件温度达到最高值此时数据处理单元内部温度分布如图 所示 壳温最高 温度为.其结温为 电源模块结温最高温度为.由仿真数据可知数据处理单元内部所有元器件结温均小于一级降额满足热设计要求 设备关机后元器件温度逐渐下降 关机 时元器件温度基本恢复到初始温度状态即 附近如图 所示图 数据处理单元温度分布示意图.图 主要元器件最高温度随时间变化曲线.热平衡试验根据航天器电子设备热设计指南利用瞬态热平衡试验可以验证采用周期性瞬态工况工作的航天器电子设备热设计的有效性其平衡的判据为在连续 个试验周期的对应时刻监测点温度值的变化在.内 对数据处理器进行热平衡试验时连续检测 个周期内元器件温度随时间的变化每个周期 其中设备正常开机 数据处理单元上主要测点分布如图 所示(其中 号测点布置在器件背面)试验过程中控制数据处理器外壳控温点温度达到 图 主要测温点分布示意图.选取关键发热元器件上的测点作为分析对象其温度随时间变化曲线如图 所示 在数据处理器连续工作的 个周期内各测点温度随时间的变化一致对应时刻监测点温度值的变化在 .内满足热平衡试验要求 可以看到每次关机后所有测点温度都能降低到环境温度此时相变储能板内部的相变材料也回到了试验初始状态 由此可知相变材料的充灌量满足数据处理单元周期性循环工作的需求图 测温点随时间变化曲线.由于真空罐的降温速率限制设备控温点的温度并没有一直稳定在 利用稳态热平衡实验数据对仿真模型进行修正再利用修正后的仿真模型校核试验过程中主要元器件的最高温度结果如表 所列 主要元器件试验温度与仿真计算温度最大绝对偏差为.证明仿真模型正确可靠 试空间电子技术 年第 期验数据表明数据处理单元内部所有元器件的结温均满足一级降额温度 的设计要求结温最高的元器件为电源模块 最高结温.表 主要测温点的仿真与试验试验数据对比.热电偶序号位号名称试验壳温/试验结温/仿真结温/.电源模块.电源模块.结论某星载数据处理器采用.协议设计的标准机箱结构在轨周期性工作开机 后关机 最大热耗约 其中数据处理单元约 为了解决数据处理单元的散热难题文章提出在电路板大热耗器件面安装相变储能板作为热控措施 通过仿真计算出数据处理单元内部元器件的最高温度满足设计要求 通过真空瞬态热平衡试验验证了热控方案的有效性设备内部所有元器件均满足一级降额设计要求元器件结温最高为.(电源模块)由数据处理器的热控方案可知相变材料可以较好地应对周期性工作的大热耗单元散热问题为后续同类型大热耗设备热控方式提供一定参考参考文献:陈乃松.高速无线数据传输系统研究及仿真实现.成都:电子科技大学:.李伟健.间歇大功率相变热沉研究.大连:大连理工大学:.李琴刘海东朱敏波.热仿真在电子设备结构设计中的应用.电子工艺技术():.张立王升赵静.相变材料深空控温技术研究.空间电子技术():.谢标.复合相变材料储能及热控的理论和实验研究.合肥:中国科学技术大学:.黄欣鹏.复合相变储能材料的传热特性研究.南京:东南大学:.解佳毅.新型波纹板式相变蓄热器热特性研究.济南:山东大学:.张毅冯春花刘洋等.相变储能石膏板传热过程测试及有限元分析.太阳能学报():.李静李绍伟蔡迪等.石墨烯气凝胶复合相变材料的热物性研究.物理学报():.林文珠凌子夜方晓明等.相变储热的传热强化技术研究进展.化工进展():.宋志昊张昆华闻明等.相变存储材料的研究现状及未来发展趋势.材料导报():.朱孟帅张华闫勤学等.泡沫金属填充率对相变材料强化换热的机理研究.制冷学报():.陈光闫孝红.一种模拟气液相变过程的相变模型.化工学报():.徐众侯静李军等.膨胀石墨/有机质复合相变材料的制备及性能.化工进展():.马勉军霍红庆张小青.月面载荷被动热控技术.中国空间科学技术():.():.作者简介:胡凤姣()湖南株洲人硕士高级工程师 主要研究方向为热设计:.