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某星载电子机箱的热设计和热分析
中国科学院空间科学与应用研究中心 陈博
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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。

（图片）

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。

（图片）

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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[2]罗凌江,王能.印制电路板的热设计.自动测量与控制,2006,25(12):80~81
[3]杜丽华,蔡云枝.PCB 的热设计. 现代电子技术,2002,(8):85~87
[4]航天器热控制技术——原理及其应用 2/15/2011

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