CN112084691B - 一种空间搭载低功耗电子机箱热设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种空间搭载低功耗电子机箱热设计方法，包括：确定输入条件、输出要求、传热换热模式；对各板件上的元器件进行设计排布；确定各板件的连接结构；结构建模；对模型进行有限元网格化划分处理；设置传热计算式；输入电子机箱的在轨工作时长；根据输入条件，设置高低温工况下的环境温度，并对电子机箱运行时的温度场进行仿真计算；读取高低温工况下的各个元器件的温度，判别是否所有元器件满足输出要求，若是，则热设计完成；若否，则针对不满足输出要求的元器件进行排布调整或加强导热措施，直至所有元器件完全满足输出要求。本申请满足了电子机箱的散热需求，保障了其在轨可靠运行及功能实现。

Description

一种空间搭载低功耗电子机箱热设计方法

技术领域

本申请涉及航天器载荷热设计技术领域，尤其涉及一种空间搭载低功耗电子机箱热设计方法。

背景技术

航天器监测探测等搭载载荷是航天器实现在轨运行核心科学与应用任务的功能单元。其集成电子器件的散热问题是保障设备正常运行的关键。随着空间搭载试验载荷技术不断发展，电路集成度也日趋提高，电子元件高密度分布的结构设计，必然会导致热流密度的增加，严重时可能造成电子设备失效。实验与研究表明：单个半导体元件的温度每升高10℃，系统可靠性将降低50％，超过55％的电子设备的失效是由于温度过高引起的。当电子机箱的某些元器件存在散热不佳时，会影响周围元器件的正常工作环境，影响载荷在轨运行的安全可靠性。

发明内容

本申请的目的是针对以上问题，提供一种空间搭载低功耗电子机箱热设计方法。

本申请提供一种空间搭载低功耗电子机箱热设计方法，包括如下步骤：

S1、确定电子机箱结构热设计输入条件；

S2、确定电子机箱结构热设计输出要求；

S3、确定电子机箱存在的传热换热模式；

S4、在满足元器件连接功能性的前提下，按照有利于元器件散热的布局原则对电子机箱内部各板件上的元器件进行设计排布；

S5、确定电子机箱内部各板件的基础连接结构；

S6、采用有限元分析软件对电子机箱进行结构建模；

S7、对步骤S6中建立的模型进行有限元网格化划分处理；

S8、设置电子机箱各个表面及连接处的传热计算式；

S9、输入电子机箱的在轨工作时长；

S10、根据步骤S1中所确定的输入条件，分别设置高低温工况下的环境温度，分别对整个电子机箱在高低温工况下运行时的温度场进行仿真计算；

S11、读取高低温工况下的各个元器件的温度，判别是否所有元器件完全满足步骤S2中所确定的输出要求，若是，则热设计完成；若否，则进入步骤S12；

S12、针对不满足输出要求的元器件进行排布调整或加强导热措施，跳转至步骤S4。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，确定所述电子机箱结构热设计输入条件包括：

确定电子机箱在航天器上所搭载位置处的环境温度范围；

确定电子机箱的尺寸、热容量、表面发射率、材料以及材料热导率；

确定电子机箱的搭载安装面尺寸；

确定电子机箱的在轨工作时长。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，确定电子机箱结构热设计输出要求的方法为：查阅国军标规定的元器件I级降额等级使用要求，在此基础之上留有一定余量来设定元器件的最高结温。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，所述电子机箱存在的传热换热模式包括：电子机箱与外环境之间的传热换热模式，以及电子机箱内部结构与元器件之间的传热换热模式。

根据本申请某些实施例提供的技术方案，在满足元器件连接功能性的前提下，按照有利于元器件散热的布局原则对电子机箱内部各板件上的元器件进行设计排布时，尽可能使各板件上热功耗分布均衡，并有利于热量排出，将热功耗较大的元器件布设在外围，热功耗较小的元器件布设在中心，并避免局部区域热功耗过于集中，尤其避免热功耗大的元器件集中。

与现有技术相比，本申请的有益效果：本申请基于传热学的基础计算理论，结合有限元仿真分析方法，对极端工况下电子机箱工作温度场进行仿真计算，判别热可靠性较低的区域，进行电子元器件排布调整，通过反复迭代调整验证，完成整机电子学热设计；本申请以尽可能简单的散热手段满足了电子机箱的散热需求，以最节约平台资源的方式，保障了其在轨可靠运行及功能实现。

附图说明

图1为本申请实施例提供的空间搭载低功耗电子机箱热设计方法的方法流程图；

图2为本申请实施例提供的空间搭载低功耗电子机箱的各板件上元器件的初步布局图；

图3为本申请实施例提供的空间搭载低功耗电子机箱的各板件上元器件的最终布局图；

图4为本申请实施例提供的空间搭载低功耗电子机箱在高温工况下各个区域的温度场；

图5为本申请实施例提供的空间搭载低功耗电子机箱在高温工况下各个区域的温度场。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。

本实施例提供一种空间搭载低功耗电子机箱热设计方法，其方法流程图如图1所示。本实例以某空间搭载监测仪电子机箱为例，来对该热设计方法进行详细描述，所述热设计方法主要包括如下步骤：

S1、确定电子机箱结构热设计输入条件，包括：确定电子机箱在航天器上所搭载位置处的环境温度范围；确定电子机箱的尺寸、热容量、表面发射率、材料以及材料热导率；确定电子机箱的搭载安装面尺寸；确定电子机箱的在轨工作时长。

该电子机箱安装于某航天器舱内仪器圆盘上方舱壁散热面上，即热界面位于某舱舱壁上，设备运行的环境温度范围为：-40℃～40℃，电子机箱的壳体尺寸为：220×120×160mm³，热容量为4280J/K，表面发射率≥85％，材料为铝材(2A12-H112GB/T3880-1997)，材料导热率为138W/(m·℃)，机箱安装面尺寸为26400mm²。

S2、确定电子机箱结构热设计输出要求，具体方法为：查阅国军标规定的元器件I级降额等级使用要求，在此基础之上留有一定余量来设定元器件的最高结温。

根据GJB/Z35-93规定，大部分I级降额使用的集成电路元器件的最高结温为85℃，保留一定裕度作为电子机箱结构热设计输出要求，比如，将输出要求设定为80℃。

S3、确定电子机箱存在的传热换热模式，所述电子机箱存在的传热换热模式包括：电子机箱与外环境之间的传热换热模式，以及电子机箱内部结构与元器件之间的传热换热模式。空间搭载应用任务下，一般以热传导、热辐射为主，几乎不存在热对流。

该电子机箱与外环境(航天器舱内环境)之间通过辐射散热以及安装界面的热传导进行传热散热；电子机箱内部机构与元器件之间相连接部分通过热传导换热，各个表面之间通过热辐射换热，舱内为真空环境，在轨期间不存在对流换热，因此，该电子机箱存在的传热换热模式为热传导和热辐射。

S4、在满足元器件连接功能性的前提下，按照有利于元器件散热的布局原则对电子机箱内部各板件上的元器件进行设计排布；尽可能使各板件上热功耗分布均衡，并有利于热量排出，将热功耗较大的元器件布设在外围，热功耗较小的元器件布设在中心，并避免局部区域热功耗过于集中，尤其避免热功耗大的元器件集中。

该电子机箱内一共设有三块印制电路板，分别为电源板、控制板和测试板，按照上述原则，对三块印制电路板上的各个元器件进行初步设计排布，并对功耗大于0.25W的元器件进行位置和尺寸标注，三块印制电路板上的元器件初步布局如图2所示，其中(a)为电源板初步布局的元器件布局图，(b)为控制板初步布局的元器件布局图，(c)为测试板初步布局的元器件布局图。可以看出，在初步布局时，元器件AME270461Z和AFL12028SZ安装在电源板上。

S5、确定电子机箱内部各板件的基础连接结构。

各印制电路板通过托框与电子机箱相连，各印制电路板板路均使用两层覆铜层加强均匀散热，电子机箱选择铝材(2A12-H112GB/T3880-1997)，除安装面外，各个电子机箱的外表面均进行黑色阳极化处理。

S6、采用有限元分析软件对电子机箱进行结构建模。

本实施例中，采用ANSYS有限元分析软件对包含初步元器件排布的电子机箱进行结构建模。

S7、对步骤S6中建立的模型进行有限元网格化划分处理。

有限元网格化划分处理时，忽略结构中Φ<10mm孔的影响(非热量集中区域)，建模按实体结构处理。

S8、设置电子机箱各个表面及连接处的传热计算式。

传热计算式决定了有限元仿真软件自身的运算逻辑。步骤S3中所确定的该电子机箱存在的传热换热模式为热传导和热辐射，其中，热传导计算式为:

其中,Φ₁为热流量，λ为热导率，A₁为导热换热面积，表征导热方向上的温度梯度；热辐射计算式为:

Φ₂＝εA₂σT⁴，

其中,Φ₂为辐射散热量，ε为辐射发射率，A₂为辐射散热面积，σ为玻尔兹曼常量，T为辐射表面温度。

S9、输入电子机箱的在轨工作时长。

本步骤中输入的所述在轨工作时长属于步骤S1的输入条件之一。该电子机箱搭载在航天器上在轨运行时间2年，工作时间约为11680h。

S10、根据步骤S1中所确定的输入条件，分别设置高低温工况下的环境温度，分别对整个电子机箱在高低温工况下运行时的温度场进行仿真计算。

步骤S1中所确定的设备运行的环境温度范围为：-40℃～40℃，将高温工况下环境温度设置为40℃，将低温工况下环境温度设置为-40℃，分别就这两种工况对整个电子机箱在高低温工况下运行时的温度场进行仿真计算。

S11、读取高低温工况下的各个元器件的温度，判别是否所有元器件完全满足步骤S2中所确定的输出要求，并且未出现高温器件过度集中的情况，若是，则热设计完成；若否，则进入步骤S12。

读取极端工况(高低温工况)下的各个元器件的温度区间，发现电源板器件尺寸大、功率大，高温器件集中且温度区间偏高，超出了步骤2中的工作结温的要求，热设计未完成，进入步骤S12。

S12、针对不满足输出要求的元器件进行排布调整或加强导热措施(如涂覆导热材料或局部增设扩热片等)，跳转至步骤S4，重复步骤S4～S11，直至所有元器件完全满足步骤S2中所确定的输出要求。这里所述的导热材料可以为导热硅脂或复合碳纤维。

针对电源板高温问题，在不影响各单元功能实现的前提下，重复步骤S4～S11，将电源板上的AME270461Z和AFLAFL12028SZ器件移至热设计余量最大的测试板进行布局调整，以改善电源板的散热；将电源板上其余器件进行重新分散排布，三块印制电路板上的元器件重新布局的示意图如图3所示，其中(a)为重新布局后电源板的元器件布局图，(b)为重新布局后控制板的元器件布局图，(c)为重新布局后测试板的元器件布局图；再次仿真，二次输出的热仿真计算结果如图4和图5所示，高温工况下所有电子器件最高温度67.312℃，低温工况下所有器件最低温度为-11.588℃，满足工作结温的热设计输出要求。电子机箱结构热设计任务完成。

本申请针对空间搭载低功耗电子机箱提出一种热设计方法，通过构型建模，结合热传导和热辐射计算理论，对载荷机箱整体进行了有限元仿真计算，验证载荷电子机箱结构热学角度的可靠性。通过调整电子器件布局、电路板覆铜、导热材料(导热硅脂或复合碳纤维)涂覆、机箱黑色阳极化处理等简单有效的措施，使得电子机箱整机满足设备极端工况下的散热需求，保障其在轨可靠运行及功能实现。该方法有效避免了低功率电子元器件热设计可能出现的繁复冗余的解决方案对重量、体积、电源供电等平台资源的挤占，具有重要应用价值。

该热设计方法的提出，对空间搭载低功耗电子机箱结构热设计与分析验证具有重要意义。具体表现为：

第一，对于低功耗电子机箱，一般不需要特别的主动热控措施，仅在器件布局与结构选材上采取有利于散热的方式，辅助以一些简单措施(如导热材料涂覆等)，即可满足散热需求。而该方法能够通过仿真计算的方式，明确获知结构设计与器件布局是否达到散热要求。

第二，若初步计算结果显示机箱并不满足散热需求，该方法能够很直观地发现温度场中的热量聚集区域，即需要重新调整元器件排布的区域，有效提高问题解决针对性。

第三，通过反复迭代调整器件布局或导热材料并进行仿真计算验证的方式完成热设计，有效避免了局部温度过高就采取复杂或主动热控的方式对结构尺寸、重量所加重的负荷，以及冗余复杂度。能够在满足散热条件地前提下，尽可能地简化载荷结构热设计。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种空间搭载低功耗电子机箱热设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定电子机箱结构热设计输入条件；

S2、确定电子机箱结构热设计输出要求；

S3、确定电子机箱存在的传热换热模式；

S4、在满足元器件连接功能性的前提下，按照有利于元器件散热的布局原则对电子机箱内部各板件上的元器件进行设计排布；

S5、确定电子机箱内部各板件的基础连接结构；

S6、采用有限元分析软件对电子机箱进行结构建模；

S7、对步骤S6中建立的模型进行有限元网格化划分处理；

S8、设置电子机箱各个表面及连接处的传热计算式；

S9、输入电子机箱的在轨工作时长；

S10、根据步骤S1中所确定的输入条件，分别设置高低温工况下的环境温度，分别对整个电子机箱在高低温工况下运行时的温度场进行仿真计算；

S11、读取高低温工况下的各个元器件的温度，判别是否所有元器件完全满足步骤S2中所确定的输出要求，若是，则热设计完成；若否，则进入步骤S12；

S12、针对不满足输出要求的元器件进行排布调整或加强导热措施，跳转至步骤S4。

2.根据权利要求1所述的空间搭载低功耗电子机箱热设计方法，其特征在于，确定所述电子机箱结构热设计输入条件包括：

确定电子机箱在航天器上所搭载位置处的环境温度范围；

确定电子机箱的尺寸、热容量、表面发射率、材料以及材料热导率；

确定电子机箱的搭载安装面尺寸；

确定电子机箱的在轨工作时长。

3.根据权利要求1所述的空间搭载低功耗电子机箱热设计方法，其特征在于，确定电子机箱结构热设计输出要求的方法为：查阅国军标规定的元器件I级降额等级使用要求，在此基础之上留有一定余量来设定元器件的最高结温。

4.根据权利要求1所述的空间搭载低功耗电子机箱热设计方法，其特征在于，所述电子机箱存在的传热换热模式包括：电子机箱与外环境之间的传热换热模式，以及电子机箱内部机构与元器件之间的传热换热模式。

5.根据权利要求1所述的空间搭载低功耗电子机箱热设计方法，其特征在于，在满足元器件连接功能性的前提下，按照有利于元器件散热的布局原则对电子机箱内部各板件上的元器件进行设计排布时，尽可能使各板件上热功耗分布均衡，并有利于热量排出，将热功耗较大的元器件布设在外围，热功耗较小的元器件布设在中心，并避免局部区域热功耗过于集中，尤其避免热功耗大的元器件集中。