CN117881077A - 一种一体化热控结构及有源设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一体化热控结构及有源设备，一体化热控结构包括导热凸台，所述导热凸台的第一端与所述发热元器件导热接触，所述导热凸台的第二端与所述有源设备的壳体的内侧导热连接；以及相变腔体，设置在所述导热凸台的内部，所述相变腔体内填充有相变材料。该一体化热控结构及有源设备能够解决航天器上高功能密度、高功率密度设备的间歇性作业模式所造成的局部点温度过冲的问题。

Description

一种一体化热控结构及有源设备

技术领域

本申请涉及航天器空间热控技术领域，尤其是涉及一种一体化热控结构及有源设备。

背景技术

目前，顺应航天技术的发展趋势，通信、探测卫星的大规模发射和运营是当下卫星发展的主线方向。在此发展主线上，卫星批量化生产的能力以及轻量化、低成本的技术实现途径越发成为各航天企业发展必须解决的问题。此外，随着数字化时代的到来，各领域对卫星各类应用服务的需求也越来越大，卫星行业的发展呈现了小型化、深化、智能化的发展趋势，功能密度高的卫星、功能密度高的星上设备成为了该领域发展的明确方向。机械结构和热控装置是整个卫星两大重要组成部分，也是决定卫星全寿命周期内任务成功与否、在轨是否可靠、有效使用寿命和作业性能是否优于应用要求的根本。因此，使卫星的机械结构和热控装置打破常规的物理壁垒，将结构与热控联合为一体的同时，深入到星载一体化的联合设计，是有效提升卫星研制任务成效比的重要途径。

以卫星遥感技术为例，在移动目标监测、灾害应急等对时效要求较高的应用领域中，将星上庞大的数据下传至地面进行信息处理的常规方式在计算效率上无法满足时效需求。而小型化的星上高性能数据处理系统则能够使数据处理流程达到最优，为上述问题提供了有效解决方案，然而，产品的机械失效、电气失效以及高热耗元器件的散热问题，是局限其有效工作时间、制约其数据处理效率的重要因素。常规的设备单机层级热控方案与卫星整星层级热控方案完全独立。在单机层级上，元器件产生的热量通过引脚焊球导至PCB板卡（印制电路板）或通过设备内部结构凸台导至导热结构上，进而经过PCB板卡的覆铜层或其他导热通道，将热量传至设备机壳或者设备安装面。而在卫星整星层级上，则是为设备机壳或安装面上的热量提供散热途径。传统设计形式下，卫星层级热控设计为设备提供的散热途径主要有两方面：增设有效散热面积和利用相变装置实现设备温度移峰。增设有效散热面积是利用热管、流体回路等热控产品的加强传热能力或者平板热管、结构扩热板的扩热均温能力为设备提供充足的散热面积，必要时也可以辅以辐射散热器。利用相变装置实现设备温度移峰则是将相变装置设置在设备的安装底面或临近区域，同时辅以槽道热管或平板热管等将热源与相变材料连接的导热措施。

可以看出，传统形式下，设备热控制措施与卫星热控制措施完全独立，层级界面显著，由此产生的问题则使卫星整体并未达到性能最优。例如在面对航天器上高功能密度、高功率密度设备的间歇性作业模式所造成的局部点温度过冲问题时，由于接触热阻和结构热阻的存在，热量层层传递的过程中损失了散热效率，结构、热控、设备与整星分离设计增加了一系列非必要的措施与重量，且损失了研制时间和成本。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种一体化热控结构及有源设备，用以解决航天器上高功能密度、高功率密度设备的间歇性作业模式所造成的局部点温度过冲的问题。

根据本发明的第一方面提供了一种一体化热控结构，其中，所述一体化热控结构包括：导热凸台，所述导热凸台的第一端与所述发热元器件导热接触，所述导热凸台的第二端与所述有源设备的壳体的内侧导热连接；以及相变腔体，设置在所述导热凸台的内部，所述相变腔体内填充有相变材料。

优选地，所述发热元器件的数量为多个，所述导热凸台的数量与所述发热元器件的数量相等，多个所述导热凸台与多个所述发热元器件一一对应地设置，所述电路板的数量为多个，多个所述电路板上设置有一个或多个所述发热元器件。

优选地，多个所述电路板包括第一电路板，所述第一电路板靠近所述壳体的第一侧板设置，多个所述发热元器件包括第一发热元器件，所述第一发热元器件设置在所述第一电路板的远离所述第一侧板的侧部，多个所述导热凸台包括第一导热凸台，所述第一导热凸台设置在所述第一电路板的靠近所述第一侧板的侧部，所述第一导热凸台与所述第一发热元器件在所述第一电路板的两侧对应地设置，所述第一导热凸台的第一端与所述第一电路板导热接触，所述第一导热凸台的第二端与所述壳体的第一侧板导热连接。

优选地，多个所述电路板包括第二电路板，所述第二电路板靠近所述壳体的第二侧板设置，多个所述发热元器件包括第二发热元器件，所述第二发热元器件设置在所述第二电路板的靠近所述第二侧板的侧部，多个所述导热凸台包括第二导热凸台，所述第二导热凸台设置在所述第二发热元器件与所述第二侧板之间，所述第二导热凸台的第一端与所述第二发热元器件导热接触，所述第二导热凸台的第二端与所述壳体的第二侧板导热连接。

优选地，多个所述电路板包括第三电路板，所述第三电路板设置在所述壳体的中部，多个所述发热元器件包括第三发热元器件，所述第三发热元器件设置在所述第三电路板的侧部，所述一体化热控结构还包括导热部件，所述导热部件靠近所述第三电路板的设置有所述第三发热元器件的侧部设置，所述导热部件的端部与所述有源设备的壳体的内侧连接，多个所述导热凸台包括第三导热凸台，所述第三导热凸台设置在所述第三发热元器件与所述导热部件之间，所述第三导热凸台的第一端与所述第三发热元器件导热接触，所述第三导热凸台的第二端与所述导热部件连接。

优选地，所述导热部件为导热板，所述导热部件平行于所述第三电路板设置，所述导热部件的端部与所述有源设备的壳体的内侧连接，所述第三导热凸台与所述导热部件一体成型。

优选地，所述相变腔体内还填充有泡沫碳。

优选地，所述导热凸台的第一端设置有第一导热石墨膜，在所述导热凸台的第一端与所述发热元器件之间设置有第一导热填料。

根据本发明的第二方面提供一种有源设备，其中，所述有源设备包括壳体、多个电路板、多个发热元器件以及如上所述的一体化热控结构，多个所述电路板设置在所述壳体内，多个所述电路板上设置有一个或多个所述发热元器件，所述一体化热控结构设置在所述壳体内，多个所述发热元器件通过所述一体化热控结构与所述壳体导热连接。

优选地，所述有源设备的壳体的外表面铺设有第二导热石墨膜，所述壳体与卫星结构板导热连接，在所述壳体与所述卫星结构板之间设置有第二导热填料。

本发明实施例的一体化热控结构及有源设备，其有源设备内设置有电路板，电路板上设置有发热元器件，导热凸台的第一端与发热元器件导热接触，导热凸台的第二端与有源设备的壳体的内侧导热连接，且在导热凸台的内部设置有相变腔体，相变腔体内填充有相变材料，导热凸台能够针对有源设备的局部的发热元器件单独进行导热，且相变腔体内的相变材料能够使发热元器件的升温速率得到延缓，如此能够有效地解决航天器上高功能密度、高功率密度设备的间歇性作业模式所造成的局部点温度过冲的问题。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是根据本发明的一体化热控结构及有源设备的示意图。

附图标记：1-有源设备；10-电路板；100-壳体；101-第一侧板；102-第二侧板；11-第一电路板；12-第二电路板；13-第三电路板；2-发热元器件；21-第一发热元器件；22-第二发热元器件；23-第三发热元器件；3-导热凸台；31-第一导热凸台；32-第二导热凸台；33-第三导热凸台；330-导热部件；4-相变腔体；51-第一导热石墨膜；52-第二导热石墨膜；61-第一导热填料；62-第二导热填料；7-卫星结构板。

具体实施方式

提供以下具体实施方式以帮助读者获得对这里所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，这里所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改及等同物将是显而易见的。例如，这里所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于这里所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。

这里所描述的特征可以以不同的形式实施，并且不应被解释为局限于这里所描述的示例。更确切地说，已经提供了这里所描述的示例仅用于示出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的实现这里描述的方法、设备和/或系统的诸多可行方式中的一些方式。

在整个说明书中，当元件（诸如，层、区域或基板）被描述为“在”另一元件“上”、“连接到”另一元件、“结合到”另一元件、“在”另一元件“之上”或“覆盖”另一元件时，其可直接“在”另一元件“上”、“连接到”另一元件、“结合到”另一元件、“在”另一元件“之上”或“覆盖”另一元件，或者可存在介于它们之间的一个或更多个其他元件。相比之下，当元件被描述为“直接在”另一元件“上”、“直接连接到”另一元件、“直接结合到”另一元件、“直接在”另一元件“之上”或“直接覆盖”另一元件时，可不存在介于它们之间的其他元件。

如在此所使用的，术语“和/或”包括所列出的相关项中的任何一项和任何两项或更多项的任何组合。

尽管可在这里使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各个构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不受这些术语所限制。更确切地说，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分相区分。因此，在不脱离示例的教导的情况下，这里所描述的示例中所称的第一构件、组件、区域、层或部分也可被称为第二构件、组件、区域、层或部分。

为了易于描述，在这里可使用诸如“在……之上”、“上部”、“在……之下”和“下部”的空间关系术语，以描述如附图所示的一个元件与另一元件的关系。这样的空间关系术语意图除了包含在附图中所描绘的方位之外，还包含装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为相对于另一元件位于“之上”或“上部”的元件随后将相对于另一元件位于“之下”或“下部”。因此，术语“在……之上”根据装置的空间方位而包括“在……之上”和“在……之下”两种方位。所述装置还可以以其他方式定位（例如，旋转90度或处于其他方位），并将对在这里使用的空间关系术语做出相应的解释。

在此使用的术语仅用于描述各种示例，而并非用于限制示例。除非上下文另外清楚地指明，否则单数的形式也意图包括复数的形式。术语“包括”、“包含”和“具有”列举存在的所陈述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

由于制造技术和/或公差，可出现附图中所示的形状的变化。因此，这里所描述的示例不限于附图中所示的特定形状，而是包括在制造期间出现的形状上的改变。

这里所描述的示例的特征可按照在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的各种方式进行组合。此外，尽管这里所描述的示例具有各种各样的构造，但是如在理解本申请的公开内容之后将显而易见的，其他构造是可能的。

如图1所示，根据本发明的第一方面提供一种一体化热控结构，该一体化热控结构包括导热凸台3以及相变腔体4。

在以下的描述中，将参照图1具体描述一体化热控结构的上述组件的具体结构以及上述组件的连接关系。

如图1所示，在实施例中，所述一体化热控结构用于安装于有源设备1。所述有源设备1的内部可以设置有电路板10（所述电路板10可以为印制电路板）。在电路板10的板面上可以设置有发热元器件2。导热凸台3可以设置在有源设备1的内部。导热凸台3的第一端可以与发热元器件2导热接触（所述发热元器件2可以为CPU），导热凸台3的第二端可以与有源设备1的壳体100的内侧导热连接。在导热凸台3的内部则可以设置有相变腔体4，在相变腔体4内可以填充有相变材料。导热凸台3能够针对有源设备1的局部的发热元器件2单独进行导热，且相变腔体4内的相变材料能够使发热元器件2的升温速率得到延缓，以避免有源设备1在间歇性作业后局部点的温度过冲。

优选的，如图1所示，在实施例中，导热凸台3的相变腔体4内还可以填充有泡沫碳。具体的，导热凸台3可以形成为圆柱形凸台或方形凸台。优选的，在导热凸台3的内部可以开设有与导热凸台3的形状相同的相变腔体4，以保证相变腔体4的尺寸。相变腔体4的内部可以填充有泡沫碳和相变材料。所述泡沫碳用于增强导热凸台3的导热能力，所述相变材料具体可以为石蜡。

优选的，如图1所示，在实施例中，发热元器件2的数量可以为多个，导热凸台3的数量可以与发热元器件2的数量相等。多个导热凸台3可以与多个发热元器件2一一对应地设置，以针对有源设备1的各发热源单独进行导热。电路板10的数量可以为多个，多个电路板10上可以设置有一个或多个发热元器件2。

再优选的，如图1所示，在实施例中，所述多个电路板10可以包括第一电路板11。第一电路板11可以靠近壳体100的第一侧板101设置。优选的，第一电路板11可以平行于第一侧板101设置，所述第一侧板101可以为有源设备1的底板。所述多个发热元器件2可以包括第一发热元器件21。第一发热元器件21可以设置在第一电路板11的远离第一侧板101的侧部。具体的，第一发热元器件21可以通过引脚焊接于第一电路板11的上板面。所述多个导热凸台3可以包括第一导热凸台31。第一导热凸台31可以设置在第一电路板11的靠近第一侧板101的侧部。具体的，第一导热凸台31可以与第一电路板11的下板面导热接触，第一导热凸台31与第一发热元器件21可以在第一电路板11的两侧对应地设置。第一导热凸台31的第一端（可以为如图1所示的顶端）可以与第一发热元器件21的引脚连接处对应的第一电路板11区域导热接触，第一导热凸台31的第二端（可以为如图1所示的底端）则可以与壳体100的第一侧板101导热连接。优选的，第一导热凸台31可以与壳体100的第一侧板101一体成型。

优选的，如图1所示，在实施例中，所述多个电路板10还可以包括第二电路板12。第二电路板12可以靠近壳体100的第二侧板102设置。优选的，第二电路板12可以平行于第二侧板102设置，所述第二侧板102可以为有源设备1的顶板。所述多个发热元器件2还可以包括第二发热元器件22。第二发热元器件22可以设置在第二电路板12的靠近第二侧板102的侧部。在实施例中，第二电路板12上可以设有两个第二发热元器件22。具体的，第二发热元器件22可以通过引脚焊接于第二电路板12的上板面。所述多个导热凸台3可以包括第二导热凸台32。第二导热凸台32可以设置在第二发热元器件22与第二侧板102之间。具体的，第二导热凸台32的第一端（可以为如图1所示的底端）可以与第二发热元器件22的顶端导热接触，第二导热凸台32的第二端（可以为如图1所示的顶端）可以与壳体100的第二侧板102导热连接。优选的，第二导热凸台32可以与壳体100的第二侧板102一体成型。

优选的，如图1所示，在实施例中，所述多个电路板10还可以包括第三电路板13。第三电路板13可以设置在壳体100的中部。优选的，第三电路板13可以水平地设置于壳体100的内部。所述多个发热元器件2还可以包括第三发热元器件23。第三发热元器件23可以通过引脚焊接于第三电路板13的上板面。所述一体化热控结构还包括导热部件330。导热部件330可以靠近第三电路板13的设置有第三发热元器件23的侧部设置。具体的，导热部件330可以设置在第三电路板13的上部。所述多个导热凸台3还可以包括第三导热凸台33。第三导热凸台33则可以设置在第三发热元器件23与导热部件330之间。具体的，第三导热凸台33的第一端（可以为如图1所示的底端）可以与第三发热元器件23的顶端导热接触，第三导热凸台33的第二端（可以为如图1所示的顶端）可以与导热部件330的下侧面导热连接。

优选的，如图1所示，在实施例中，导热部件330可以为导热板，导热部件330可以平行于第三电路板13设置。具体的，所述导热部件330可以为铜制的矩形板件。导热部件330的端部可以与有源设备1的壳体100的内侧连接。此外，优选的，第三导热凸台33可以与导热部件330一体成型。然而，不限于此，导热部件330形成为矩形板件仅为实施例中一种优选的情况，只要导热部件330能够导热连接第三导热凸台33与有源设备1的壳体100，导热部件330也可以形成为其他情况，例如：导热部件为柔性的导热带。

优选的，如图1所示，在实施例中，导热凸台3的第一端的端面的尺寸可以大于发热元器件2的端面的尺寸，使得发热元器件2能够较好地与导热凸台3的第一端导热接触。所述多个导热凸台3的尺寸可以不同，导热凸台3的具体尺寸、相变腔体4的具体尺寸以及相变材料的填充量可以根据发热元器件2的类型以及具体的发热情况进行适应性地调整。导热凸台3的第一端可以设置有第一导热石墨膜51，在导热凸台3的第一端与发热元器件2之间还可以设置有第一导热填料61，导热凸台3通过第一导热填料61和第一导热石墨膜51对发热元器件2进行导热。优选的，所述第一导热填料61可以为导热脂或导热垫。

此外，如图1所示，根据本发明的第二方面提供一种有源设备1，所述有源设备1包括壳体100、多个电路板10、多个发热元器件2以及如上所述的一体化热控结构。其中，所述有源设备1可以为高性能计算机。多个电路板10设置在有源设备1的壳体100内，多个电路板10上设置有一个或多个发热元器件2。所述一体化热控结构可以设置在壳体100内，多个发热元器件2通过一体化热控结构与壳体100导热连接。由于仅通过电路板10进行散热无法满足发热元器件2的温度控制需求，因此可以设置所述一体化热控结构为发热元器件2提供另一条散热途径，即通过与导热凸台3进行导热接触，将热量传递至壳体100进行热排散。

优选的，如图1所示，在实施例中，有源设备1的壳体100的外表面还可以铺设有第二导热石墨膜52，以确保有源设备1的表面能够高效辐射散热。另外，第二导热石墨膜52能够对壳体100表面的局部温度高点起到扩热的辅助作用。壳体100的底部则可以与卫星结构板7导热连接。在壳体100与卫星结构板7之间还可以设置有第二导热填料62。优选的，所述第二导热填料62可以为导热脂或导热垫。

使用过程中，发热元器件2可以通过导热凸台3将热量传递至壳体100进行热排散。导热凸台3内则设置有相变材料，使得发热元器件2的升温速率得到延缓，且在有源设备1停止工作后能够使热量延后排散，在有效支持有源设备1长时间连续工作的同时，降低了有源设备1在停止工作后为维持基本温度对加热功耗的需求。导热凸台3的相变腔体4内填充泡沫碳与相变材料的结构则能够针对分布式点热源进行散热。所述一体化热控结构在设计形式上突破了传统上的针对面热源的相变装置的设计形式，对相变装置的热导率的要求更低，小腔体内的导热结构更为简单、对相变材料的利用率更高。有源设备1的壳体100与卫星结构板7之间通过第二导热石墨膜52和第二导热填料62导热连接，则能够将发热元器件2产生的热量传递至卫星结构板7。如此设置实现了有源设备1的内部与卫星平台的跨层级连接，有效地解决了有源设备1在间歇性作业模式下发热元器件2温度过冲的问题，并达到了提高卫星系统性能和缩短研制周期的效果。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种一体化热控结构，安装于有源设备，所述有源设备内设置有电路板，所述电路板上设置有发热元器件，其特征在于，所述一体化热控结构包括：

导热凸台，所述导热凸台的第一端与所述发热元器件导热接触，所述导热凸台的第二端与所述有源设备的壳体的内侧导热连接；以及

相变腔体，设置在所述导热凸台的内部，所述相变腔体内填充有相变材料。

2.根据权利要求1所述的一体化热控结构，其特征在于，所述发热元器件的数量为多个，所述导热凸台的数量与所述发热元器件的数量相等，多个所述导热凸台与多个所述发热元器件一一对应地设置，所述电路板的数量为多个，多个所述电路板上设置有一个或多个所述发热元器件。

3.根据权利要求2所述的一体化热控结构，其特征在于，多个所述电路板包括第一电路板，所述第一电路板靠近所述壳体的第一侧板设置，多个所述发热元器件包括第一发热元器件，所述第一发热元器件设置在所述第一电路板的远离所述第一侧板的侧部，多个所述导热凸台包括第一导热凸台，所述第一导热凸台设置在所述第一电路板的靠近所述第一侧板的侧部，所述第一导热凸台与所述第一发热元器件在所述第一电路板的两侧对应地设置，所述第一导热凸台的第一端与所述第一电路板导热接触，所述第一导热凸台的第二端与所述壳体的第一侧板导热连接。

4.根据权利要求2所述的一体化热控结构，其特征在于，多个所述电路板包括第二电路板，所述第二电路板靠近所述壳体的第二侧板设置，多个所述发热元器件包括第二发热元器件，所述第二发热元器件设置在所述第二电路板的靠近所述第二侧板的侧部，多个所述导热凸台包括第二导热凸台，所述第二导热凸台设置在所述第二发热元器件与所述第二侧板之间，所述第二导热凸台的第一端与所述第二发热元器件导热接触，所述第二导热凸台的第二端与所述壳体的第二侧板导热连接。

5.根据权利要求2所述的一体化热控结构，其特征在于，多个所述电路板包括第三电路板，所述第三电路板设置在所述壳体的中部，多个所述发热元器件包括第三发热元器件，所述第三发热元器件设置在所述第三电路板的侧部，所述一体化热控结构还包括导热部件，所述导热部件靠近所述第三电路板的设置有所述第三发热元器件的侧部设置，所述导热部件的端部与所述有源设备的壳体的内侧连接，多个所述导热凸台包括第三导热凸台，所述第三导热凸台设置在所述第三发热元器件与所述导热部件之间，所述第三导热凸台的第一端与所述第三发热元器件导热接触，所述第三导热凸台的第二端与所述导热部件连接。

6.根据权利要求5所述的一体化热控结构，其特征在于，所述导热部件为导热板，所述导热部件平行于所述第三电路板设置，所述导热部件的端部与所述有源设备的壳体的内侧连接，所述第三导热凸台与所述导热部件一体成型。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的一体化热控结构，其特征在于，所述相变腔体内还填充有泡沫碳。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的一体化热控结构，其特征在于，所述导热凸台的第一端设置有第一导热石墨膜，在所述导热凸台的第一端与所述发热元器件之间设置有第一导热填料。

9.一种有源设备，其特征在于，所述有源设备包括壳体、多个电路板、多个发热元器件以及权利要求1至8中任一项所述的一体化热控结构，多个所述电路板设置在所述壳体内，多个所述电路板上设置有一个或多个所述发热元器件，所述一体化热控结构设置在所述壳体内，多个所述发热元器件通过所述一体化热控结构与所述壳体导热连接。

10.根据权利要求9所述的有源设备，其特征在于，所述有源设备的壳体的外表面铺设有第二导热石墨膜，所述壳体与卫星结构板导热连接，在所述壳体与所述卫星结构板之间设置有第二导热填料。