激光捷聯(lián)慣導(dǎo)量化熱設(shè)計(jì)指標(biāo)控制方法

趙 欣，苗 圃，陳善秋

(1.北京航天時(shí)代激光導(dǎo)航技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100094;2.空裝駐北京地區(qū)第四軍事代表室，北京100041)

0 引言

隨著航空慣導(dǎo)系統(tǒng)逐步向小型化、輕量化、高精度、高可靠方向發(fā)展,機(jī)載激光慣導(dǎo)的安裝密度越來越大,其內(nèi)外部安裝環(huán)境都更加不利于散熱,使得局部器件過熱成為電子產(chǎn)品失效的主要原因之一[1-5]。

目前,機(jī)載設(shè)備的熱設(shè)計(jì)主要有以下幾個基本技術(shù):1)在箱體外表面設(shè)計(jì)散熱片,用以增加箱體的散熱面積；2)給電路板設(shè)計(jì)導(dǎo)熱冷板,用冷板同時(shí)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(zhuǎn)變?yōu)闊醾鲗?dǎo)；3)對重要的結(jié)構(gòu)件采用噴涂或表面處理的方式增加表面熱輻射系數(shù),提高熱輻射效率；4)采用液冷或風(fēng)冷散熱技術(shù)[1-5]；5)采用有限元仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)完成時(shí)進(jìn)行熱仿真驗(yàn)證[1-7]。

采用液冷或風(fēng)冷技術(shù)進(jìn)行電路板或機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)不利于整體減重,適用于熱流密度較大的電子產(chǎn)品,如機(jī)載雷達(dá)的設(shè)計(jì)[1]。對于激光慣導(dǎo),則主要通過優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)與功耗、給電路板設(shè)計(jì)導(dǎo)熱冷板或采用噴涂等增加表面熱輻射的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

采用有限元方法進(jìn)行熱設(shè)計(jì)分析和優(yōu)化雖然能夠有效預(yù)示整機(jī)溫度場,但是需要在整機(jī)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)完整之后進(jìn)行,且需要對電路的高功耗元器件進(jìn)行篩選及詳細(xì)建模,分析計(jì)算后再進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代,仍會耗費(fèi)大量的設(shè)計(jì)時(shí)間。

本文基于第1種散熱設(shè)計(jì)技術(shù)(設(shè)計(jì)散熱片,增加散熱面積),綜合考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)和各電路功耗的分配[8],提出了一種在總體設(shè)計(jì)階段對整機(jī)功耗和箱體外表面積進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算的方法,能夠在設(shè)計(jì)最早期提出電路功耗和箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo),能有效控制整機(jī)熱設(shè)計(jì)的效果,從而使得設(shè)計(jì)完成的熱分析迭代設(shè)計(jì)變成熱設(shè)計(jì)校核分析,并避免整機(jī)完成后試驗(yàn)過程中因熱失效引起的設(shè)計(jì)返工,最大限度節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。

1 方法描述

激光慣導(dǎo)在工作過程中,電路、儀表等發(fā)熱元器件在電流作用下發(fā)出熱量,這些熱量一部分通過冷板、鎖緊條等以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到箱體上,另一部分通過箱體內(nèi)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(jīng)過箱體與外界進(jìn)行熱交換,如圖1所示。箱體散熱能力不足會導(dǎo)致箱體溫升過快,從而使得慣導(dǎo)內(nèi)環(huán)境溫度過高,降低了內(nèi)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(biāo),箱體外表面積越大,整機(jī)散熱效率越高。但是,由于尺寸、質(zhì)量的限制,箱體外表面積不能無限擴(kuò)大。設(shè)計(jì)多大的散熱面積能夠滿足慣導(dǎo)整機(jī)的散熱要求,以及在可以實(shí)現(xiàn)的散熱面積前提下如何對整機(jī)功率進(jìn)行量化指標(biāo)控制,目前還沒有其它文獻(xiàn)記錄。

圖1 激光捷聯(lián)慣導(dǎo)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(lián)慣導(dǎo)量化熱設(shè)計(jì)指標(biāo)控制方法,通過估算整機(jī)功耗P,并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的平衡溫度T1和環(huán)境溫度T2,建立箱體熱平衡方程計(jì)算箱體最小散熱面積,并以該面積值作為總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)在箱體表面設(shè)計(jì)散熱片,實(shí)現(xiàn)對激光捷聯(lián)慣導(dǎo)散熱性能的量化控制。實(shí)際進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),并不是任何指標(biāo)都能夠滿足,箱體外廓尺寸就會影響散熱面積指標(biāo)的可達(dá)性。因此,在本文方法中加入了對散熱面積可達(dá)性的判斷,能夠根據(jù)不可達(dá)的散熱面積指標(biāo)反算整機(jī)功耗,再以該整機(jī)功耗為指標(biāo)進(jìn)行新的功耗標(biāo)準(zhǔn)的重新分配。具體的步驟如下:

1)根據(jù)需要熱控制的激光慣導(dǎo)裝置中各元器件的單獨(dú)功耗Pi估算激光慣導(dǎo)裝置的整機(jī)功耗P

2)根據(jù)激光慣導(dǎo)裝置中各元器件的耐受溫度獲取激光慣導(dǎo)裝置整機(jī)的元器件耐受溫限值T0,同時(shí)估算整機(jī)溫降值ΔT,根據(jù)元器件耐受溫限值T0及整機(jī)溫降值ΔT計(jì)算出整機(jī)平衡溫度T1

3)根據(jù)總體環(huán)境試驗(yàn)要求設(shè)定環(huán)境溫度值T2。

4)建立箱體熱平衡方程[9],計(jì)算箱體最小散熱面積A

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

針對不同的箱體材料對應(yīng)不同的設(shè)計(jì)參數(shù),均可通過如表1[9]所示的參數(shù)表進(jìn)行選擇。

表1 參數(shù)表Table 1 Parameter list

5)計(jì)算最小箱體設(shè)計(jì)表面積許用值[A],并對所得許用值進(jìn)行判斷。若該設(shè)計(jì)許用值可達(dá),則以該許用值為設(shè)計(jì)指標(biāo)執(zhí)行設(shè)計(jì)；否則,利用設(shè)計(jì)可達(dá)的最大箱體設(shè)計(jì)表面積及箱體熱平衡方程,反算最大整機(jī)功耗P及最大整機(jī)功耗許用值[P],并根據(jù)最大整機(jī)功耗許用值對各元器件的單獨(dú)功耗進(jìn)行分配,作為各元器件新的功耗標(biāo)準(zhǔn)。

最小箱體設(shè)計(jì)表面積許用值[A]的表達(dá)式為

式(4)中,η為安全系數(shù)。

最大整機(jī)功耗許用值[P]的表達(dá)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(yàn)證

2.1 算例

某慣導(dǎo)預(yù)計(jì)整機(jī)功耗P=80W,器件耐受溫度為120℃,預(yù)計(jì)ΔT=10℃,則整機(jī)平衡溫度的最大值T1=110℃,環(huán)境溫度T2=70℃。

將上述參數(shù)代入平衡方程求解,可得到箱體散熱面積A=0.28m2,安全系數(shù)η=1.5,則箱體表面積許用值為[A]=1.5×A=0.42m2。該設(shè)計(jì)表面積經(jīng)檢驗(yàn)為不可達(dá),箱體的最大設(shè)計(jì)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(jìn)行重新新配。

2.2 有限元仿真驗(yàn)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(yàn)兩種方法對熱平衡方程的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

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

圖3 慣導(dǎo)幾何模型Fig.3 Geometric model of INS

慣導(dǎo)外殼由殼體、上蓋、側(cè)蓋組件等構(gòu)成,側(cè)蓋外部安裝有電器插座等；慣導(dǎo)內(nèi)部包含電源、IO、衛(wèi)導(dǎo)等8個組件。每個組件主要由電路板、芯片等構(gòu)成,電路與殼體間通過冷板、鎖緊結(jié)構(gòu)等進(jìn)行熱傳遞,再通過箱體與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換。

采用FloEFD軟件對該慣導(dǎo)整機(jī)包含內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。電子產(chǎn)品的熱源模型處理比較復(fù)雜,本文選擇了各單板上發(fā)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(shù)如表2所示。慣導(dǎo)箱體表面涂黑色無光漆,發(fā)射率取0.8；其他鋁合金表面陽極化處理,發(fā)射率取0.2；箱體外表面與周圍環(huán)境對流換熱,自然對流換熱系數(shù)取5W/(m2·K)[3]；冷板與芯片之間涂導(dǎo)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(shù)Table 2 Parameters of materials

芯片產(chǎn)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(huán)境中。

對環(huán)境溫度70℃下的慣導(dǎo)進(jìn)行熱仿真計(jì)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(yàn)證了熱平衡方程的計(jì)算結(jié)果。

圖5 熱平衡狀態(tài)下箱體外表面溫度場分布結(jié)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(nèi)空氣流動跡線。其中,電路板溫度場分布結(jié)果如圖6所示,箱體內(nèi)流動跡線如圖7所示。

圖6 電路板溫度場分布結(jié)果Fig.6 Temperature field distribution of circuit board

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

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過溫箱對慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行耐高溫考核試驗(yàn),試驗(yàn)條件為:在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓環(huán)境下,70℃保溫14h,工作3h,慣導(dǎo)設(shè)備功率為65W,箱體外表面積為0.34m2。

試驗(yàn)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(yàn)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(shè)備連接起來,實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度變化以及慣導(dǎo)工作情況。

圖8 試驗(yàn)測點(diǎn)布置及試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.8 Diagram of test point layout and test site

通電3h后,慣導(dǎo)工作正常,各測溫點(diǎn)所測溫度達(dá)到平衡,各測溫點(diǎn)的平衡溫度如表3所示。從仿真數(shù)據(jù)中提取與測點(diǎn)位置相同節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對,如表4所示。由結(jié)果可知,試驗(yàn)中各測點(diǎn)值顯示溫度分布與仿真計(jì)算相符,最高溫度與理論計(jì)算值相符。

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

表4 試驗(yàn)中箱體平衡溫度與仿真數(shù)據(jù)的比較Table 4 Comparison of equilibrium temperature data between test and simulation

3 結(jié)論

本文針對激光捷聯(lián)慣導(dǎo)總體設(shè)計(jì)中因無法在設(shè)計(jì)前期進(jìn)行熱設(shè)計(jì)指標(biāo)控制而導(dǎo)致后期設(shè)計(jì)返工的問題,提出了一種熱設(shè)計(jì)量化控制方法。該方法采用箱體散熱面積作為控制指標(biāo),或通過最大可達(dá)箱體散熱面積反算整機(jī)功率,對單板功率重新分配。經(jīng)有限元仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證,該方法具有較高的控制精度,可以實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)設(shè)計(jì)前期定量化的熱設(shè)計(jì)控制,在很大程度上避免了后期因熱可靠性及熱試驗(yàn)問題的設(shè)計(jì)返工。