激光捷联惯导量化热设计指标控制方法

赵 欣，苗 圃，陈善秋

(1.北京航天时代激光导航技术有限责任公司，北京100094;2.空装驻北京地区第四军事代表室，北京100041)

0 引言

随着航空惯导系统逐步向小型化、轻量化、高精度、高可靠方向发展,机载激光惯导的安装密度越来越大,其内外部安装环境都更加不利于散热,使得局部器件过热成为电子产品失效的主要原因之一[1-5]。

目前,机载设备的热设计主要有以下几个基本技术:1)在箱体外表面设计散热片,用以增加箱体的散热面积；2)给电路板设计导热冷板,用冷板同时贴合重要的电子元器件和箱体,使得电子元器件的散热方式由热对流转变为热传导；3)对重要的结构件采用喷涂或表面处理的方式增加表面热辐射系数,提高热辐射效率；4)采用液冷或风冷散热技术[1-5]；5)采用有限元仿真技术在设计完成时进行热仿真验证[1-7]。

采用液冷或风冷技术进行电路板或机箱的散热设计不利于整体减重,适用于热流密度较大的电子产品,如机载雷达的设计[1]。对于激光惯导,则主要通过优化箱体结构参数与功耗、给电路板设计导热冷板或采用喷涂等增加表面热辐射的方式进行设计优化。

采用有限元方法进行热设计分析和优化虽然能够有效预示整机温度场,但是需要在整机结构及电路设计完整之后进行,且需要对电路的高功耗元器件进行筛选及详细建模,分析计算后再进行设计迭代,仍会耗费大量的设计时间。

本文基于第1种散热设计技术(设计散热片,增加散热面积),综合考虑结构参数和各电路功耗的分配[8],提出了一种在总体设计阶段对整机功耗和箱体外表面积进行指标计算的方法,能够在设计最早期提出电路功耗和箱体结构设计指标,能有效控制整机热设计的效果,从而使得设计完成的热分析迭代设计变成热设计校核分析,并避免整机完成后试验过程中因热失效引起的设计返工,最大限度节省了设计时间。

1 方法描述

激光惯导在工作过程中,电路、仪表等发热元器件在电流作用下发出热量,这些热量一部分通过冷板、锁紧条等以热传导的方式传递到箱体上,另一部分通过箱体内空气对流和辐射传递到箱体上。无论以何种方式传递,都需要经过箱体与外界进行热交换,如图1所示。箱体散热能力不足会导致箱体温升过快,从而使得惯导内环境温度过高,降低了内部仪器仪表测量精度及元器件的工作可靠性。箱体外表面积是决定箱体散热能力的重要指标,箱体外表面积越大,整机散热效率越高。但是,由于尺寸、质量的限制,箱体外表面积不能无限扩大。设计多大的散热面积能够满足惯导整机的散热要求,以及在可以实现的散热面积前提下如何对整机功率进行量化指标控制,目前还没有其它文献记录。

图1 激光捷联惯导热传递示意图Fig.1 Schematic diagram of thermal transmitting in laser strapdown inertial navigation system

本文提出了一种激光捷联惯导量化热设计指标控制方法,通过估算整机功耗P,并根据预先设定的平衡温度T1和环境温度T2,建立箱体热平衡方程计算箱体最小散热面积,并以该面积值作为总体结构设计的控制指标在箱体表面设计散热片,实现对激光捷联惯导散热性能的量化控制。实际进行结构设计时,并不是任何指标都能够满足,箱体外廓尺寸就会影响散热面积指标的可达性。因此,在本文方法中加入了对散热面积可达性的判断,能够根据不可达的散热面积指标反算整机功耗,再以该整机功耗为指标进行新的功耗标准的重新分配。具体的步骤如下:

1)根据需要热控制的激光惯导装置中各元器件的单独功耗Pi估算激光惯导装置的整机功耗P

2)根据激光惯导装置中各元器件的耐受温度获取激光惯导装置整机的元器件耐受温限值T0,同时估算整机温降值ΔT,根据元器件耐受温限值T0及整机温降值ΔT计算出整机平衡温度T1

3)根据总体环境试验要求设定环境温度值T2。

4)建立箱体热平衡方程[9],计算箱体最小散热面积A

式(3)中,P为惯导整机功耗,A为箱体最小散热面积,h为自然对流换热系数,T2为环境温度值,C0为黑体辐射系数,ε1为箱体发射率,ε2为吸收体发射率,φ1-2为辐射角系数。

针对不同的箱体材料对应不同的设计参数,均可通过如表1[9]所示的参数表进行选择。

表1 参数表Table 1 Parameter list

5)计算最小箱体设计表面积许用值[A],并对所得许用值进行判断。若该设计许用值可达,则以该许用值为设计指标执行设计；否则,利用设计可达的最大箱体设计表面积及箱体热平衡方程,反算最大整机功耗P及最大整机功耗许用值[P],并根据最大整机功耗许用值对各元器件的单独功耗进行分配,作为各元器件新的功耗标准。

最小箱体设计表面积许用值[A]的表达式为

式(4)中,η为安全系数。

最大整机功耗许用值[P]的表达式为

该方法的步骤流程图如图2所示。

图2 本文方法的步骤流程图Fig.2 Flowchart of the method in this paper

图2中,1为正算流程,2为反算流程。

2 方法验证

2.1 算例

某惯导预计整机功耗P=80W,器件耐受温度为120℃,预计ΔT=10℃,则整机平衡温度的最大值T1=110℃,环境温度T2=70℃。

将上述参数代入平衡方程求解,可得到箱体散热面积A=0.28m2,安全系数η=1.5,则箱体表面积许用值为[A]=1.5×A=0.42m2。该设计表面积经检验为不可达,箱体的最大设计表面积为0.34m2,用此表面积值反算的最大功耗为97.5W,则最大功耗许用值为[P]=P/1.5=65W。然后,再按上述功耗值对仪表、电路进行重新新配。

2.2 有限元仿真验证

该方法的核心在于热平衡方程的有效性,因此采用有限元仿真和试验两种方法对热平衡方程的有效性进行验证。

某惯导的设计模型如图3所示,外廓尺寸为301mm×190mm×147mm,外表面积为0.34m2。惯导由外壳体、本体组件、电源、CPU组件等组成,设备最大工作功率为65W,芯片工作限制温度为120℃。

图3 惯导几何模型Fig.3 Geometric model of INS

惯导外壳由壳体、上盖、侧盖组件等构成,侧盖外部安装有电器插座等；惯导内部包含电源、IO、卫导等8个组件。每个组件主要由电路板、芯片等构成,电路与壳体间通过冷板、锁紧结构等进行热传递,再通过箱体与外界环境进行热交换。

采用FloEFD软件对该惯导整机包含内部结构进行建模。电子产品的热源模型处理比较复杂,本文选择了各单板上发热功率较大、体积相对较小的元器件作为热源(称为热源元器件),如图4所示。将单板总功耗按额定功率比例分配到所选择的热源元器件上,这样既保证了单板总功耗不变,又有针对性地简化了模型。

图4 电路组件建模示意图Fig.4 Schematic diagram of circuit component modeling

主要材料参数如表2所示。惯导箱体表面涂黑色无光漆,发射率取0.8；其他铝合金表面阳极化处理,发射率取0.2；箱体外表面与周围环境对流换热,自然对流换热系数取5W/(m2·K)[3]；冷板与芯片之间涂导热硅脂,接触热阻为9×10-6(m2·K)/W[10]；锁紧条与箱体插槽的接触热阻为 2.3×10-4(m2·K)/W[2,10]。

表2 材料参数Table 2 Parameters of materials

芯片产生的热量通过冷板传热、空气自然对流和辐射传递到外壳体上,外壳体通过对流换热将热量传递到周围环境中。

对环境温度70℃下的惯导进行热仿真计算,得到外壳体表面温度场分布,如图5所示。外表面温度最高为110℃,最低为97℃,由此验证了热平衡方程的计算结果。

图5 热平衡状态下箱体外表面温度场分布结果Fig.5 Results of temperature field distribution on the external surface of the shell under the thermal equilibrium

此外,仿真分析还得到了各个电路的温度分布、主要芯片温度及箱体内空气流动迹线。其中,电路板温度场分布结果如图6所示,箱体内流动迹线如图7所示。

图6 电路板温度场分布结果Fig.6 Temperature field distribution of circuit board

图7 箱体内流动迹线Fig.7 Schematic diagram of air flow track inside the shell

2.3 试验验证

通过温箱对惯导设备进行耐高温考核试验,试验条件为:在标准大气压环境下,70℃保温14h,工作3h,惯导设备功率为65W,箱体外表面积为0.34m2。

试验前,在箱体外壁粘贴测温电阻,并将测温电阻用电缆引出,如图8所示；试验期间,测试电缆通过箱壁上的测试孔引出,将被测试品和测温电阻与箱外的测试设备连接起来,实时监控温度变化以及惯导工作情况。

图8 试验测点布置及试验现场Fig.8 Diagram of test point layout and test site

通电3h后,惯导工作正常,各测温点所测温度达到平衡,各测温点的平衡温度如表3所示。从仿真数据中提取与测点位置相同节点的计算结果与试验结果进行比对,如表4所示。由结果可知,试验中各测点值显示温度分布与仿真计算相符,最高温度与理论计算值相符。

表3 70℃高温试验中箱体平衡温度Table 3 Equilibrium temperature of the shell in 70℃high temperature test

表4 试验中箱体平衡温度与仿真数据的比较Table 4 Comparison of equilibrium temperature data between test and simulation

3 结论

本文针对激光捷联惯导总体设计中因无法在设计前期进行热设计指标控制而导致后期设计返工的问题,提出了一种热设计量化控制方法。该方法采用箱体散热面积作为控制指标,或通过最大可达箱体散热面积反算整机功率,对单板功率重新分配。经有限元仿真和试验验证,该方法具有较高的控制精度,可以实现惯导设计前期定量化的热设计控制,在很大程度上避免了后期因热可靠性及热试验问题的设计返工。