空间遥感器CCD模块热设计与仿真分析

某星载差分吸收光谱仪是一种高精度的空间光学遥感器,利用成像光谱仪成像到电荷耦合器件(charge coupled device,CCD)面阵探测器,获取高光谱、高空间分辨率的光谱信息。由于采用了多块CCD作为关键的探测器,CCD模块的温度水平、波动范围和速率、每轨温度波动及温度梯度对仪器的正常工作与测量精度有较大影响,温控指标要求较高。由于光机结构紧凑复杂,且需兼顾光路系统的温度要求,导致CCD模块的散热成为整个系统中的难点。综合分析了该太阳同步轨道载荷的外热流变化情况,针对CCD模块的结构布局特点及热耗分布情况,为满足探测器对温度环境的要求,提出了被动热控为主,主动热控为辅的设计方案;利用I-DEAS/TMG热分析软件对光谱仪CCD模块的在轨温度水平进行了仿真计算,得到典型工况下各CCD散热环节的温度分布及温度波动情况;计算结果显示:紫外光通道CCD发热面温度在22℃以下,可见光通道CCD发热面温度在15℃以下,每轨温度波动在2℃以内。光学箱侧板温度较均匀,设计的导热路径合理有效,能够将CCD模块热耗及时排散,同时将CCD发热面温度控制在较好的范围内。结果满足指标要求,热设计合理可行。     

"GF-5"卫星差分吸收光谱仪热控设计及验证

差分光谱仪是一种基于空间测量的精密光学仪器,整个寿命周期内对光机系统及探测器有较高的温度稳定性要求。为保证光路的精度,需要光学安装板 温度梯度小于2℃;为降低温度波动对信号的干扰,整轨温度波动要求小于2℃。光谱仪周边有多台载荷不同程度的遮挡,热环境复杂,给热控设计 带来较大困难。结合光谱仪热控需求及结构特点,详细分析了轨道外热流,采用对地面作为光学箱散热面、光学底板等温化设计、 以向阳面为电子学散热面、电子学箱与光学箱隔热等热控措施,实现了光谱仪高稳定性温控要求。热平衡试验与在轨数据表明, 光谱仪热控设计合理可行,能够满足在轨探测的温度指标。为后续型号光学遥感仪器高精度、高稳定的热控设计打下良好的基础。     

小型空间CMOS相机的主动热控设计

小型空间可见光相机的电子学、光学和机械器件高度集成于狭小空间,需要主动热控进行温度控制。分析了相机的散热特点,采用集总参数法建立了简化的热阻模型,结合DOE设计方法与理论分析方法建立了主动热控功耗与散热面、遮光罩温度之间的关系式,用于主动热控方案的预设计。确定了相机的主动热控电加热功耗,指导主动热控电路的位置布置。最后进行了详细模型的热仿真,并结合热平衡试验进行了验证。热仿真热平衡试验结果表明:本文的快速优化方法合理可行和最终主动热控方案满足热设计指标要求。     

激光通信器热设计与热试验

激光通信器作为一种先进的光通信的设备,通信容量大,传输速度快,具有广泛的应用前景。其对设备温度均匀性和稳定性要求高来保证通信质量,且转动关节在两个方位上转动来更大范围地获取信号,转动关节裸露在外空间,都给热设计带来挑战。针对激光通信器的工作特性和外部空间环境规律,采用主动和被动热控方法开展热设计,对转动关节热设计、大功率密度光学器件散热技术、 散热面和高精度控温设计方面进行了介绍。并根据热设计状态,设计了单机的热平衡试验,通过高低温热平衡试验对热设计方案进行验证。试验结果表明,设计方案合理可行,为后续转动高热流密度的载荷热设计提供借鉴思路。     

复杂外热流条件下红外探测器组件热设计

为实现在复杂外热流条件下对CO2探测仪红外探测器组件温度的有效控制,对其进行了详细的热设计。对红外探测器周围外热流进行分析,确定了其散热面位置。基于红外探测器所处空间热环境以及自身高功耗、低热控指标的特点,提出热设计方案。对红外探测器组件有限元模型进行了热分析计算,得到各个转角姿态下的红外探测器组件的温度范围为-31.8~-26.9℃,计算结果满足设计要求。通过CO2探测仪热平衡试验对热设计进行了验证,试验中红外探测器组件的温度范围为-32.6~-30.1℃,试验结果与计算结果基本一致,满足热控指标要求,说明热设计方案在复杂外热流条件下合理可行,具有较好的适应性。     

星敏感器组件的热设计

根据高分辨率卫星上星敏感器的特点和任务需求,通过仿真分析与试验相结合的方法对星敏感器组件进行热设计.首先,根据热变形分析确定星敏感器支架的热控指标为183 ℃.其次,根据轨道参数及结构布局获得3只星敏感器及其安装支架的外热流,同时考虑内热源分布及多层隔热材料表面参数的退化等因素,选用被动热控和主动热控相结合的热控模式.然后,通过仿真分析,得到星敏感器支架在低温工况和高温工况下的温度范围为17.0~19.1 ℃.最后,通过热平衡试验及在轨温度测试验证热设计,星敏支架在各试验工况下的温度范围为17.3~18.7 ℃,与分析结果相符;在轨测试星敏支架的温度范围为16.0~19.0 ℃,满足热控指标要求183 ℃.热设计合理有效,满足任务需求.     

近地轨道高精度一体式星敏感器热设计及仿真验证

某型高精度一体式星敏感器指向精度高,对温度变化非常敏感。其所处近地轨道外热流复杂多变,一体式结构和内热源集中的综合因素不仅导致散热设计困难,而且镜头直接受到内热源发热影响难以保障指向精度。首先,结合轨道参数,安装布局获得星敏感器平均吸收外热流。然后,通过分析外热流与内热源工作情况,采用被动热控和主动热控相结合的热设计方法,并对星敏感器散热面的位置与大小进行设计与计算。最后,根据轨道环境和热控措施并利用热仿真软件进行热分析验证。仿真结果表明,安装法兰温度为19.82℃～20.10℃,镜头轴向温差小于2.23℃,周向温差小于0.48℃,电路盒温度为19.10℃～23.49℃,满足热控指标。通过合理的热控设计保证了极高精度星敏感器的稳定工作条件,星敏感器的热设计合理有效。     

空间相机大功率热源散热设计

为解决复杂外热流下散热面难以确定的难题,基于散热面总到达外热流最小的设计原则,对空间相机大功率热源散热设计进行研究。首先,根据相机所处空间环境分析相机受到的外热流。接着,通过分析外热流与热源工作模式,采用在相机两侧设置辐射冷板散热并通过热管耦合的方式,增大了热源的散热效率,减小了辐射冷板的面积。最后,根据相机所处空间环境和采取的热控措施利用热仿真软件进行了热分析验证。仿真结果表明：可见光组件温度为-1.9℃～12.9℃,红外组件温度为1.7℃～10.5℃,制冷机热端温度为-12℃～0.3℃,制冷机压缩机温度为-11.3℃～21.3℃。满足温控指标要求,解决了复杂外热流下相机大功率热源的散热问题。     

高空气球平台地-月成像光谱仪载荷系统热设计

为满足搭载于高空气球平台的地-月成像光谱仪的长时观测需求,对其载荷系统进行了热设计。分析了载荷系统的热环境,建立了载荷系统的换热模型,利用Spearman等级相关系数公式以及反向传播神经网络与Garson公式结合的BP-Garson方法对影响载荷系统温度水平的主要参数进行了全局灵敏度分析,详细阐述了载荷系统的热设计方案。利用I-DEAS/TMG软件建立了载荷系统的有限元模型,对冬至、夏至两工况进行了仿真分析。仿真结果显示:在冬至与夏至工况下,气球放飞2 h内光谱仪均能快速降温至-5℃,光谱仪维持（-52）℃温度水平大于3.5 h,光学窗口温度高于海拔20 km当地露点温度,满足设计指标,热控方案合理。该研究方法对球载光学遥感器的热设计具有一定的指导和借鉴作用。     

微型星敏热控设计及仿真

为了保证应用平台在轨任务期间的星敏感器正常工作,需要对其进行热设计。结合微型星敏感器组件的空间环境外热流、安装布局以及工作模式等条件,在热分析优化的流程上考虑了光机热等多种因素影响,设计了微型星敏感器组件的热控方案。该热控方案提出采用主动电加热以及遮光罩与星敏本体均温化的设计思路,解决了微型星敏感器组件在轨期间的空间热环境复杂、温度控制要求高、散热途径受限于安装结构等问题,保障了微型星敏感器组件有效、可靠的工作。建立了I-DEAS /TMG 有限元分析模型,开展了高、低温工况下的星敏感器组件的热控仿真,分析了星敏感器组件的温度分布以及均匀性等仿真结果,最后进行了地面试验,验证了热控方案的正确性,满足星敏感器组件热设计要求。文中工作可为后续在轨平台的微型星敏热设计提供参考。     

基于Ansys优化模块的热设计应用

发热量大的电子器件温度会比较高,过高的温度会影响到器件的正常工作,因此需要用到热仿真软件去进行有效的热设计。优化设计是有限元分析软件(Ansys)的特有模块,利用该模块应用于两种典型的热设计实例,分别是处理器CPU散热器结构和电路板器件分布的优化设计,仿真分析出来的结果显示,CPU散热器的散热性能得到明显的提高,电路板上各器件的温度均得到降低,获得良好的优化效果。     

A novel nanoscale SOI MOSFET with Si embedded layer as an effective heat sink

A novel structure such as nanoscale silicon-on-insulator (SOI) MOSFET with silicon embedded layer (SEL-SOI) is proposed to reduce self-heating effects (SHEs) successfully. The SEL as a useful heat sink with high thermal conductivity is inserted inside the buried oxide. The SEL acts like a heat sink and is therefore easily able to distribute the lattice heat throughout the device. We noticed excellent improvement in the thermal performance of the device using two-dimensional and two-carrier device simulation. Our simulation results show that SHE has been dramatically reduced in the proposed structure. In regard to the simulated results, the SEL-SOI structure has shown good performance in comparison with the conventional SOI (C-SOI) structure when utilised in the high temperature applications.     

智能移动终端产品热设计研究

为了解决智能移动终端局部过热的问题,从平面热布局面积入手,采用热传导技术,抓住多模智能移动终端热源器件布局的关键,给出一个考虑散热的布局最小面积;根据热流密度来计算结构的整机高度。通过热仿真来进行布局和结构设计的模拟,给出结构设计的参考意见,最后通过测试去验证和完善热设计。经过实际产品的发热红外图谱分布试验,获得智能移动产品实际的温度分布平面图,得到了与仿真一致的结论。     

An Adaptive and Wearable Thermal Camouflage Device

Thermal cloaking and camouflage have attracted increasing attention with the progress of infrared surveillance technologies. Previous studies have been mainly focused on emissivity manipulation or using sophisticated thermal metamaterials. However, emissivity control is only applicable for objects that are warmer than the environment and lower emissivity is usually accompanied with high reflectance of the surrounding thermal signals if they have nonuniform temperature. Metamaterial‐based thermal camouflage holds great promise but their applications on human subjects are yet to be realized. Direct temperature control represents a more desirable strategy to realize dynamically adjustable camouflage within a wide ambient temperature range, but a wearable, portable, and adjustable thermo‐regulation system that is suitable for human subjects has not been developed. This work demonstrates a wearable and adaptive infrared camouflage device responding to the background temperature change based on the thermoelectric cooling and heating effect. The flexible thermoelectric device can realize the infrared camouflage effect to effectively shield the metabolic heat from skin within a wide range of background temperature: 7 °C below and 15 °C above the ambient temperature, showing promise for a broad range of potential applications, such as security, counter‐surveillance, and adaptive heat shielding and thermal control.     

GaN HEMT器件稳态热特性试验研究

大功率GaN HEMT器件在工作时较高的热流密度引发器件高温,而高温会显著影响器件性能及可靠性.从不同器件结构设计出发,结合器件热量传递理论,建立了器件热阻模型;采用高速红外热像仪试验分析了器件结构对GaN HEMT器件稳态热特性的影响,定量给出了不同总栅宽、不同单指栅宽、不同栅间距在不同功率密度下的稳态温升.相关结果...     

PCB板级电路中高效散热结构的优化设计

印制电路板(PCB)厚度方向的导热系数比平面方向的导热系数小得多,为了改善板厚度方向的导热性能,提出了一种改进的自然对流冷却散热方式。首先,通过在PCB板中设计热过孔并在其背面安装散热器,应用热分析软件Icepak对散热模型进行仿真,优化设计散热器翅片的厚度和数目对功率器件温度分布的影响;然后,根据优化后的结果,选定最佳修正尺寸,制作测试结构;最后,采用热电偶法对其进行实验测试,结果表明此散热结构可有效降低器件的温度。     

地球同步轨道星载光机电设备热控系统设计

某类地球同步轨道星载光机电设备跨舱板安装于卫星舱内外,二维转台绕两轴转动指向地面,加剧了吸收外热流的变化;内部光电器件发热量大,但传热路径复杂,对温度场的均匀度和稳定度有较高要求,这些给热控设计带来难度。针对光机电设备的工作、构型特性和在轨热环境,进行热控系统区域化设计,提出三级控温、多层安装环和热收集、输运通道等热控创新措施。通过NX TMG热分析软件对极端工况进行仿真分析,计算结果表明,热控方案正确有效,实现了多姿态变化光机电设备的温度场控制。     

Thermal analysis and an improved heat-dissipation structure design for an AlGaInP-LED micro-array device

This paper describes a novel finite element thermal analysis model for an AlGaInP-LED micro-array device. We also conduct a transient analysis for the internal temperature field distribution of a 5×5 array device when a 3×3 unit is driven by pulse current. In addition, for broader applications, a simplified thermal analysis model is introduced and its accuracy is verified. The internal temperature field distribution of 100×100 units is calculated using the simplified model. The temperature at the device center reaches 360.6 °C after 1.5 s. In order to solve the heat dissipation problem of the device, an optimized heat dissipation structure is designed, and the effects of the number and size of the heat dissipation fins on the thermal characteristics of the device are analyzed. This work has been supported by the Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China (No.61204055). E-mail:gaofl@jlu.edu.cn       

Thermal management for high-power photonic crystal light emitting diodes

An effective heat dissipation structure is a crucial element for stable thermal management in ensuring thermal stability of high power photonic crystal light emitting diodes (PC-LEDs). New integrated structure for effective thermal management is put forward for high power PC-LEDs to reduce the thermal resistance between the chip and heat dissipation device, which can be composed by the heat pipes or an active heat dissipation device. Based on the thermal resistances analyzed, 3D thermal distributions for the device CSM360 with the nominal electric power of 80 W are simulated and analyzed by using of ANSYS. Compared with the general metal fins model, the heat pipes integrated model improves the heat dissipation efficiency of CSM360 by 36.61%, while the active heat dissipation device integrated model improves the heat dissipation efficiency by 60.2% at the temperature of 50 °C on the cold end of the device. The results show that the integrated structure can obtain a significant improvement in thermal management and achieve a reduction in temperature in the working status of CSM360. Heat dissipation experiments are also conducted, and the values of temperature distributions are validated to be coincident with those from simulations.