Корпус блока бортовой аппаратуры

Предлагаемое техническое решение относится к космической технике, в частности, приборостроению и радиоэлектронике, и может быть использовано при создании блоков бортовой аппаратуры космического аппарата (КА), функционирующих в условиях вакуума, и устанавливаемых на термостатируемое основание.
Известно устройство отвода тепла от мощных электро-радио изделий (ЭРИ), электронных узлов, блоков и модулей, описанное в патенте RU 2584143 [2] с применением металлических тепловых труб плоского типа [1]. Металлическая тепловая труба плоского типа согласно патенту [2] используется для отвода выделяемой тепловой энергии от термоэлектрических модулей и мощных ЭРИ, узлов, блоков и модулей с последующим отводом выделяемой тепловой энергией на термостатированное установочное основание.
Недостатком представленного устройства является его энергозависимость, неравномерность поля тепловых потоков, передаваемых через единицу площади посадочного термостатированного основания при разной тепловой нагрузке данных модулей в составе блока аппаратуры, повышенные массогабаритные показатели устройства, а также сниженный КПД, за счет потерь на термоэлектрических элементах.
Известен вариант исполнения радиоэлектронного блока пакетного типа, изложенный в патенте RU 2513121, в котором металлические рамки электронных модулей являются частью корпуса радиоэлектронного блока [3]. Недостатком представленного устройства является неравномерность отводимого от тепловыделяющих компонентов теплового потока. Повышенная плотность теплового потока на гранях представленного блока приводит к усложнению конструкции термостатированного основания и неравномерному распределениию тепловой нагрузки на элементы системы терморегулирования при применении в аппаратуре КА. Аналогичные проблемы возникают при применении конструкции радиоэлектронного блока, описанного в RU2421951[4].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является «Корпус электронной аппаратуры» по патенту RU 2533076 [5], принятый за прототип.
Описываемый корпус электронной аппаратуры включает две металлические части в виде прямоугольного полого параллелепипеда, у каждой из которых с одного основания в вершинах выполнены фланцы с отверстиями для соединения данных частей посредством крепежного инструмента. Правая и левая внешние боковые стенки прямоугольного полого параллелепипеда представляют собой внешние радиаторы, на передней и задней стенках выполнены отверстия под интерфейсы и органы управления электронной аппаратурой и контроля состояния электронных систем; кроме того, между параллельными ребрами охлаждения выполнены, по меньшей мере, два горизонтальных ряда вентиляционных отверстий. Между двумя соседними рядами вентиляционных отверстий выполнены отверстия для установки внутри данной металлической части кронштейнов-направляющих и закрепления в них модуля сменного винчестера, также заодно с данной металлической частью выполнена горизонтальная стойка для закрепления электронных компонентов с одной стороны и радиатор из множества параллельных ребер охлаждения с установленными на нем вентиляторами для принудительного охлаждения - с другой стороны.
К недостаткам прототипа относятся:
при применении в условиях космического вакуума ребра на боковых стенках полностью теряют эффективность конвективного теплообмена;
неравномерное распределение плотности тепловых потоков при монтаже теплоотводов для печатных узлов или тепловыделяющих элементов;
Полезная модель устраняет указанные выше недостатки и решает задачу эффективного охлаждения тепловыделяющих элементов в корпусе блоке бортовой аппаратуры.
Технический результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, заключается в обеспечении равномерности распределения исходящих тепловых потоков, превышающих предельно допустимую плотность, от блока бортовой аппаратуры на систему терморегулирования (СТР).
Для решения поставленной задачи в корпусе блока бортовой аппаратуры, содержащем конструкцию для размещения тепловыделяющих элементов, согласно полезной модели, конструкция для размещения тепловыделяющих элементов выполнена в виде плоской металлической тепловой трубы, установленной на теплопроводном основании блока бортовой аппаратуры, сопряжённым с установочным основанием системы терморегулирования таким образом, что на внешней стороне плоской металлической тепловой трубы, состоящей из металлической пористой среды, заполненной веществом-теплоносителем, и внешнего металлического корпуса, установлена как минимум одна вспомогательная теплопроводящая конструкция, выполненная из материала с высокой степенью теплопроводности с увеличивающимся к зоне установки сечением, обеспечивающая своими геометрическими параметрами снижение плотности теплового потока от тепловыделяющих элементов на теплопроводное основание блока бортовой аппаратуры и установочное основание системы терморегулирования.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг.1-3.
Фиг. 1 - условное представление корпуса блока бортовой аппаратуры с отображением зоны расположения плоских теплопроводящих элементов.
На Фиг. 1 обозначены:
1 — плоская металлическая тепловая труба;
2 — теплопроводное основание блока бортовой аппаратуры;
3 — установочное основание системы терморегулирования;
4 — тепловыделяющий элемент;
6 — вспомогательная теплопроводящая конструкция.
Фиг. 2 – Структура основания корпуса блока бортовой аппаратуры с встроенным плоским теплопроводящим элементом и вспомогательной конструкцией.
На Фиг. 2 обозначены:
1.1 — металлическая пористая среда плоской металлической тепловой трубы;
1.2 — внешний металлический корпус плоской металлической тепловой трубы;
4 — тепловыделяющий элемент;
5 — термоинтерфейс;
6 — вспомогательная теплопроводящая конструкция.
Фиг. 3 – Изометрическое представление вспомогательной теплопроводящей конструкции с установленными тепловыделяющими элементами.
На Фиг. 3 обозначены:
4 — тепловыделяющий элемент;
6 — вспомогательная теплопроводящая конструкция.
Предлагаемая конструкция корпуса блока бортовой аппаратуры с обеспечением равномерной плотности тепловых потоков содержит:
теплопроводное основание (Фиг. 1 поз. 2), представляющее собой плиту из теплопроводящего материала, полученную фрезерованием или применением аддитивных технологий, в частности 3Д печати, и сопрягаемое с ним посредством механического прижатия через сминаемую теплопроводящую прокладку (на чертеже не показана) установочное основание системы терморегулирования (Фиг. 1, поз. 3);
тепловыделяющие элементы (поз. 4), размещаемые на внешней поверхности вспомогательной конструкции (Фиг. 2, поз. 6), устанавливаемой на плоскую металлическую тепловую трубу (Фиг. 1, поз.1);
плоскую металлическую тепловую трубу (Фиг. 1 поз. 1), на который установлена вспомогательная теплопроводящая конструкция (поз. 6) с помощью термоинтерфейса (поз. 5), посредством механического прижатия или иным способом, обеспечивающим приемлемую передачу теплового потока, содержащую в себе металлическую пористую структуру (фиг. 2 поз. 1.1), которая может быть выполнена, например, из алюминия, меди, никеля или титана, и внешний металлический корпус (Фиг. 2 поз. 1.2). При этом металлическая пористая структура заполнена веществом-теплоносителем (вода, спирт, аммиак - в зависимости от требуемого температурного диапазона, находящимся в жидкой или газообразной фазе).
2
Для устранения существующих ограничений по плотности теплового потока плоской металлической тепловой трубы (современные образцы плоских металлических тепловых труб обладают пределом поступающей плотности теплового потока около 10 Вт/см) – предлагается использовать конструкции, обеспечивающие снижение плотности входящего теплового потока (Фиг.3).
Вспомогательная теплопроводящая конструкция предназначена для равномерного распределения плотности теплового потока и представляет собой деталь (Фиг. 2, поз. 6) выполненную из теплопроводящего материала, и обладающую геометрическими параметрами, достаточными для получения рабочей плотности теплового потока за счет увеличивающегося к зоне установки сечения. Вспомогательная теплопроводящая конструкция контактирует через термоинтерфейс (Фиг. 2 поз. 5) с внешним металлическим корпусом плоской металлической тепловой трубы (Фиг. 2 поз. 1.2).
Данная вспомогательная теплопроводящая конструкция предотвращает процесс пересыхания области под тепловыделяющими элементами в плоской металлической тепловой трубе, связанный с максимальным объемом теплоносителя, поступающего для испарения за счет капиллярных сил. Процесс возможного пересыхания пористой структуры плоской металлической тепловой трубы учитывается при проектировании блока аппаратуры, и в случае вероятности возникновения такового применяется теплопроводящая вспомогательная конструкция.
Вспомогательная теплопроводящая конструкция выполнена в виде усеченной пирамиды методами фрезерования или аддитивной трехмерной печати, что в случае последней, позволяет дополнительно создавать внутренние структуры, обеспечивающие сложное распределение тепловых потоков. Углы наклона усечённой пирамиды составляют 30, 45 или 60 градусов в зависимости от требуемого снижения плотности теплового потока от размещаемых на её поверхности тепловыделяющих элементов.
Вспомогательная теплопроводящая конструкция снабжена двумя или более точками крепления к области установки на корпусе бортовой аппаратуры. Установка осуществляется с применением крепежных изделий или приклеиванием. Во вспомогательной теплопроводящей конструкции соблюдается плоскостность поверхностей, на которых устанавливаются тепловыделяющие элементы, и которые монтируются на корпус блока бортовой аппаратуры. Наиболее оптимальным с точки зрения показателей массы материалом для вспомогательной теплопроводящей конструкции является магний. В частности, сплавы марок МА15, МА16. Боковые поверхности усечённой пирамиды также могут использоваться для размещения компонентов блока бортовой аппаратуры.
Геометрические параметры трапециевидной металлической детали подбираются исходя из требуемой плотности теплового потока. Для ряда тепловыделяющих элементов, применяемых в бортовой аппаратуре, достаточным является увеличение установочной площади в 1,2-2 раза.
Применяемые термоинтерфейсы представляют собой: термопасты (например, КПТ-8 и аналоги), графитовые смазки, термоклей (например, ВК9 с добавлением порошков керамики или металла) и компаунды (например, ЭЛАСИЛ 137-83), а также сминаемые термопрокладки (например, НОМАКОН, SilverStone Technology Thermal PAD и аналоги).
Применение предлагаемой вспомогательной конструкции в корпусе блока бортовой аппаратуры позволяет равномерно распределить превышающую предельно допустимую тепловую нагрузку на СТР и её элементы.
Работа полезной модели заключается в следующем.
Выделяемый тепловыделяющим элементом (Фиг. 2, поз. 4) тепловой поток передаётся на вспомогательную конструкцию (Фиг. 2, поз. 6), где за счёт увеличивающегося в зоне установки с плоской металлической тепловой трубой (Фиг. 1 поз. 1) сечения обеспечивает равномерное распределение теплового потока через внешний металлический корпус (Фиг. 2 поз. 1.2) в металлическую пористую среду (фиг. 2 поз. 1.1), вызывая кипение в области пористого открытоячеистого материала и его равномерное распределение по внутреннему объему с последующей конденсацией в холодных областях теплопроводного основания блока бортовой аппаратуры (Фиг. 1 поз. 2). Вспомогательная конструкция контактирует с плоской металлической тепловой трубой посредством термоинтерфейса (Фиг. 2, поз. 5).
Выделившаяся тепловая энергия при конденсации отводится через теплопроводное основание блока аппаратуры (Фиг. 1 поз. 2) на установочное основание (посадочную поверхность) системы терморегулирования (Фиг. 1 поз. 3).
Применение корпуса бортовой аппаратуры в таком исполнении возможно для:
систем регулирования контроля системы электропитания для КА (пример – блоки аппаратуры АРК спутников KazSat, аппаратура спутников от Thales - PPU MK1, PPU MK2, PPU MK3);
аппаратуры электропитания и управления электрореактивными двигателями КА;
другой аппаратуры КА, функционирующей в условиях вакуума.
Таким образом, особенностями предлагаемой конструкции корпуса блока бортовой аппаратуры являются:
1) Взаимное расположение элементов. В отличие от прототипа, как минимум в одной области повышенной теплопроводности в теплопроводном основании корпуса блока бортовой аппаратуры размещается вспомогательная конструкция, выполненная из теплопроводящего материала с увеличивающимся к зоне установки сечением.
2) Вспомогательная конструкция включают в себя как минимум одну тепловую трубу, осуществляющую перенос тепловой энергии от тепловыделяющего элемента до области повышенной теплопроводности.
3) Размещение в корпусе блока бортовой аппаратуры тепловыделяющих элементов [6] с плотностью тепловыделения, превышающей предельно допустимую для плоской металлической тепловой трубы.
Применение предложенного в полезной модели технического решения позволяет обеспечить эффективное охлаждение тепловыделяющих элементов в корпусе бортовой аппаратуры с обеспечением равномерности исходящих тепловых потоков от блока аппаратуры на систему терморегулирования.
Список используемых источников
1. Металлическая тепловая труба плоского типа (ГТПС), патент RU 2457417.
2. Способ отвода тепла от мощных ЭРИ, электронных узлов, блоков и модулей и устройство для его осуществления, патент RU 2584143.
3. Радиоэлектронный блок, патент RU 2513121.
4. Радиоэлектронный блок, патент RU 2421951.
5. Корпус электронной аппаратуры, патент RU 2533076.
6. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре, учебник. Высшая школа, М., 1984.