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 распределению 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 блока 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, сопряжённом с установочным основанием системы терморегулирования таким образом, что на внешней стороне плоской металлической тепловой трубы, состоящей из металлической пористой структуры, заполненной веществом-теплоносителем, и внешнего металлического корпуса, установлены, как минимум, две вспомогательные теплопроводящие конструкции, выполненные из материала с высокой степенью теплопроводности и соединённые между собой тепловой трубкой с установленной на ней плоской металлической пластиной, предназначенной для установки тепловыделяющих элементов, таким образом обеспечивая 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 при наличии дополнительных посадочных мест системы терморегулирования.
На Фиг. 1 обозначены:
1 — плоская металлическая тепловая труба;
2 — теплопроводное основание блока бортовой аппаратуры;
3 — установочное основание системы терморегулирования;
4 — тепловыделяющий элемент;
5 — вспомогательная теплопроводящая конструкция;
6 — тепловая трубка;
7 — плоская металлическая пластина.
Фиг. 2 – Структура основания корпуса блока бортовой аппаратуры с встроенным плоским теплопроводящим элементом.
На Фиг. 2 обозначены:
1.1 — металлическая пористая структура плоской металлической тепловой трубы;
1.2 — внешний металлический корпус плоской металлической тепловой трубы;
4 — тепловыделяющий элемент;
5 — вспомогательная теплопроводящая конструкция;
6 — тепловая трубка;
7 — плоская металлическая пластина;
8 — термоинтерфейс;
Фиг. 3 – Изометрическое представление вспомогательной теплопроводящей конструкции с установленными тепловыделяющими элементами.
4 — тепловыделяющий элемент;
5 — вспомогательная теплопроводящая конструкция;
6 — тепловая трубка;
7 — плоская металлическая пластина.
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 (Фиг. 1 поз. 4), размещаемые на внешней поверхности плоской металлической пластины (поз. 7), выполненной из материала с высокой степенью теплопроводности, соединённой как минимум с двумя вспомогательными теплопроводящими конструкциями (поз. 5), выполненными в виде усечённой пирамиды, с помощью металлической тепловой трубки (поз. 6);
плоскую металлическую тепловую трубу (Фиг. 1 поз. 1), на которую установлена вспомогательная теплопроводящая конструкция (поз. 5) с помощью термоинтерфейса (поз. 8), 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).
Предлагаемая вспомогательная теплопроводящая конструкция (Фиг. 3) предназначена для равномерного распределения плотности теплового потока и представляет собой плоскую металлическую пластину (поз. 7), соединённую посредством тепловой трубки (поз. 6) как минимум с двумя вспомогательными теплопроводящими конструкциями (поз. 5), и обладающими геометрическими параметрами, достаточными для получения рабочей плотности теплового потока за счет увеличивающегося к зоне установки сечения. Вспомогательные теплопроводящие конструкции (поз. 5) контактируют через термоинтерфейс (Фиг. 2 поз. 8) с внешним металлическим корпусом плоской металлической тепловой трубы (Фиг. 2 поз. 1.2).
Площадь установки вспомогательных теплопроводящих конструкций (поз. 5) на плоскую металлическую трубу (Фиг. 1 поз. 7) превышает площадь установки тепловыделяющих элементов (поз. 4) на плоскую металлическую пластину (поз. 7).
Данная теплопроводящая конструкции предотвращает процесс пересыхания области под тепловыделяющими элементами в плоском теплопроводящем элементе, связанный с максимальным объемом теплоносителя, поступающего для испарения за счет капиллярных сил. Процесс возможного пересыхания пористой структуры плоского теплопроводящего элемента учитывается при проектировании блока аппаратуры, и в случае возникновения такового применяется вспомогательная теплопроводящая конструкция.
К вспомогательным теплопроводящим конструкциям, выполненным фрезерованием, крепится тепловая трубка с помощью прессования или припаивания на низкотемпературные припои с температурой плавления до 90 градусов Цельсия. Устанавливаются тепловые трубки таким образом, что по центру тепловой трубы формируется установочная поверхность для размещения плоской металлической пластины.
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).
Вспомогательная теплопроводящая конструкция устанавливается на плоскую металлическую тепловую трубу с применением крепежных изделий и снабжена двумя или более точками крепления.
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.
Тепловыделяющий элемент (поз. 4), установленный на плоскую металлическую пластину (поз. 7), выполненную из материала с высокой степенью теплопроводности, передаёт тепловой поток как минимум на две вспомогательные теплопроводящие конструкции (поз. 5) с увеличивающимся к зоне установки сечением, посредством металлической тепловой трубки (поз. 6), где с помощью термоинтерфейса (поз. 8), обеспечивается равномерное распределение теплового потока через внешний металлический корпус (Фиг. 2 поз. 1.2) в металлическую пористую структуру (фиг. 2 поз. 1.1), вызывая кипение теплоносителя в области пористого открытоячеистого материала и его последующее распределение по внутреннему объему с последующей конденсацией в холодных областях теплопроводного основания блока бортовой аппаратуры (Фиг. 1 поз. 2).
Выделившаяся тепловая энергия при конденсации отводится через теплопроводное основание (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 теплопроводящая конструкция, выполненная из теплопроводящего материала с увеличивающимся к зоне установки сечением.
2) Площадь контакта вспомогательной теплопроводящей конструкции превышает установочную площадь тепловыделяющих элементов.
3) Вспомогательная теплопроводящая конструкция включает в себя, как минимум, одну тепловую трубку, осуществляющую перенос тепловой энергии от тепловыделяющего элемента, установленного на плоской металлической пластине, до области повышенной теплопроводности.
4) Размещение на теплопроводящем основании корпуса блока как минимум одной плоской металлической трубы, площадь поверхности которой достаточна для достижения приемлемой исходящей плотности теплового потока.
5) 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.