彭建偉，丁亞林，劉偉毅

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

設(shè)計(jì)與制造

大功率CCD焦面組件流體回路溫控設(shè)計(jì)*

彭建偉1,2，丁亞林1，劉偉毅1

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

摘要:為了實(shí)現(xiàn)大功率焦面組件的熱控制，分析了焦面組件熱設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，采用單相流體回路控溫系統(tǒng)進(jìn)行散熱。以某大功率拼接CCD為例，給出了具體熱設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)簡(jiǎn)化的散熱分析模型，計(jì)算得出了焦面組件最高溫度在26.5 ℃。應(yīng)用NX高級(jí)仿真模塊對(duì)回路控溫系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析，結(jié)果表明:CCD組件在200 s時(shí)刻溫度達(dá)到27 ℃左右，并維持穩(wěn)定。所獲得的仿真分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合較好，最終結(jié)果能夠滿(mǎn)足熱控指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：電荷耦合器件；焦面組件；流體回路；熱設(shè)計(jì)；熱分析

0引言

焦面組件是電荷耦合器件(CCD)光學(xué)遙感器的核心電子設(shè)備，其主要功能就是完成CCD光學(xué)遙感器的圖像攝取，主要包括光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、存貯和轉(zhuǎn)移輸出電信號(hào)等。CCD組件對(duì)于相機(jī)能否傳輸高質(zhì)量的圖片起著至關(guān)重要的作用。CCD焦面組件對(duì)工作環(huán)境溫度要求非常嚴(yán)格,溫度水平高低和波動(dòng)變化會(huì)產(chǎn)生暗電流和熱噪聲，降低CCD器件的光電轉(zhuǎn)換能力。一般，CCD組件溫度每增加7～8 ℃暗電流密度會(huì)增加1倍[1]。所以，控制好焦平面器件的溫度，是獲得高質(zhì)量成像的一個(gè)重要因素。

隨著現(xiàn)代科技和遙測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，CCD光學(xué)遙感器的分辨率不斷提高，CCD焦面組件的功率也隨之越來(lái)越大。大功率所帶來(lái)的大熱流密度，給CCD組件的散熱帶來(lái)巨大壓力。通常，空間光學(xué)遙感器采用熱控涂層、導(dǎo)熱填料以及布置熱管和散熱面來(lái)進(jìn)行CCD的散熱[2]。航空相機(jī)CCD的散熱也借鑒空間相機(jī)，但由于飛機(jī)的高速飛行和氣流影響，航空相機(jī)外部很難像空間相機(jī)一樣方便地設(shè)置散熱面。在相機(jī)內(nèi)部安置風(fēng)扇，進(jìn)行對(duì)流換熱是航空相機(jī)CCD散熱的常用手段。近年來(lái)，相變材料控溫在航空相機(jī)上應(yīng)用較為成功，但隨著熱載荷增大，相變材料的用量增多，其極低的導(dǎo)熱率成為影響相變散熱效率的主要因素[3,4]。

1大功率焦面組件的熱控要求

大功率CCD焦面組件具有體積小、質(zhì)量小、熱容小、功耗大等特點(diǎn)。本文選用的某航空相機(jī)拼接CCD焦平面，單個(gè)CCD外形尺寸為60 mm×30 mm，質(zhì)量為15 g，熱容為12 J/℃。整個(gè)焦平面由4片CCD拼接而成，單片CCD功耗接近10 W，總功耗40 W，工作模式為長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作。如果不采取熱控措施，CCD焦面組件溫升速率很快，并且達(dá)到很高的溫度，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量，甚至導(dǎo)致CCD無(wú)法工作。本文通過(guò)布置流體回路控溫系統(tǒng)，將CCD焦面組件溫度控制在30 ℃以下，并且滿(mǎn)足CCD長(zhǎng)時(shí)間工作控溫的需求。

2CCD焦面組件流體回路控溫系統(tǒng)

2.1流體回路

本文應(yīng)用單相流體回路控溫系統(tǒng)對(duì)CCD焦面組件進(jìn)行散熱。簡(jiǎn)化的流體回路系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　流體回路系統(tǒng)示意圖Fig 1　Diagram of fluid loop system

在泵的驅(qū)動(dòng)下，回路中的工質(zhì)通過(guò)管道流經(jīng)熱源(CCD焦面組件)吸收熱量，溫度升高，然后流向回路的冷端，排出熱量，溫度降低。管道中的流體回路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它的熱量收集與排散可以由以下方程式表示

Q=m·cp(Tho-Thi)

(1)

Q=m·cp(Tco-Tci)

(2)

式中Thi,Tho分別為流體流入和流出焦面組件的溫度；Tci,Tco分別為流體流入和流出冷源的溫度，℃;m為流體工質(zhì)的質(zhì)量流量，ks/s;cp為工質(zhì)的比熱，J/(kg·K)。

在單回路中，只考慮流體與熱源和冷源之間的熱交換，而忽略流體在管道中流動(dòng)的熱損失，則式(1)和式(2)具有等效關(guān)系。

2.2焦面組件溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中CCD焦面組件流體回路控溫系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2　焦面組件流體回路控溫系統(tǒng)Fig 2　Fluid loop temperature control system of focal plane component

焦平面器件和電路板是主要發(fā)熱源，其工作時(shí)總功率為40 W。為了疏導(dǎo)CCD組件所產(chǎn)生的熱量，防止焦平面因熱量積累而過(guò)熱，主要采取以下措施:1)在CCD組件與基板之間加裝導(dǎo)熱墊，減小兩者之間的熱阻，以利于CCD組件熱量的排散。導(dǎo)熱墊在材料上選擇高熱導(dǎo)率，具有形狀適應(yīng)性的電氣絕緣體，以保證CCD組件與基板絕緣并消除熱膨脹效應(yīng)的影響。2)在CCD焦面組件的背部安裝基板，基板內(nèi)部排布傳熱管道?；灏辶线x用導(dǎo)熱率高、比熱大、質(zhì)量輕的鋁合金。在基板尺寸固定的前提下，管道的截面直徑與長(zhǎng)度應(yīng)相互匹配，排布方式可以選擇單層或者多層排布，以保證足夠的換熱能力。3)基板通過(guò)管道與驅(qū)動(dòng)泵和流體冷卻系統(tǒng)相連。流體冷卻系統(tǒng)布置在相機(jī)內(nèi)壁，采用金屬換熱器，通過(guò)Peltier與相機(jī)內(nèi)壁相連。Peltier冷端接觸換熱器，熱端接觸相機(jī)內(nèi)壁，通過(guò)溫度檢測(cè)手段，控制Peltier輸入電流，保證換熱器維持恒定溫度?；芈分薪?jīng)過(guò)加熱的流體通過(guò)換熱器降溫，再以恒定溫度流入管道。驅(qū)動(dòng)泵用來(lái)保證一定的流體質(zhì)量流量，盡量選用體積小，功耗低，穩(wěn)定性高的型號(hào)。4)在管道中設(shè)置流體回路進(jìn)行熱量的運(yùn)輸和排散。流體工質(zhì)的物理特性對(duì)回路系統(tǒng)的性能有很大影響。在工質(zhì)選擇時(shí)應(yīng)保證：1)高比熱，以增大流體回路散熱能力；2)低粘度，減小系統(tǒng)的流動(dòng)壓力損失;3)低冰點(diǎn)，防止在低溫度存儲(chǔ)時(shí)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。綜合考慮，選取乙二醇水溶液防凍液作為工質(zhì)?；芈分辛黧w的速度對(duì)流動(dòng)狀態(tài)影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)盡量保證流動(dòng)為層流狀態(tài)，以消除基板振動(dòng)對(duì)CCD的影響[6]。

3熱分析

3.1熱分析計(jì)算

本文實(shí)際設(shè)計(jì)選取材料及主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　材料主要參數(shù)

1)傳導(dǎo)換熱計(jì)算

CCD焦面組件產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞到基板管道，用公式表示為

綜上所述，視野檢測(cè)SAP10-2程序比SAP24-2程序?qū)O早期青光眼視野損害的檢出更敏感，且這類(lèi)視野損傷多出現(xiàn)于上方，鼻側(cè)顳側(cè)無(wú)明顯差別。

(3)

式中tf,tw分別為CCD組件與管道壁面的溫度；R1，A1為CCD組件與導(dǎo)熱墊之間的接觸熱阻與接觸面積；R2，A2為導(dǎo)熱墊自身熱阻與平鋪面積；R3，A3為導(dǎo)熱墊與基板之間的接觸熱阻與接觸面積；R4，A4為基板到管道的熱阻與基板截面積。h1為CCD組件與導(dǎo)熱墊之間傳熱系數(shù)，h2為導(dǎo)熱墊與基板之間傳熱系數(shù)。λ1，λ2分別為導(dǎo)熱墊與基板的熱導(dǎo)率；δ1，δ2分別為導(dǎo)熱墊和基板到管道的厚度。

根據(jù)本文的實(shí)際設(shè)計(jì)情況，A1=A2=A3=7.2×10-3m2，A4=2.88×10-2m2，δ1=1×10-3m，δ2=6×10-3m。導(dǎo)熱墊熱導(dǎo)率λ1=3.5W/(m·K)。基板熱導(dǎo)率λ2=140W/(m·K)。CCD組件與導(dǎo)熱墊之間，以及導(dǎo)熱墊與基板之間均采用涂導(dǎo)熱填料方式增強(qiáng)導(dǎo)熱，取h1=h2=2 500 W/(m2·K),則沿程總熱阻為

R=R1+R2+R3+R4=0.151(℃/W)

(4)

2)對(duì)流換熱計(jì)算

管內(nèi)對(duì)流換熱所遵循的牛頓冷卻定律表達(dá)式為

Q=hA(tw-tm)

(5)

式中tw為管壁溫度；tm為管道截面上流體的平均溫度；A為管道與流體的換熱面積A=πdL；h由努塞爾數(shù)計(jì)算得到，h=Nu·λ/d。

流體在管道內(nèi)的流動(dòng)可以分為層流與湍流兩大類(lèi)，其分界點(diǎn)是以管道直徑為特征尺度的Re數(shù)，其值為2 300，一般認(rèn)為，Re大于104后為旺盛湍流。對(duì)于圓管內(nèi)常物性流體在熱充分發(fā)展段的強(qiáng)制對(duì)流而言，其努塞爾數(shù)可由以下公式計(jì)算[7]為

1)Re≤2 300，層流:恒熱流時(shí),Nu=4.36；恒壁溫時(shí),Nu=3.66。

2)Re≥104，湍流：Nu=0.023Re0.8Pr0.4。

本文基板尺寸設(shè)計(jì)為240 mm×120 mm×12 mm，在基板內(nèi)并行排布10股圓型管道，總長(zhǎng)L=1 m，管道直徑d=0.01 m。流體初始入口溫度t1=15 ℃，流體流速u(mài)=0.1 m/s，則Re=ud/v=1 000<2 300，流動(dòng)狀態(tài)為層流。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，假定CCD組件產(chǎn)生的熱量全部由流體回路帶走，總功率為40 W，則由式(1)可得流體出口溫度

則流體回路的平均溫度

tm=(t1+t2)/2=15.607 ℃

以恒熱流熱邊界條件公式計(jì)算對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，則h=Nu·λ/d=261.6 W/(m2·K)。由式(5)可得管道壁面平均溫度：tw=tm+Φ/(hπdL)=20.48=20.48 ℃。由式(3)可得CCD組件的平均溫度：tf=tw+Φ·R=26.52 ℃。

經(jīng)理論計(jì)算得出CCD組件平均溫度在26.52 ℃左右，符合設(shè)計(jì)時(shí)的溫控指標(biāo)。

3.2有限元仿真驗(yàn)證

本文利用NX8.0高級(jí)仿真模塊進(jìn)行熱模型的有限元分析。根據(jù)流體回路控溫系統(tǒng)的CAD模型，在FEM文件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到如圖3的有限元模型?；宀捎?D四面體網(wǎng)格劃分，流體回路采用NX高級(jí)仿真特有的1D管道單元?jiǎng)澐?，整個(gè)模型9 865個(gè)單元。

圖3　流體回路控溫系統(tǒng)熱分析模型Fig 3　Thermal analysis model for fluid loop temperature control system

進(jìn)行瞬態(tài)熱分析計(jì)算，計(jì)算總時(shí)間為3 600 s，整個(gè)工作過(guò)程溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4　焦面組件溫度—時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig 4　Temperature-time curves of focal plane component

整個(gè)系統(tǒng)和流體回路在t=3 600 s時(shí)刻溫度云圖如圖5和圖6所示。從有限元模型溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)中可以看出：CCD焦面組件在0～200 s內(nèi)溫度急劇上升，在200 s左右溫度趨于穩(wěn)定，其最高溫度27 ℃。在200 s之后，整個(gè)系統(tǒng)溫度基本保持不變，可見(jiàn)流體回路控溫系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。從溫度云圖中可以看出：CCD焦面組件整體溫差小于3 ℃，最高溫度為27.43 ℃；流體回路最高溫度為16.216 ℃，與理論計(jì)算結(jié)果較為吻合。

圖5　熱分析模型溫度分布云圖(t=3 600 s)Fig 5　Temperature distribution nephogram of thermal analysismodel(t=3 600 s)

有限元仿真分析流體回路初始入口溫度t1=15 ℃，最終得到CCD焦面組件溫度低于30 ℃的溫控指標(biāo)。由于流體工質(zhì)具有較大的比熱，可以通過(guò)調(diào)整流體入口的溫度，實(shí)現(xiàn)焦面組件更嚴(yán)格更精確的溫控指標(biāo)。

4結(jié)論

本文針對(duì)大功率CCD組件功率大，溫控指標(biāo)嚴(yán)的特點(diǎn)，提出一種單相流體回路熱控系統(tǒng)。以實(shí)例介紹了流體回路系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)過(guò)程，并在NX軟件中建立初始模型。通過(guò)對(duì)熱控系統(tǒng)傳熱和對(duì)流換熱的理論計(jì)算，證明了流體回路控溫系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的可行性。利用NX高級(jí)仿真對(duì)模型進(jìn)行熱仿真分析，有限元仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：CCD焦面組件溫度控制在30 ℃，滿(mǎn)足熱控指標(biāo)，且由于流體工質(zhì)的高比熱，可以通過(guò)調(diào)整流體入口溫度，方便地控制CCD組件的溫度。

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Fluid loop temperature control design of high-power CCD focal plane component*

PENG Jian-wei1,2,DING Ya-lin1,LIU Wei-yi1

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033,China；2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:In order to realize thermal control of high-power focal plane component,analyze on characteristic of thermal design of focal plane component,single phase fluid loop thermal control system is adopted for heat dissipation.Taking a high-power splicing CCD as example,detail thermal design scheme is given and calculation result of the simplified analysis model for heat dissipation shows that the highest temperature of focal plane component is 26.5 ℃.Transient-state simulation analysis of loop temperature control system is carried out through NX advanced simulation module,and the result shows that the temperature of CCD component maintains about 27 ℃ after 200 s.Simulation analysis result is well coincide with theoretical calculation result,which can meet demand for thermal control index.

Key words:CCD;focal plane component;fluid loop;thermal design;thermal analysis

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0052—04

收稿日期：2015—08—31

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61405192)

中圖分類(lèi)號(hào)：V 245.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)05—0052—04

作者簡(jiǎn)介:

彭建偉(1990-)，男，山西晉城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楹娇障鄼C(jī)熱控設(shè)計(jì)。