大功率CCD焦面組件流體回路溫控設計*

彭建偉，丁亞林，劉偉毅

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;2.中國科學院大學，北京 100049)

設計與制造

大功率CCD焦面組件流體回路溫控設計*

彭建偉1,2，丁亞林1，劉偉毅1

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;2.中國科學院大學，北京 100049)

摘要:為了實現大功率焦面組件的熱控制，分析了焦面組件熱設計的特點，采用單相流體回路控溫系統進行散熱。以某大功率拼接CCD為例，給出了具體熱設計方案，并通過簡化的散熱分析模型，計算得出了焦面組件最高溫度在26.5 ℃。應用NX高級仿真模塊對回路控溫系統進行瞬態仿真分析，結果表明:CCD組件在200 s時刻溫度達到27 ℃左右，并維持穩定。所獲得的仿真分析結果與理論計算結果吻合較好，最終結果能夠滿足熱控指標要求。

關鍵詞：電荷耦合器件；焦面組件；流體回路；熱設計；熱分析

0引言

焦面組件是電荷耦合器件(CCD)光學遙感器的核心電子設備，其主要功能就是完成CCD光學遙感器的圖像攝取，主要包括光電信號轉換、存貯和轉移輸出電信號等。CCD組件對于相機能否傳輸高質量的圖片起著至關重要的作用。CCD焦面組件對工作環境溫度要求非常嚴格,溫度水平高低和波動變化會產生暗電流和熱噪聲，降低CCD器件的光電轉換能力。一般，CCD組件溫度每增加7～8 ℃暗電流密度會增加1倍[1]。所以，控制好焦平面器件的溫度，是獲得高質量成像的一個重要因素。

隨著現代科技和遙測技術的不斷發展，CCD光學遙感器的分辨率不斷提高，CCD焦面組件的功率也隨之越來越大。大功率所帶來的大熱流密度，給CCD組件的散熱帶來巨大壓力。通常，空間光學遙感器采用熱控涂層、導熱填料以及布置熱管和散熱面來進行CCD的散熱[2]。航空相機CCD的散熱也借鑒空間相機，但由于飛機的高速飛行和氣流影響，航空相機外部很難像空間相機一樣方便地設置散熱面。在相機內部安置風扇，進行對流換熱是航空相機CCD散熱的常用手段。近年來，相變材料控溫在航空相機上應用較為成功，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、質量小、熱容小、功耗大等特點。本文選用的某航空相機拼接CCD焦平面，單個CCD外形尺寸為60 mm×30 mm，質量為15 g，熱容為12 J/℃。整個焦平面由4片CCD拼接而成，單片CCD功耗接近10 W，總功耗40 W，工作模式為長時間連續工作。如果不采取熱控措施，CCD焦面組件溫升速率很快，并且達到很高的溫度，嚴重影響成像質量，甚至導致CCD無法工作。本文通過布置流體回路控溫系統，將CCD焦面組件溫度控制在30 ℃以下，并且滿足CCD長時間工作控溫的需求。

2CCD焦面組件流體回路控溫系統

2.1流體回路

本文應用單相流體回路控溫系統對CCD焦面組件進行散熱。簡化的流體回路系統如圖1所示。

圖1　流體回路系統示意圖Fig 1　Diagram of fluid loop system

在泵的驅動下，回路中的工質通過管道流經熱源(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系統的核心，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為流體工質的質量流量，ks/s;cp為工質的比熱，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的熱損失，則式(1)和式(2)具有等效關系。

2.2焦面組件溫控系統設計

文中CCD焦面組件流體回路控溫系統示意圖如圖2所示。

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

焦平面器件和電路板是主要發熱源，其工作時總功率為40 W。為了疏導CCD組件所產生的熱量，防止焦平面因熱量積累而過熱，主要采取以下措施:1)在CCD組件與基板之間加裝導熱墊，減小兩者之間的熱阻，以利于CCD組件熱量的排散。導熱墊在材料上選擇高熱導率，具有形狀適應性的電氣絕緣體，以保證CCD組件與基板絕緣并消除熱膨脹效應的影響。2)在CCD焦面組件的背部安裝基板，基板內部排布傳熱管道。基板板料選用導熱率高、比熱大、質量輕的鋁合金。在基板尺寸固定的前提下，管道的截面直徑與長度應相互匹配，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)基板通過管道與驅動泵和流體冷卻系統相連。流體冷卻系統布置在相機內壁，采用金屬換熱器，通過Peltier與相機內壁相連。Peltier冷端接觸換熱器，熱端接觸相機內壁，通過溫度檢測手段，控制Peltier輸入電流，保證換熱器維持恒定溫度。回路中經過加熱的流體通過換熱器降溫，再以恒定溫度流入管道。驅動泵用來保證一定的流體質量流量，盡量選用體積小，功耗低，穩定性高的型號。4)在管道中設置流體回路進行熱量的運輸和排散。流體工質的物理特性對回路系統的性能有很大影響。在工質選擇時應保證：1)高比熱，以增大流體回路散熱能力；2)低粘度，減小系統的流動壓力損失;3)低冰點，防止在低溫度存儲時出現凍結現象。綜合考慮，選取乙二醇水溶液防凍液作為工質。回路中流體的速度對流動狀態影響較大，設計時盡量保證流動為層流狀態，以消除基板振動對CCD的影響[6]。

3熱分析

3.1熱分析計算

本文實際設計選取材料及主要參數見表1。

表1　材料主要參數

1)傳導換熱計算

CCD焦面組件產生的熱量通過熱傳導的方式傳遞到基板管道，用公式表示為

綜上所述，視野檢測SAP10-2程序比SAP24-2程序對極早期青光眼視野損害的檢出更敏感，且這類視野損傷多出現于上方，鼻側顳側無明顯差別。

(3)

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

根據本文的實際設計情況，A1=A2=A3=7.2×10-3m2，A4=2.88×10-2m2，δ1=1×10-3m，δ2=6×10-3m。導熱墊熱導率λ1=3.5W/(m·K)。基板熱導率λ2=140W/(m·K)。CCD組件與導熱墊之間，以及導熱墊與基板之間均采用涂導熱填料方式增強導熱，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)對流換熱計算

管內對流換熱所遵循的牛頓冷卻定律表達式為

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由努塞爾數計算得到，h=Nu·λ/d。

流體在管道內的流動可以分為層流與湍流兩大類，其分界點是以管道直徑為特征尺度的Re數，其值為2 300，一般認為，Re大于104后為旺盛湍流。對于圓管內常物性流體在熱充分發展段的強制對流而言，其努塞爾數可由以下公式計算[7]為

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

2)Re≥104，湍流：Nu=0.023Re0.8Pr0.4。

本文基板尺寸設計為240 mm×120 mm×12 mm，在基板內并行排布10股圓型管道，總長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=0.1 m/s，則Re=ud/v=1 000<2 300，流動狀態為層流。

穩態時，假定CCD組件產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算對流換熱表面傳熱系數，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 ℃。

經理論計算得出CCD組件平均溫度在26.52 ℃左右，符合設計時的溫控指標。

3.2有限元仿真驗證

本文利用NX8.0高級仿真模塊進行熱模型的有限元分析。根據流體回路控溫系統的CAD模型，在FEM文件中進行網格劃分得到如圖3的有限元模型。基板采用3D四面體網格劃分，流體回路采用NX高級仿真特有的1D管道單元劃分，整個模型9 865個單元。

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

進行瞬態熱分析計算，計算總時間為3 600 s，整個工作過程溫度隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4　焦面組件溫度—時間變化曲線Fig 4　Temperature-time curves of focal plane component

整個系統和流體回路在t=3 600 s時刻溫度云圖如圖5和圖6所示。從有限元模型溫度隨時間變化曲線中可以看出：CCD焦面組件在0～200 s內溫度急劇上升，在200 s左右溫度趨于穩定，其最高溫度27 ℃。在200 s之后，整個系統溫度基本保持不變，可見流體回路控溫系統具有較好的穩定性。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 ℃，與理論計算結果較為吻合。

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。由于流體工質具有較大的比熱，可以通過調整流體入口的溫度，實現焦面組件更嚴格更精確的溫控指標。

4結論

本文針對大功率CCD組件功率大，溫控指標嚴的特點，提出一種單相流體回路熱控系統。以實例介紹了流體回路系統的熱設計過程，并在NX軟件中建立初始模型。通過對熱控系統傳熱和對流換熱的理論計算，證明了流體回路控溫系統初始結構的可行性。利用NX高級仿真對模型進行熱仿真分析，有限元仿真試驗結果表明：CCD焦面組件溫度控制在30 ℃，滿足熱控指標，且由于流體工質的高比熱，可以通過調整流體入口溫度，方便地控制CCD組件的溫度。

參考文獻:

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[7]趙鎮南.傳熱學[M].北京:高等教育出版社，2002.

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

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(61405192)

中圖分類號：V 245.6

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0052—04

作者簡介:

彭建偉(1990-)，男，山西晉城人，碩士研究生，主要研究方向為航空相機熱控設計。