CN117411549B - 一种通信设备及卫星 - Google Patents

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CN117411549B CN202311700338.3A CN202311700338A CN117411549B CN 117411549 B CN117411549 B CN 117411549B CN 202311700338 A CN202311700338 A CN 202311700338A CN 117411549 B CN117411549 B CN 117411549B
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Abstract

本发明涉及散热技术领域，公开一种通信设备及卫星，该通信设备包括：热总线以及与所述热总线对应的多个功率组件，所述热总线具有相对的连接端面和用于与外界安装基础导热连接的对外扩展安装面，所述连接端面具有与所述功率组件一一对应的连接点位；多个所述功率组件位于所述连接端面远离所述对外扩展安装面的一侧，且分别与对应的所述连接点位热连接。简化了外界安装基础上热接口的数量，并提高了换热效率。

Description

一种通信设备及卫星
技术领域
本发明涉及热控技术领域，特别涉及一种通信设备及卫星。
背景技术
由于随着空间通信愈加显著的高速化、深空化、网络化发展趋势，空间激光通信技术由于其高传输速率、高带宽、低成本的特点成为了重要的发展方向，目前，多国已开展天基互联网的建设，空间激光通信设备正面临着数量需求庞大、进度要求紧张的趋势。
热设计是空间激光通信载荷设计中的重要问题，它涉及到载荷的性能、寿命和安全等多方面的问题，主要包括热控设计、生产和验证，热控设计是基于空间热环境和载荷工作模式，分析主要工况下的关键部组件温度，设计合适的热改造方案以满足设备的温度需求，热控生产包括热控产品的准备及安装实施，热控验证主要包含热循环、热真空等试验。目前，常规的空间激光载荷热控方法主要包括被动热控和主动热控两种。被动热控指通过光学材料、涂层、相变储热和保护结构等方式来实现温度控制。而主动热控则采用主动加热、流体回路等技术来实现温度控制。
随着通信速率需求越来越高，芯片热流密度大幅提升，现有的热控方法存在着设计适应性弱和过设计的问题，具体表现为热控效率低、对热环境适应能力弱、设计复杂、热控资源占用过多等问题。具体如在相关技术方案中，分别针对空间激光通信设备中的光放大组件、电源组件、相机组件、电机组件和快反组件等不同功率组件单独设计散热路径，各自将热量传输至卫星本体上，这造成外界安装基础（如卫星本体）表面的热接口过多，且功率组件的换热效率低下。
发明内容
本发明公开了一种通信设备及卫星，用于外界安装基础表面的热接口，并提高换热效率。
为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
第一方面，提供一种通信设备，该通信设备包括：热总线以及与所述热总线对应的多个功率组件，所述热总线具有相对的连接端面和用于与外界安装基础导热连接的对外扩展安装面，所述连接端面具有与所述功率组件一一对应的连接点位；多个所述功率组件位于所述连接端面远离所述对外扩展安装面的一侧，且分别与对应的所述连接点位热连接。
将上述多个功率组件的热量经连接端面统一集中到热总线，再经对外扩展安装面将热量传递给外界安装基础上，而无需将每个功率组件分别设计一条散热路径去与外界安装基础热连接，相当于简化了外界安装基础上热接口的数量；并且，上述多个功率组件的热量先以热总线为中介，进行内部的初步平衡，初步平衡之后，若需要外部热量加热，热总线通过对外扩展安装面从外界安装基础吸入热量，将热量提供给需要的功率组件，若需要向外部排散热量，需要排散的热量集中在热总线，热总线通过对外扩展安装面向外界安装基础排散热量，提高了换热效率。
可选地，功率越大的所述功率组件与对应的所述连接点位之间的导热路径越短。
可选地，所述热总线的负载Qload与所述对外扩展安装面的面积S之间存在如下关系：Qload≤10W时，S≥600mm2；10W＜Qload≤30W时，S≥2400mm2；30W＜Qload≤50W时，S≥12000mm2。
可选地，每个所述连接点位形成有一个与所述热总线一体化的凸台，每个所述凸台抵接于对应的所述功率组件；或者，每个所述连接点位通过一个柔性导热件与对应的所述功率组件热连接。
可选地，所示通信设备包括底壳，所述底壳形成所述热总线。
可选地，所述热总线的材质为铜、氮化铝、碳化硅或者铝合金。
可选地，每个所述通信设备包括多个所述热总线。
可选地，所述通信设备还包括热控组件，所述热控组件与所述热总线热连接，并用于调节所述热总线的温度。
可选地，所述热控组件位于所述热总线的夹层中；或者，所述热控组件具有相对的输入端面和输出端面，所述输入端面与所述热总线的对外扩展安装面连接。
可选地，所述热总线的负载Qload＞0时，所述热控组件为制冷组件；所述热总线的负载Qload＜0时，所述热控组件为加热组件；所述热总线的负载Qload周期性变化时，所述热控组件为相变储热组件。
可选地，所述相变储热组件包括板状封闭壳体，所述板状封闭壳体中填充有相变材料；所述板状封闭壳体的一个表面形成所述输入端面，另一个所述表面形成所述输出端面。
可选地，所述输入端面设有导热接口层，所述输出端面设有低吸收发射比的热控涂层。
可选地，所述通信设备为空间激光通信设备，所述外界安装基础为卫星本体，所述功率组件包括电机组件或者快反组件，所述电机的外壳或者所述快反组件的外壳与对应的所述连接点位热连接。
第二方面，提供一种卫星，包括卫星本体和上述任一技术方案所述的通信设备，所述通信设备的对外扩展安装面与所述卫星本体热连接；当所述卫星包括热控组件时，所述热控组件的输出端面与所述卫星本体热连接。
与现有技术相比，所述的卫星与所述的通信设备具有的优势相同，在此不再赘述。
可选地，所述卫星包括多个所述通信设备，不同的所述通信设备的热总线的对外扩展安装面通过热管串联和/或者并联。
附图说明
图1为本申请实施例提供的通信设备中的部分结构示意图；
图2为本申请实施例提供的通信设备中热控组件的结构示意图；
图3a本申请实施例提高的一种通信设备中CFP2封装形式的100G光模块进行热接口标准化后的示意图；
图3b是图3a所示结构的侧视图；
图4表示基于标准化热接口的空间激光通信设备热设计流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请结合图1至图2：
本申请实施例提供的通信设备可以是空间激光通信设备，包括：热总线3以及与热总线3对应的多个功率组件，这些功率组件如光放大组件、电源组件、相机组件、电机组件和快反组件等，其中，电机组件和快反组件是空间激光通信设备相对于其他激光通信设备所特有的，热总线3具有相对的连接端面S1和用于与外界安装基础（如卫星本体）导热连接的对外扩展安装面S2，连接端面S1具有与功率组件一一对应的连接点位；多个功率组件位于连接端面S1远离对外扩展安装面S2的一侧，且分别与对应的连接点位热连接，其中，电机组件的外壳或者快反组件的外壳与各自对应的连接点位热连接，以实现散热。如图1中，功率组件的数量为两个，分别为第一功率组件1和第二功率组件4，其中第一功率组件1可以是DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理技术）芯片，DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。第二功率组件4可以是FS400 IGBT模块。相应地，连接点位的数量也为两个，即第一连接点位N1和第二连接点位N2，第一功率组件1通过第一安装结构2与第一连接点位N1热连接，第二功率组件4通过第二安装结构5与第二连接点位N2热链接。对外扩展安装面S2的平面度可以小于0.1mm/100×100mm2，以减少接触热阻。
将上述多个功率组件的热量经连接端面S1统一集中到热总线3，再经对外扩展安装面S2将热量传递给外界安装基础上，而无需将每个功率组件分别设计一条散热路径去与外界安装基础热连接，相当于简化了外界安装基础上热接口的数量；并且，上述多个功率组件的热量先以热总线3为中介，进行内部的初步平衡，初步平衡之后，若需要外部热量加热，热总线3通过对外扩展安装面S2从外界安装基础吸入热量，将热量提供给需要的功率组件，若需要向外部排散热量，需要排散的热量集中在热总线3，热总线3通过对外扩展安装面S2向外界安装基础排散热量，提高了换热效率。
在一个具体的实施例中，功率越大的功率组件与对应的连接点位之间的导热路径越短，该功率组件与热总线3之间的热阻越小，可以满足对于热阻的要求，以分别形成满足不同功率需求的标准热接口。例如，第一功率组件1的功率大于第二功率组件4的功率，第一安装结构2的厚度小于第二安装结构5的厚度，第一功率组件1与第一连接点位N1之间的导热路径小于第二功率组件4与第二连接点位N2之间的导热路径。
在一个具体的实施例中，热总线3的负载Qload与对外扩展安装面S2的面积S之间存在如下关系：Qload≤10W时，S≥600mm2；10W＜Qload≤30W时，S≥2400mm2；30W＜Qload≤50W时，S≥12000mm2。以上负载与对外扩展安装面S2的面积S之间的关系可以满足换热要求。对于Qload＞50W的热总线3，其对外扩展安装面S2的尺寸可以进行特别评估设计。
热总线3的负载Qload为需要排散的热耗，包括该热总线3对应的功率组件的常规生成热Qeq以及环境功率负载Qen。环境功率负载是指当环境温度波动大于设备正常工作温度范围时，为维持其正常工作温度，应对其施加的应对环境温度波动所需的加热功耗及冷却功耗，具体计算方式是：
其中，n表示该标准热接口对应的功率组件数量，m表示该通信设备所有工作模式的组合，q表示每个组件的生成热，下标Ten表示环境温度，Teq表示功率组件温度，h表示温度范围上限，l表示温度范围下限，θ表示热阻。
参考图1，第一功率组件1的热耗为13.9W，第二功率组件4的热耗为5.5W，安装结构2厚度是2mm，采用导热系数200W/(m·K)的铝合金制成，其接触表面40mm×30mm，计算得到接触热阻θ=0.008K/W，第二功率组件4的第二安装结构5厚度是4mm，采用导热系数200W/(m·K)的铝合金制成，其接触表面20mm×10mm，计算得到接触热阻θ=0.1K/W。该热总线3对应的组件工作温度范围是0~70℃，对外扩展安装面S2的温度要求是0~45℃，于是该热总线3的负载为19.4W，对外扩展安装面S2的尺寸为60mm×50mm。最终该热总线3可以满足要求。
在一个具体的实施例中，每个连接点位形成有一个与热总线3一体化的凸台，每个凸台抵接于对应的功率组件，减小凸台与热总线3之间的界面分隔，从而，降低功率组件与热总线3之间的热阻，可以使用一体化成型制造技术或3D打印技术制作热总线3与凸台的一体化结构，还可以在功率组件与凸台之间填充导热硅脂、导热凝胶、金属导热垫等导热材料，以抵消尺寸公差，减小配合间隙，降低热阻；或者，每个连接点位通过一个柔性导热件与对应的功率组件热连接，可以通过导热带和导热索等柔性导热件建立复杂位置的功率组件与热总线3的热连接。
在一个具体的实施例中，所示通信设备包括底壳，底壳形成热总线3，以热总线3直接作为通信设备的底壳，与通信设备的集成度更高。
在一个具体的实施例中，热总线3的材质为铜、氮化铝、碳化硅或者铝合金，这几种材料导热性能良好，且重量和成本均在合理范围内。
在一个具体的实施例中，每个通信设备包括多个热总线3，对于通信设备内分布比较分散或者通信设备内结构比较复杂的情况，以分别利用不同的热总线3对不同组的功率组件进行热连接。
在一个具体的实施例中，通信设备还包括热控组件100，热控组件100与热总线3热连接，并用于调节热总线3的温度，热控组件100具体可以是将热量由外界安装基础主动传导至功率组件，或者由功率组件将热量传导至外界安装基础，相对于仅直接与外界安装基础热连接，热控组件100可以更主动且高效地对功率组件和外界安装基础进行换热。
在一个具体的实施例中，热控组件100位于热总线3的夹层中，以增加换热面积，充分换热；或者，热控组件100具有相对的输入端面P1和输出端面P2，输入端面P1与热总线3的对外扩展安装面S2连接，热控组件100安装在对外扩展安装面S2和外界安装接触之间可以方便地在热总线3和外界安装基础之间交换热量。
在一个具体的实施例中，热总线3的负载Qload＞0时，热控组件100为制冷组件，以将热总线3的热量搬运至外界安装基础，以进行散热；热总线3的负载Qload＜0时，热控组件100为加热组件，以将外界安装基础的热量搬运至热总线3进行加热；热总线3的负载Qload周期性变化时，热控组件100为相变储热组件，可提高功率组件的温度稳定性。
在一个具体的实施例中，参考图2，相变储热组件包括板状封闭壳体6，板状封闭壳体6可以选用高导热材料，以进行充分换热，板状封闭壳体6中填充有相变材料9；板状封闭壳体6的一个表面形成输入端面P1，另一个表面形成输出端面P2。可以在板状封闭壳体6内设置导热加强筋10来强化法向导热。
在一个具体的实施例中，输入端面P1设有导热接口层8，以便于从热总线3的对外扩展安装面S2换热，输出端面P2设有低吸收发射比的热控涂层，以便于将热量经输出端面P2对外输出至外界安装基础。
参考图2，相变材料9选用100g正十八烷，该相变储热组件可满足100G光模块在30℃连续工作1000s的使用场景。具体可以将两个或两个以上的光模块分别固定在同一个热总线3的连接端面S1处，并利用上述相变储热模块保持稳定温度。
图3a本申请实施例提高的一种通信设备中CFP2封装形式的100G光模块进行热接口标准化后的示意图；图3b是图3a所示结构的侧视图；参考图3a和图3b，两个光模块7的一侧表面连接于热总线3，热总线3作为光模块7的标准热接口，热总线3通过对外扩展安装面S2与外界安装基础热连接，并分别通过4个对外扩展M2安装孔71与两个光模块7连接，光模块7的24W的热负载的主要热扩散表面为对外扩展安装面S2，热总线3的上下平面度均小于0.1mm，采用导热系数200W/m·K的铝基碳化硅制作，与光模块7表面通过对外扩展M2安装孔71安装，且热总线3与光模块7之间通过导热硅脂减小接触热阻。经过上述改装，可从型谱化热控组件库中，根据安装位置附件有无冷源、卫星能源余量等实际情况选用对应尺寸和热排散功率的均温模块和半导体制冷组件，以达到温度控制效果。
基于相同的发明构思，本申请实施例还提供一种卫星，该卫星包括卫星本体和上述任一技术方案的通信设备，通信设备的对外扩展安装面与卫星本体热连接；当卫星包括热控组件100时，热控组件100的输出端面P2与卫星本体热连接。其效果可以参考前文实施例提供的通信设备。
在一个具体的实施例中，卫星包括多个通信设备，不同的通信设备的热总线3的对外扩展安装面S2通过热管串联和/或者并联，以各功率组件的工作模式、单个通信设备的热负载和卫星空间热环境为边界条件，通过拓扑优化建立通信设备间的热连接关系，以实现能源优化。
传统的热控方法由于设计比较固定，不能满足通信设备配置扩展性需求和使用环境的多样性需求，尤其是当面临大规模生产建设时，如果都采用同一热控设计方案，则存在显著的适应性差的问题，如果每一个通信设备都单独设计热控方案，则存在工作量繁重进度缓慢的问题。在被动式热管理方面，受制于材料、结构和调控等因素，难以提高热管理效果。在设计思路上，现有方案是以通信功能为主，热控为辅的思路，通常完成了基础的功能和结构设计后再进行热设计，容易出现组件布局不利于散热进而产生资源浪费。
参考图4，下面就空间激光通信设备内功率组件的散热为例，说明空间激光通信设备标准化热控设计及型谱化热控组件设计方法。主要是从激光器基本通信功能的需求出发，考虑空间激光通信设备在大热密度和复杂工作场景下，以热总线思路为中心开展的热控设计标准化和热控组件型谱化的温度控制方法，包括标准热接口的定义及空间激光通信设备适应性热控开发标准，热控组件型谱化模块设计及产品库建立。
（一）定义空间激光通信设备的标准热接口
在进行激光通信载荷设计时，先识别功能组件的工作特性及温度需求，在结构设计中引入热总线（参考前文实施例的热总线3），建立功能组件与热总线之间的热连接关系。
如图4中，明确激光通信功能组件A、激光通信功能组件B，……，以及激光通信功能组件n等功率组件的工作模式及工作温度需求，这些功率组件如光放大组件、电源组件、相机组件、电机组件、快反组件等，确保各功能组件与热总线之间为直接导热安装状态，或内部增设导热带、导热索等形式建立复杂位置的功率组件与设备端的热总线的连接，强化各组件及结构外表面与热总线的导热连接。
对于功率小于1W的功率组件，其与热总线3之间的热阻应小于1K/W，对于功率在1W到10W间的功率组件，其与热总线之间的热阻应小于0.1K/W，对于功率大于10W的功率组件，其与热总线之间的热阻应小于0.01K/W。功率越大的功率组件与对应的连接点位之间的导热路径越短。因此，在进行热总线位置的选择时，遵循优先靠近大功率的功率组件以及优先靠近主要功率组件的原则。
定义标准热接口的负载Qload为需要排散的热耗，包括该热总线对应功率组件的常规生成热Qeq以及环境功率负载Qen。其计算方式参考前文实施例。
热总线外部设计标准热接口，热总线的负载Qload与热总线的对外扩展安装面S2的面积S之间的关系参考前文实施例的描述。其中，同一负载范围内可以确定若干个典型对外扩展安装面S2的形状，以匹配不同通信设备外形的需求。
对于存在复杂内部结构或功率组件位置分散的空间激光通信设备，可设计多个热总线，每个热总线单独设计外部扩展接口。
满足以上对于热总线尺寸、结构、导热关系的激光通信载荷定义为标准热接口激光通信载荷，可对其进行快速适应性热设计。
（二）建立满足标准热接口标准的热控组件型谱化产品库。
产品库的检索维度包括功耗负载Qload,接口尺寸及其他特殊使用需求。从宏观上每个热控组件分为输入端，工作端和输出端，输入端（参考前文实施例的输入端面P1）与空间激光通信设备的标准热接口进行物理连接，尺寸和平面度满足标准热接口要求；工作端为热控组件的热控功能具体实现的部分，制造时与输入端导热连接，可后期加装也可一体化成型；输出端（参考前文实施例的输出端面P2）满足卫星本体热接口要求。
所有的热控组件应通过航天行业标准关于总质损率、可凝挥发物和水汽回收量的要求，满足星上使用标准。
根据各个功率组件得到负载Qload，对热控组件的选择进行需求判断。根据负载Qload获得对外扩展安装面S2的形状和面积，据此选择热控组件端（图4中的热模块端）的标准热接口来与外扩展安装面S2匹配，同时，选择合适类型的热控组件。总体原则为：热总线的负载Qload＞0时，热控组件为制冷组件；热总线的负载Qload＜0时，热控组件为加热组件；热总线的负载Qload周期性变化时，热控组件为相变储热组件（图4中的相变模块）。除此之外，还可以根据使用环境选择和功耗需求选定其他扩展模块作为热控组件。
加热组件（图4中的加热模块）采用不同功率的电加热器实现热量输入，通过计算机控制其工作模式。制冷组件（包括图4中的辐射散热模块、流体回路散热模块）主要有不同表面特性的辐射板、百叶窗、流体回路和热电制冷器等。
符合接口标准的热控组件可灵活匹配不同卫星构型，仅通过计算空间激光通信设备所处环境热流，而非完整温度计算，即可快速选用适当的热控组件。例如净输出外热流表面使用电加热模块作为热控组件，当调整卫星构型使得空间激光通信设备安装在净输入外热流表面时，仅需更换为热隔离的热控组件或热排散的热控组件，即制冷组件。
设计热控组件的输入端和输出端都满足接口标准的热管，以满足多台空间激光通信设备的串并联使用，以各设备工作模式、单个设备的热负载和卫星空间热环境为边界条件，通过拓扑优化建立设备间的热连接关系，以实现能源优化。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种通信设备，其特征在于，包括：热总线以及与所述热总线对应的多个功率组件，所述热总线具有相对的连接端面和用于与外界安装基础导热连接的对外扩展安装面，所述连接端面具有与所述功率组件一一对应的连接点位；
多个所述功率组件位于所述连接端面远离所述对外扩展安装面的一侧，且分别与对应的所述连接点位热连接；
所述通信设备为空间激光通信设备，所述外界安装基础为卫星本体，所述功率组件包括电机组件或者快反组件，所述电机的外壳或者所述快反组件的外壳与对应的所述连接点位热连接；
所述通信设备还包括热控组件，所述热控组件与所述热总线热连接，并用于调节所述热总线的温度；
所述热总线的负载Qload＞0时，所述热控组件为制冷组件；
所述热总线的负载Qload＜0时，所述热控组件为加热组件；
所述热总线的负载Qload周期性变化时，所述热控组件为相变储热组件。
2.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，功率越大的所述功率组件与对应的所述连接点位之间的导热路径越短。
3.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述热总线的负载Qload与所述对外扩展安装面的面积S之间存在如下关系：
Qload≤10W时，S≥600mm2；
10W＜Qload≤30W时，S≥2400mm2；
30W＜Qload≤50W时，S≥12000mm2。
4.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，每个所述连接点位形成有一个与所述热总线一体化的凸台，每个所述凸台抵接于对应的所述功率组件；或者，
每个所述连接点位通过一个柔性导热件与对应的所述功率组件热连接。
5.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于， 所示通信设备包括底壳，所述底壳形成所述热总线。
6.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述热总线的材质为铜、氮化铝、碳化硅或者铝合金。
7.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，每个所述通信设备包括多个所述热总线。
8.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述热控组件位于所述热总线的夹层中；或者，
所述热控组件具有相对的输入端面和输出端面，所述输入端面与所述热总线的对外扩展安装面连接。
9.根据权利要求8所述的通信设备，其特征在于，所述相变储热组件包括板状封闭壳体，所述板状封闭壳体中填充有相变材料；
所述板状封闭壳体的一个表面形成所述输入端面，另一个所述表面形成所述输出端面。
10.根据权利要求9所述的通信设备，其特征在于，所述输入端面设有导热接口层，所述输出端面设有低吸收发射比的热控涂层。
11.一种卫星，其特征在于，包括卫星本体和权利要求1至10任一项所述的通信设备，所述通信设备的对外扩展安装面与所述卫星本体热连接；
当所述卫星包括热控组件时，所述热控组件的输出端面与所述卫星本体热连接。
12.根据权利要求11所述的卫星，其特征在于，所述卫星包括多个所述通信设备，不同的所述通信设备的热总线的对外扩展安装面通过热管串联和/或者并联。
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