Simulation of cooling of a processor in nanosatellite using the loop heat pipes

Full Text

Введение В последние годы для проведения научных экспериментов, мониторинга земной поверхности, телекоммуникации и других целей применяются малые космические аппараты - микро- и наноспутники. Большой спрос на их использование обусловлен сравнительно низкой стоимостью выведения и большим потенциалом на мировом рынке космических товаров [1-3]. Тепловой режим наноспутников обусловлен воздействием внешних тепловых нагрузок и выделением теплоты бортовым оборудованием [4-6]. В составе бортового оборудования важное место занимает бортовой компьютер с центральным процессором. В современных наноспутниках в качестве «начинки» в основном используется элементная база смартфонов. Постоянно возрастающая информационная нагрузка вызывает необходимость применения в бортовых компьютерах более совершенных процессоров, тепловая мощность (TDP) которых может составлять десятки ватт. Для нормального функционирования большинства процессоров их допустимая температура не должна превышать 80-90 °С [7]. В условиях космического пространства стандартная схема конвективного охлаждения процессора с помощью радиатора и вентилятора невозможна. Из-за высокой плотности компоновки оборудования и малого объема наноспутников отвод теплоты излучением затруднен. Низкая тепловая инертность наноспутников и продолжительное тепловыделение может привести к перегреву процессора и выходу из строя бортового компьютера. Одним из способов решения данной проблемы может быть применение контурных тепловых труб (КТТ), которые имеют высокую эффективную теплопроводность и легко адаптируются к условиям эксплуатации [8-11]. Они могут работать в условиях космического пространства, отличаются относительной простотой конструкции, незначительной массой, полной автономностью и способны передавать большое количество теплоты на необходимое расстояние. Конденсатор КТТ сбрасывает теплоту в окружающее пространство через корпус наноспутника. В настоящее время корпуса наноспутников изготавливаются в основном из алюминиевых сплавов, однако большой потенциал имеют высокотеплопроводные полимерные композиционные материалы из углеродных волокон [12]. При этом такие материалы (при меньшей плотности) имеют более высокую удельную прочность и удельную жесткость. Цель настоящей работы - теоретическое обоснование возможности применения КТТ для обеспечения работоспособности процессора бортового компьютера наноспутника с корпусом из углепластика. Постановка задачи. На первом этапе необходимо определиться с типом процессора и, соответственно, его тепловой мощностью. Для моделирования была выбрана бескаркасная конструкция наноспутника в виде тонкостенного параллелепипеда, в центре которого установлена материнская плата с процессором и шестью устройствами памяти (рис. 1). а б Рис. 1. Конструктивная схема наноспутника: а - общий вид; б - вид сверху и сбоку; 1- память; 2 - процессор; 3 - материнская плата; 4 - крышка процессора; 5 - плата процессора [Figure 1. The structural diagram of the nanosatellite: a - general view; б - top and side view; 1 - memory; 2 - processor; 3 - motherboard; 4 - processor cover; 5 - processor board] Между процессором (2) и крышкой (4) нанесен тонкий слой термопасты типа Evercool Nano Diamond, который обеспечивает идеальный тепловой контакт между ними (табл. 1). Полагалось, что процессор и элементы памяти являются единственными источниками тепловыделения. Все поверхности наноспутника диффузно отражают и испускают излучение во внутреннее пространство, заполненное диатермической средой. С наружной поверхности теплота сбрасывается в окружающую среду, имеющую температуру 4 К. Оптические свойства поверхностей не зависят от температуры и длины волны излучения. Тепловые контакты граней корпуса между собой и с материнской платой считаются идеальными. Материал корпуса наноспутника - ортотропный углепластик толщиной 1 мм. Принято, что λy и λz - коэффициенты теплопроводности в направлениях Y и Z плоскости армирования каждой грани корпуса наноспутника соответственно, а λx - коэффициент теплопроводности в направлении нормали X каждой грани корпуса наноспутника (табл. 2). Таблица 1 Геометрические размеры конструкции наноспутника Название Материал Размер, мм Материнская плата стеклотекстолит 100х100х1 Плата процессора стеклотекстолит 60х60х0,8 Процессор кремний 24х42х1,3 Память (6 штук) кремний 10х10х1,5 Термопаста Evercool Nano Diamond алмазные микрочастицы 24х42х0,1 Крышка процессора алюминиевый сплав 53х53х0,5 Корпуc наноспутника углепластик 100х100х200 с толщиной листа 1 мм Table 1 Geometrical dimensions of the nanosatellite design Name Material Size, mm Motherboard fiberglass 100х100х1 Processor board fiberglass 60х60х0.8 Processor silicon 24х42х1.3 Memory (6 pcs.) silicon 10х10х1.5 Thermal grease “Evercool Nano Diamond” Diamond microparticles 24х42х0.1 Processor cover Aluminium alloy 53х53х0.5 Nanosatellite case Carbon fiber reinforced plastic 100х100х200 sheet thickness 1 mm Значения тепловой мощности процессора Wpro варьировались в диапазоне 1-100 Вт. Тепловая мощность каждого элемента памяти принималась равной 5 Вт. Задача решена в программе ANSYS в модуле Steady-State Thermal. Настройки нелинейного решателя для радиационного теплообмена использовались по умолчанию. Оценка сходимости показала, что при уменьшении размера конечных элементов в два раза точность решения отличалась не более чем на 5 %. В результате моделирования установлено, что при Wpro менее 6 Вт температура процессора не превышает допустимую. При значениях Wpro процессора 15-20 Вт (класс легких ноутбуков) его максимальная температура Tpro составляет 150-200 °С (рис. 2). В то же время большая часть поверхности корпуса остается холодной и имеет температуру -50-60 °С. Несмотря на то, что температура процессора превышает допустимую, низкая температура корпуса создает предпосылки для отвода на него избыточной теплоты с последующим сбросом ее в космическое пространство. Таблица 2 Теплофизические и оптические характеристики материалов Материал Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·К) Степень черноты ε Стеклотекстолит 0,244 0,9 Кремний 148,0 0,9 Алмазные микрочастицы 8,0 - Алюминиевый сплав 144,0 0,7 Углепластик λx = 0,5; λy = 6,0; λz = 4,0 0,8 Table 2 Thermophysical and optical characteristics of materials Material Thermal conductivity coefficient λ, W/(m·K) Emissivity ε Fiberglass 0.244 0.9 Silicon 148.0 0.9 Diamond microparticles 8.0 - Aluminium alloy 144.0 0.7 Carbon fiber reinforced plastic λx = 0.5; λy = 6.0; λz = 4.0 0.8 Рис. 2. Зависимость максимальной температуры процессора от его тепловой мощности [Figure 2. The dependence of the processor maximum temperature on its thermal power] Накопленный опыт использования КТТ позволяет с оптимизмом рассматривать возможность их применения в пассивной системе терморегулирования наноспутников. Применение процессоров с Wpro более 20 Вт в наноспутнике заданных размеров может быть затруднительно, поэтому при дальнейших расчетах был использован прототип процессора для ноутбуков Intelcorei 7-8650U мощностью 15 Вт. Расчет теплоотвода с помощью контурных тепловых труб Контурные тепловые трубы работают по замкнутому испарительно-конденсационному циклу и используют капиллярное давление для прокачки теплоносителя. Устройство выполнено в виде замкнутого контура, который состоит из испарителя с капиллярно-пористой структурой и конденсатора, соединенными между собой трубопроводами для раздельного циркулирующего движения паровой (паропровод) и жидкостной (конденсатопровод) фаз теплоносителя (рис. 3, табл. 3). Теплота, выделяемая процессором (3), через алюминиевую крышку (4) передается в медный интерфейс (2), внутри которого находится испаритель (1). Для увеличения площади контакта между конденсатором (7) тепловой трубы и внутренней поверхностью стенки корпуса наноспутника (9) применяется термопаста (8). Рис. 3. Схема теплоотвода с помощью контурной тепловой трубы: а - общий вид; б - сборка интерфейса испарителя; в - элементы КТТ; г - схема контакта конденсатора с поверхностью корпуса наноспутника; 1 - испаритель; 2 - интерфейс испарителя; 3 - процессор; 4 - крышка процессора; 5 - плата процессора; 6 - материнская плата; 7 - конденсатор; 8 - термопаста; 9 - корпус наноспутника; 10, 11 - трубопроводы (паропровод и конденсатопровод соответственно) [Figure 3. Processor cooling circuit using a loop heat pipe: a - general view; б - assembly of the evaporator interface; в - loop heat pipe elements; г -contact diagram of the condenser with the surface of the nanosatellite case; 1- evaporator; 2 - evaporator interface; 3 - processor; 4 - processor cover; 5 - processor board; 6 - motherboard; 7 -condenser; 8 - thermal grease; 9 - nanosatellite case; 10, 11 - pipelines (varopline and liquidline respectively)] Таблица 3 Основные конструктивные параметры контурной тепловой трубы Компонент Характеристика Значение, мм Испаритель диаметр длина 8,0 50,0 Конденсатопровод диаметр длина 3,0 68,5 Паропровод диаметр длина 3,0 68,5 Конденсатор диаметр длина 3,0 400,0 Интерфейс испарителя длина ширина толщина 50,0 50,0 10,0 Table 3 Structural parameters of the loop heat pipe Component Characteristic Value, mm Evaporator diameter length 8.0 50.0 Liquidline diameter length 3.0 68.5 Varopline diameter length 3.0 68.5 Condenser diameter length 3.0 400.0 Evaporator interface length width thickness 50.0 50.0 10.0 При построении конечно-элементной модели для корпуса, материнской платы, платы процессора, памяти, интерфейса, термопасты между процессором и крышкой применялся Hex Dominant Method, а для КТТ и слоя термопасты между конденсатором и корпусом наноспутника - Patch Conforming Method и Sweep Method соответственно (рис. 4). Полагалось, что КТТ - монолитное тело с коэффициентом эффективной теплопроводности λef. Точный расчет характеристик КТТ, в частности коэффициента эффективной теплопроводности λef, представляет собой достаточно сложную инженерную задачу [13-19]. Анализ литературы показал, что значение λef может превышать коэффициент теплопроводности алюминия в 10…100 раз. Так, коэффициент эффективной теплопроводности плоской тепловой трубы может изменяться от 10 000 до 17 000 Вт/(м·К) в зависимости от температуры области отвода теплоты [19]. В связи с неопределенностью λef были проведены параметрические исследования его влияния на температурное состояние наноспутника. Исходные данные по геометрическим размерам наноспутника, теплофизическим и оптическим характеристикам материалов принимались такими же, как и в предыдущем примере (табл. 1, 2), а основные конструктивные параметры контурной тепловой трубы были, как в табл. 3. При значениях λef от 5000 до 20 000 Вт/(м·К) температура процессора изменяется незначительно и составляет 65 и 59 °С соответственно, что ниже его допустимой температуры (рис. 5). Температура элементов памяти, расположенных между интерфейсом и конденсатором КТТ, может превышать 100 °С, поэтому на дальнейших этапах проектирования наноспутника необходимо определить более рациональное место расположения элементов памяти на монтажной плате или изменить конструкцию интерфейса КТТ с целью обеспечения для них дополнительного теплоотвода. Рис. 4. Конечно-элементная модель в ANSYS [Figure 4. Finite element model in ANSYS] а б в Рис. 5. Температурное состояние наноспутника при λef = 20 000 Вт/(м·К), d = 3 мм: а - общий вид; б - элементы внутренней компоновки; в - процессор [Figure 5. The temperature state of the nanosatellite at λef = 20,000 W/(m·K): а - general view; б - interior elementsc; в - processor] Для исследования возможности уменьшения массы КТТ проведен расчет температурного состояния процессора с различными диаметрами d трубопроводов и конденсатора (рис. 6). При уменьшении значения d с 3 до 2 мм температура процессора возрастает примерно на 30 °С и может превысить допустимую. Тепловые трубы с диаметром трубопроводов и конденсатора 2 мм и длиной конденсатора 400 мм могут обеспечить заданный тепловой режим процессора при значениях λef, превышающих 10 000 Вт/(м·К). Рис. 6. Зависимость температуры процессора от размеров трубопроводов и конденсатора: 1 - d1 = 2 мм; 2 - d2 = 3 мм [Figure 6. The dependence of the processor temperature on the size of the pipelines and condenser: 1 - d1 = 2 mm; 2 - d2 = 3 mm] Рис. 7. Зависимость температуры процессора от коэффициента теплопроводности λy [Figure 7. The dependence of the processor temperature on the thermal conductivity coefficient λy] Рис. 8. Зависимость температуры процессора от коэффициента теплопроводности λz [Figure 8. The dependence of the processor temperature on the thermal conductivity coefficient λz] Исследовано влияние анизотропии коэффициента теплопроводности в плоскости армирования [20; 21] каждой грани углепластикового корпуса на температурное состояние наноспутника. Расчеты проводились для диаметра трубопроводов и конденсатора d2 = 3 мм и λef = 20 000 Вт/(м·К) (рис. 7, 8). Установлено, что для рассмотренной конструкции λz оказывает более сильное влияние на температуру процессора, чем λy. Увеличение коэффициента теплопроводности в направлении Z каждой грани корпуса (рис. 1) с 4 до 100 Вт/(м·К) уменьшает температуру процессора на 22 °С, а в направлении Y, соответственно, на 5 °С. Следует отметить, что при изменении λz от 4 до 50 Вт/(м·К) процессор охлаждается на 18 °С, и дальнейшее двукратное увеличение λz до 100 Вт/(м·К) уменьшает его температуру всего на 4 ˚С. Заключение Теоретически обоснована возможность применения в наноспутниках контурных тепловых труб для охлаждения процессора с тепловой мощностью 15 Вт (класс легких ноутбуков). Установлено, что при диаметрах трубопроводов и конденсатора 3 мм температура процессора составляет примерно 60 °С в широком диапазоне значений эффективной теплопроводности КТТ. Для рассмотренной конструкции наноспутника желательно применять углепластики с более высоким коэффициентом теплопроводности в направлении Z плоскости армирования каждой грани корпуса, чем в направлении Y. Однако увеличение коэффициента теплопроводности λz с 50 до 100 Вт/(м·К) слабо влияет на изменение температуры процессора.

About the authors

Yu Wang

Bauman Moscow State Technical University (National Research University of Technology)

Author for correspondence.
Email: denisov.sm13@mail.ru

master student of the Department SM13 “Rocket and Space Composite Structures”

5 2-ya Baumanskaya St., bldg. 1, Moscow, 105005, Russian Federation

Oleg V. Denisov

Bauman Moscow State Technical University (National Research University of Technology)

Email: denisov.sm13@mail.ru

associate professor of the Department SM13 “Rocket and Space Composite Structures”, Candidate of Technical Sciences

5 2-ya Baumanskaya St., bldg. 1, Moscow, 105005, Russian Federation

Liliana V. Denisova

Bauman Moscow State Technical University (National Research University of Technology)

Email: denisov.sm13@mail.ru

associate professor of the Department SM13 “Rocket and Space Composite Structures”

5 2-ya Baumanskaya St., bldg. 1, Moscow, 105005, Russian Federation

References

Supplementary files