Geri Dön

Experimental and numerical study on thermal behavior of space equipment by using two resistor model

Uzayda kullanılan ekipmanların ısıl davranışlarının iki dirençli model ile deneysel ve sayısal incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 782502
  2. Yazar: SİMA ASLIM YAKUT
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGE ÖZDEMİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Electrical and Electronics Engineering, Engineering Sciences, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 139

Özet

Bu çalışmada, Türk Havacılık ve Uzay Sanayii'nin uydu programları çerçevesinde geliştirilen Merkezi Uydu Bilgisayarı (MUB) üzerinde gerçekleştirilen kalifikasyon seviyesi Termal Denge Testi (TBT) ve Simcenter 3D kullanılarak geliştirilen sayısal yöntem anlatılmıştır. Test ve analiz korelasyonu yapılmış, sonuçlar ve öneriler açıklanmıştır. MUB'nın güç modülü olan DGK modülü vakum ortamında test edilmiştir. DGK modülünün seçilmesinin ana nedeni, ısı üretimi, ısı yayılımını ve termal tasarımını değerlendirmektir. Bir DGK modülü (taşıyıcı ve PCB), kapak ve taban plakası bu çalışmaya dahil edilmiştir. PCB üzerinde bulunan her komponentin analize dahil edilmesi çok zaman gerektirir. Bu nedenle sadece 50 mW üzeri ısı yayan komponentler analize dahil edilmiştir. Bu çalışmanın amacı geliştirilen termal analizi doğrulamaktır. Elektriksel anlamdaki bilgileri içermemektedir. DGK modülü bağlantıları AISI 310 paslanmaz çeliği ile gerçekleştirilmiştir. Data sheetlere göre termal pad uygulaması gerekli görülen komponentlerin altına termal pad yerleştirilmiştir. 2 adet komponentin altına tedarik sorunları nedeniyle alüminyum plaka konulması gerekmiştir. Çok ısı yayan DC-DC dönüştürücüleri PCB'nin alt bölgesine yerleştirilmiştir. Isıyı iletmek için bu komponentlerin altında kalan PCB'nin üst yüzeyi bakır olarak bırakılmıştır. Diğer komponentlerin yerleşimi elektriksel kısıtlara göre termal açıdan da birbirlerini ısıtmayacak şekilde yerleştirilmiştir. Taşıyıcı tasarımı ECSS gereksinimleri göz önünde bulundurularak, mekanik dayanımı sağlamak ve ısıyı iletim yoluyla taban plakasına iletmek için özenle yapılmıştır. Taban plakası, tüm kartları destekleyen arka arayüz kartını tutmak, ekipman ısısını uydu paneline atmak için tasarlanmıştır. Aynı zamanda taban plakası kapağı ve taşıyıcıları desteklemek, bir arada turmak ve ısıl iletimi sağlamak için kullanılır. MUB ekipmanı için toplamda 8 adet montaj deliği bulunmaktadır. Uydu paneline ve TVAC'e bu arayüzlerle montaj yapılmaktadır. Uydu sisteminde kullanılacak olan bu ekipman için uzay ortamı termal vakum odasında yansıtılmıştır. Ekipmanın kalifikasyon sıcaklık aralığı [-30°C, +60°C]'dir. Termal denge testi sıcak durumu test etmek için yapılmıştır, çünkü daha önce yapılan termal kamera ölçümlerinde ve analizlerde komponentlerin çok fazla ısındığı gözlemlenmiştir. Termal denge testi Türk Havacılık ve Uzay Sanayii şirketi Uydu Sistem ve Entegrasyon Merkezi'nde (USET) gerçekleştirilmiştir. USET'te bulunan temiz oda içerisindeki HVT400 termal vakum odası ekipman testleri için kullanılmaktadır. Ekipman TVAC içerisine konmadan önce ısıl çift yerleşimi yapılmıştır. Isıl çiftler, 50mW üzeri ısı yayan komponentler üzerine, komponentlerden 1 mm uzağa PCB üzerine, civata bağlantılarına yakın yerlere, kapağa ve taban plakası üzerine yerleştirilmiştir. Toplamda 33 adet ısıl çift ekipman üzerine yerleştirilmiştir. DGK modülü termal vakum odası içerisinde bulunan plaka üzerine uygun arayüzler kullanılarak monte edilmiştir. Gerekli kontroller ve bağlantılar yapıldıktan sonra kapı kapatılmıştır. İlk olarak basınçlandırma işlemi yapılmıştır. Oda içerisindeki basınç 10^-5 mbar'a kadar düşürülmüştür. Belirli güç konfigürasyonlarında 60°C için test gerçekleştirilmiştir. Termal denge kriteri, 60°C için 0,5°C/saat olarak belirlenmiştir. Isıl çiftlerden veriler okunmuş, oda sıcaklığı ve bacınç normal duruma getirilmiş ve kapı açılmıştır. Analiz, Simcenter 3D yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Termal/Akış çözücüsü termal analizin çözümü için seçilmiştir. Uzay Sistemleri Termal çözücüsü (space system thermal) konveksiyonu yok sayarak, uzay ortamı için uygun çözüm ortamı oluşturmaktadır. Simcenter 3D yazılımının elektronik ekipmanlar için avantajlarından biri PCB malzeme özelliklerinin hesaplanabilmesidir. PCB katmanları, yalıtkan ve bakır malzeme oranları ve yerleşimleri görülebilirken, termal iletkenlik katsayısı yazılım tarafından hesaplanır. Otomatik ağ yapısı oluşturma özelliği sayesinde PCB ve komponentler 2 boyutlu olarak otomatik oluşturulur. Analiz yöntemi olarak kompakt modelleme yöntemleri arasından iki dirençli modelleme yöntemi seçilmiştir. Bu yöntemin seçilmesindeki amaç basit ve datalara ulaşmanın nispeten kolay olmasıdır. İki dirençli modelleme için Simcenter 3D 2 farklı yöntem sunmaktadır. İlki; bağlantı yerinden kasaya ve bağlantı yerinden karta olan dirençler, ikincisi: bağlantı yerinden kasaya ve kasadan karta olan dirençlerdir. Bu direnç değerleri JEDEC standartlarına göre hesaplanmaktadır. Bu dirençler komponent veri sayfalarından veya üretici firmalardan tedarik edilmektedir. Bu çalışmada bağlantı yerinden kasaya ve kasadan karta olan dirençler kullanılarak analiz modeli oluşturulmuştur. Bu direnç değerleri veri sayfalardan ve üreticilerden elde edilmiştir. Bulunamayan değerler için çeşitli varsayımlar yapılmıştır. Modelleme için gerekli diğer parametreler bağlantı noktası maksimum sıcaklık değeri, kasa maksimum sıcaklık değeri ve ısı yayınım değeridir. Bağlantı noktası maksimum sıcaklık değeri ve kasa maksimum sıcaklık değeri genellikle veri sayfasından elde edilir. Isı yayınım değerleri Türk Havacılık ve Uzay Sanayi şirketinde çalışan kart tasarım ekibinden elde edilmiştir. Isı yayınım değeri hesaplaması bu tez çalışmasına dahil edilmemiştir. Sonrasında, analize sınır koşulları girilmiştir. Ortam sıcaklığı, termal plaka sıcaklığı ve radyasyon sınır koşulu olarak verilmiştir. Radyasyon hesaplanabilmesi için muhafaza radyasyonu özelliği kullanılarak görünüm faktörleri hesaplanmıştır. Komponentlerin, alüminyum parçaların ve PCB'nin yayınım değerleri analize dahil edilmiştir. Komponent ve PCBlerin yayınım değerleri için literatür araştırması yapılmış ve 0,8 olarak analize dahil edilmiştir. Alüminyum parçaların yayınım değeri 0,05 olarak bulunmuş ve analize dahil edilmiştir. Ekipmanın açık olan tarafı ve kapalı olan tarafı için 3 ayrı görünüm faktörü değeri hesaplanmış ve analize eklenmiştir. Malzemeler arasındaki iletkenlik değeri arada kalan boşluğun malzemesine, yüzey pürüzlülüğüne, malzemeye, yüzey sonlandırma yöntemine ve iki yüzeyin birbirine uyguladığı basınca bağlıdır. Bu değerler genellikle deneysel olarak elde edilmektedir. Araştırmalar sonucu çelik, alüminyum ve bakır için birçok iletkenlik değeri bulunmuştur. Türk Havacılık ve Uzay Sanayi'de daha önce gerçekleştirilen deneysel çalışmaların sonucu bir öngörü oluşturması amacıyla analize girdi olmuştur. Isı transfer katsayısı ve termal pad kullanılan alanlar için termal dirençler tanımlanmıştır. Çeşitli iterasyonlar yaparak optimize sonuçlar elde edilmiştir. Son olarak çeşitli iterasyonlar sonucunda analiz kabul edilebilir bir düzeye ulaşmıştır. Elektronik ekipman üreten farklı firmalardan ve yurtdışında alınan eğitimlere göre test ve analiz sonuçları arasındaki fark %10 olarak belirlenmiştir. %10 fark elektronik ekipman termal analizleri için kabul edilebilir bir farktır. Bu, ekipman termal analizi yapan şirketler arasında kabul görmüş bir değerdir. Sonuç olarak, analiz ve test sonuçlarının korelasyonu tamamlanmıştır.

Özet (Çeviri)

In this study, the qualification level Thermal Balance Test (TBT) performed on the On-Board Computer (OBC) developed within the framework of the satellite programs of the Turkish Aerospace is explained. The numerical solution developed using Simcenter 3D is explained. Test and analysis correlations are made, results and recommendations are explained. The IPS module, the power module of the OBC, has been tested in a vacuum environment. The main reason for choosing the IPS module is to evaluate heat generation and heat dissipation and thermal design. A IPS module (carrier and PCB), cover and baseplate are included in this work. It takes a lot of time to include every component on the PCB in the thermal analysis. For this reason, only components that emit heat above 50 mW are included in the analysis. The aim of this study is to validate the thermal analysis. This study does not contain electrical information. IPS module connections were chosen as AISI 310 stainless steel. According to the data sheets, thermal pads are placed under the components that require thermal pad application. In addition, thermal pad was applied between the carrier and the baseplate. Aluminum bulk structures had to be placed under 2 components due to supply problems. The DC-DC converters, which dissipate a lot of heat, are located in the lower part of the PCB. In order to conduct heat, the upper surface of the PCB under these components is left as copper. The layout of the other components is placed in such a way that they do not heat each other thermally according to the electrical constraints. The carrier design has been meticulously made with ECSS requirements in mind, to ensure mechanical strength and transfer heat to the baseplate by conduction. The baseplate is designed to hold the backplane and supporting all boards, dissipating the equipment heat to the satellite panel. It is also used to support the baseplate cover and carriers, hold them together and provide thermal conduction. There are 8 mounting holes in total for OBC equipment. The equipment is designed with these interfaces to be mounted on the satellite panel and the thermal plate in the thermal vacuum chamber. For this equipment to be used in the satellite system, the space environment is reflected in the thermal vacuum chamber. The qualification temperature range of the equipment is [-30°C, +60°C]. Hot case of qualification level was tested within the scope of this thesis. The thermal balance test was performed for the hot case, because in previous thermal camera measurements and analysis showed that the components were overheated. The thermal balance test was carried out at the Assembly, Integration and Test Center (AIT) of the Turkish Aerospace company. The HVT400 thermal vacuum chamber inside the clean room at AIT is used for equipment testing. Thermocouple placement was done before the equipment was put into the TVAC. Thermocouples are placed on components that emit heat above 50mW, on the PCB 1 mm away from the components, near the bolt connections, on the cover and on the baseplate. A total of 33 thermocouples are placed on the equipment. The IPS module is mounted on the plate in the thermal vacuum chamber using appropriate interfaces. After the necessary checks and connections are made, the door is closed. First, the pressurization process was carried out. The pressure in the chamber was reduced to 10-5 mbar. Tests were performed for 60°C with certain power configurations. Thermal stabilization criteria was determined as 0,5°C/hour for 60°C. The thermocouples data were read, the room temperature and pressure were normalized, and the door was opened. Analysis was performed using Simcenter 3D software. The Thermal/Flow solver was chosen for the solution of the thermal analysis. The Space Systems Thermal Solver ignores convection and creates a suitable solution environment for the space environment. One of the advantages of Simcenter 3D software for electronic equipment is that PCB material properties can be calculated. PCB layers, percentage of dielectric and copper material and layout can be seen, therefore the thermal conductivity is calculated by the software. Thanks to its automatic meshing feature, PCB and components are created automatically in 2D. As the analysis method, two resistor thermal modeling method was chosen among the compact modeling methods. The purpose of choosing this method is that it is simple and the data can be easily accessed. Simcenter 3D offers 2 different methods for modeling with two resistors. First; resistors from junction to case and from junction to board; the second: the resistors from junction to case and from case to board. These resistance values are calculated according to JEDEC standards. These resistors are supplied from component data sheets or manufacturers. In this study, an analysis model was created by using the resistors from junction to case and case to board. These resistance values were obtained from datasheets and manufacturers. Various assumptions were made for the values that could not be found. Other parameters required for modeling are maximum junction temperature, maximum case temperature, and heat dissipation of the components. The maximum junction temperature value and the maximum case temperature value are usually obtained from the datasheet. The heat dissipation values were obtained from the hardware design team working in the Turkish Aerospace company. The heat dissipation value calculation is not included in this thesis. Afterwards, boundary conditions were entered into the analysis. Ambient temperature, thermal plate temperature and radiation are given as boundary conditions. In order to calculate the radiation, the emissivity values of the components, aluminum parts and PCB were included in the analysis. View factors were calculated with the help of enclosure radiation property of Simcenter 3D. Three separate view factor values were assigned for the open sides and the closed side of the equipment. The conductivity value between materials depends on the material to fill the gap, surface roughness, material, surface finishing method and pressure. These values are usually obtained experimentally. As a result of the researches, many conductivity values were found for steel, aluminum and copper. Optimized results were obtained by performing several iterations. Finally, the analysis was reached to an acceptable level as a result of various iterations. The difference between test and analysis results is determined as 10% for acceptable level. This is well accepted value among the companies which conduct equipment thermal analysis. As a result, the correlation of analysis and test results has been completed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    855296

    Design, methodology development and production of composite cryogenic liquid oxygen tank for space applications

    Uzay uygulamalarına yönelik kompozit kriyojenik sıvı oksijen tank tasarımı, metodoloji geliştirilmesi ve üretimi

    RECEP UFUK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE

    DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU

  2. Tez No

    75285

    Soğuk hava jetinin sayısal olarak modellenmesi

    Başlık çevirisi yok

    UĞUR SERTAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU

  3. Tez No

    371884

    Investigation of the effect of phase change materials on the performance of household refrigerators

    Faz değişken malzemelerin ev tipi buzdolaplarının performansına olan etkisinin incelenmesi

    ÇAĞLAR COŞKUN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÜNVER ÖZKOL

  4. Tez No

    863512

    High temperature driven optimization of a hybrid rocket graphite nozzle design

    Hibrit roket nozul tasarımının yüksek sıcaklık dayalı optimizasyonu

    ŞULE ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL

  5. Tez No

    444191

    Optimum design of helix ground heat exchangers for heat pump applications

    Isı pompası uygulamaları için helis tipi toprak ısı değiştiricilerinin optımum tasarımı

    BABAK DEHGHAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HACI OSMAN ALTUĞ ŞİŞMAN

Geri Dön