相變技術在T/R組件溫控中的應用

彭思平， 顧網(wǎng)平， 王燕玲， 蔣海峰

(上海無線電設備研究所， 上海 200090)

相變技術在T/R組件溫控中的應用

彭思平， 顧網(wǎng)平， 王燕玲， 蔣海峰

(上海無線電設備研究所， 上海 200090)

針對彈載T/R組件溫控技術要求，研究相變溫控技術解決方案。通過將相變材料填充在鋁合金冷板內(nèi)，研制相變蓄熱冷板。建立T/R組件的熱仿真模型，確定相變材料的儲量和相變溫度，研究相變材料在相變蓄熱冷板內(nèi)的封裝及溫控技術。研究表明，在T/R組件表面安裝相變蓄熱冷板，能有效延長T/R組件溫升到某溫控點的時間。

相變； 組件； 溫控

0 引言

電子設備的熱控制極為重要，其內(nèi)裝芯片可靠性及使用壽命與工作溫度關系極為密切。美國空軍調(diào)查結果表明，超過55%的電子設備故障由溫度因素引起。為保證電子產(chǎn)品正常運行，需使內(nèi)裝芯片工作溫度維持在一定范圍內(nèi)，溫度過高或過低，電子元件性能都會受到影響。據(jù)試驗統(tǒng)計：芯片溫度每升高1 ℃，其運行可靠性降低3.8%，而芯片溫度每下降10%，其壽命增加50%。此外，芯片表面溫度均勻性對芯片工作性能也有較大影響。為解決抗熱沖擊和散熱問題給電子技術發(fā)展帶來的瓶頸，圍繞電子設備向微型化、高集成化和大功率化發(fā)展過程中的多元化散熱技術被提出并進行了工程化應用試驗。

T/R組件是彈載相控陣雷達導引頭的核心部件，單機數(shù)量多且價格昂貴，組件內(nèi)大功率芯片分布密集。導引頭開機后，組件溫升速率快，如果散熱不好，溫度不能控制在一定范圍內(nèi)，將導致組件過熱甚至燒毀。

針對彈載T/R組件的散熱，本文提出利用相變蓄熱冷板，對T/R組件實施相變溫控。相變溫控的工作原理是：組件工作過程中，熱量以一定的熱流密度傳給相變蓄熱冷板，當冷板溫度高出相變材料的熔點時，相變材料便開始熔化，吸收、儲存與相變材料熔化潛熱相當?shù)臒崃?，使溫度保持在熔點附近，達到控制組件溫升的效果。

相變溫控因蓄熱冷板結構緊湊、性能可靠、經(jīng)濟節(jié)能，正逐漸成為溫控領域應用研究的熱點。本文根據(jù)T/R組件溫控技術要求，建立熱仿真模型，研制相變蓄熱冷板，并進行相關溫控試驗，結果表明：利用相變蓄冷板實施相變溫控，能有效延長T/R組件溫升到某溫控點的時間[1]。

1 T/R組件溫控要求與熱仿真模型建立

1.1T/R組件溫控要求與實施方案

T/R組件工作時，要求組件從50 ℃溫升到90 ℃時長不低于140 s。實驗測得單條T/R組件從50 ℃溫升到90 ℃時長約96 s，需延長溫升時間近50 s。

根據(jù)上述要求，采用了在T/R組件表面安裝相變蓄熱冷板，通過冷板內(nèi)材料的相變蓄熱達到溫控的方案。該方案實施需對相變材料選擇，T/R組件熱仿真，相變材料儲量計算，材料相變溫度確定，以及封裝結構和工藝進行研究，技術方案如圖1所示。

圖1 相變技術在T/R組件溫控上應用方案

1.2T/R組件熱仿真模型建立

要確定相變材料儲量、相變溫度，判斷材料是否相變充分，首先要建立熱仿真模型。熱仿真模型建立的依據(jù)是組件的發(fā)熱功率。發(fā)熱功率可根據(jù)各芯片額定功率與發(fā)熱效率進行計算。本文按圖2所示原理圖建立測試平臺，通過測量并采集T/R組件表面溫度，實現(xiàn)對組件溫度測試，并得出溫升隨時間的變化規(guī)律曲線如圖2所示。

圖2 T/R組件發(fā)熱效率測試原理圖

圖3 T/R組件工作時表面溫升隨時間的變化情況

以圖3所示溫升曲線為擬合目標曲線，對T/R組件內(nèi)部結構進行建模。首先進行結構建模，將T/R組件分為T/R組件殼體、T/R組件蓋板、發(fā)熱源三部分，結構示意圖如圖4所示。

圖4 T/R組件熱仿真結構示意圖

在該組件結構中，T/R組件基板為發(fā)熱源。以發(fā)熱源功率為載荷條件建立熱仿真模型，通過調(diào)整發(fā)熱源功率，進行溫度場模擬，得出某一功率條件下，30，60，90，120，150，180 s時T/R組件蓋板表面的溫度曲線與試驗溫升曲線基本一致，如圖5所示[2-3]。

圖5 某功率條件下仿真溫升曲線與試驗溫升曲線

其中，150 s時的溫度場如圖6所示。后續(xù)相變過程仿真將以該模型及特定功率條件開展。

圖6 150 s時的T/R組件熱仿真模型(溫度：℃)

2 相變材料儲量計算與相變溫度確定

2.1相變材料儲量計算

要研制滿足儲熱要求的相變蓄熱冷板，必須充分考慮材料的儲量(既介質(zhì)質(zhì)量)。相變蓄能材料的儲量ME可表述為

(1)

式中：Qh為電子發(fā)熱組件的發(fā)熱功率；tsh為電子發(fā)熱組件的溫升時間；ηt為熱效率；cps為相變蓄能材料的固相變熱容；cpl為相變蓄能材料液相變熱容；Ti為相變蓄能材料的初始溫度；Tm為相變蓄能材料的相變溫度；Te為相變蓄能材料的最終溫度。此外，封裝相變材料的鋁合金殼體也有一定蓄熱功能，計算時還要考慮封裝相變材料的鋁合金殼體的比熱、體積等因素。式(1)由于多個量無法測得，實際計算可按能量守恒進行簡化，可得式(2)。

Qhtsh=cAlMAlΔT+cpsMp(Tm-Ti)+

cpl(Te-Tm)+LMp

(2)

式中：cAl為鋁的比熱；MAl為鋁的質(zhì)量；Mp為相變材料的儲量；L相變材料的潛熱。將相關數(shù)據(jù)代入式(2)，可計算出需要相變材料儲量。

2.2相變材料相變溫度確定

在相變蓄熱冷板上施加熱載荷，對填充不同相變溫度材料的冷板進行熱仿真，得出相關部位溫度情況見表1所示。

表1 封裝不同相變溫度材料時蓄熱冷板表面溫度表

從表1可以看出：

a) 填充相變溫度為90 ℃的材料時，T/R組件工作150 s后，相變蓄熱冷板的底板溫度已達90.9 ℃，蓋板的表面溫度僅為54.9 ℃，表明材料相變不夠充分，其相變潛熱沒有充分發(fā)揮；當時間持續(xù)到240 s后，相變蓄熱冷板的底板溫度已達109.0 ℃，蓋板的表面溫度為63.5 ℃，仍未達到材料相變溫度；

b) 填充材料相變溫度為70 ℃時，得出150 s后，相變蓄熱冷板底板溫度為85.5 ℃，蓋板的表面溫度為64.9 ℃，說明相變材料還沒完全相變，相變潛熱沒有充分發(fā)揮；當時間持續(xù)到240 s時，相變蓄熱冷板的底板溫度達93.5 ℃，與T/R組件最高工作溫度90 ℃相當，蓋板的表面溫度為71.8 ℃，與相變材料的相變溫度接近。

綜上所述，材料相變溫度在90 ℃時，潛熱得不到充分發(fā)揮；相變溫度在70 ℃時，相變材料能較好符合應用工況。本文研究了材料相變溫度為70 ℃的應用。

3 T/R組件相變蓄熱冷板研制

3.1相變蓄熱冷板結構設計

彈載T/R組件工作時間短，為使相變材料在短時間內(nèi)充分發(fā)揮相變潛熱，需要充分考慮冷板材料及結構的熱傳遞性能。在材料導熱系數(shù)確定的情況下，冷板結構設計主要從熱傳遞結構上著手，兼顧抗變形、工藝可行以及安全可靠等因素。冷板殼體內(nèi)部結構如圖7所示的，殼體與蓋板連接采用了真空釬焊工藝。

圖7 冷板殼體內(nèi)部結構

3.2相變材料在蓄熱冷板內(nèi)的灌注工藝

相變材料在冷板內(nèi)的封裝采用針筒注射灌注方法，將熔化的相變材料從相變蓄熱冷板注入口注入，待出口有融化的相變材料溢出后，停止注射。注射采用一進一出方式，灌注時整個冷板處于80 ℃～100 ℃的環(huán)境下，相變材料流動路徑如圖8所示。采用該方式，能有效解決相變材料灌注問題。

圖8 灌注時材料流動路徑示意圖

3.3相變蓄熱冷板封口工藝與封口結構

相變材料熔化后，體積膨脹會產(chǎn)生巨大的膨脹力，破壞封裝結構，發(fā)生滲漏。本文研究采用“熱封裝”工藝，使材料在冷板腔體內(nèi)溫度大于最高使用溫度狀態(tài)下進行密封。

4 T/R組件相變溫控試驗

為進一步驗證相變溫控冷板對T/R組件的溫控效果，分別對單條T/R組件以及由18條T/R組件組成的半陣面天線進行了溫控效果驗證。測得單條T/R組件安裝相變蓄熱冷板前后溫升情況如圖9所示。

圖9 單條T/R組件及與冷板組裝后溫升曲線

測得18條T/R組件組成的半陣面天線安裝相變蓄熱冷板前后平均溫升曲線如圖10所示。

圖10 半陣面天線T/R組件溫升曲線

從圖9、圖10可以看出，單條T/R組件與相變蓄熱冷板組裝后，T/R組件表面溫度從室溫升到接近最高耐受溫度(約93 ℃)共歷時240 s。其中，從50 ℃升到接近最高耐受溫度歷時約165 s，與不安裝冷板歷時96 s相比，溫升時段延長了69 s，滿足T/R組件對溫度的承受要求。

將相變蓄熱冷板與T/R組件組裝拼成半陣面天線后，T/R組件表面溫度從室溫升到接近最高耐受溫度(約93 ℃)共歷時225 s。其中，從50 ℃升到接近最高耐受溫度歷時約163 s，與單條T/R組件安裝冷板溫升長接近，與不安裝冷板歷時96 s相比，溫升時段延長了67 s，仍滿足T/R組件對溫度的承受要求，溫升時間對照詳見表2。

表2 T/R組件溫升時間對照表

分析表2中的數(shù)據(jù)、變化情況及規(guī)律，可以看出：

a) 系統(tǒng)溫升在到達50 ℃之前，由于封裝相變材料及鋁合金盒體具有一定熱容量，吸收了部分熱量，延遲了系統(tǒng)溫升到50 ℃的時間；

b) 半陣面開始工作后，相比單條T/R組件，溫升達到最高耐受溫度(約93 ℃)的時間提前了15 s，原因是各組件工作后，一部分熱量在導引頭內(nèi)產(chǎn)生了疊加效應，既一條T/R組件對其余組件施加了熱效應，縮短了溫升時長；

c) 安裝冷板后，單條T/R組件與半陣面天線表面溫度從50 ℃升到接近最高耐受溫度時長基本接近，說明相變材料總體蓄熱能力得到了發(fā)揮[4]。

5 結論

本文對彈載T/R組件的相變溫控技術進行了研究，研究表明：熱仿真模型可根據(jù)實際T/R組件工作發(fā)熱溫升情況建立；根據(jù)熱仿真模型及能量守恒關系，可有效計算封裝在相變蓄熱冷板內(nèi)的材料相變溫度和儲量；通過真空釬焊、針筒灌注、小孔密封等措施可有效解決相變蓄熱冷板的連接和封裝問題；利用在T/R組件表面安裝相變蓄熱冷板能有效延長T/R組件溫升時長。

[1] 張仁元. 相變材料與相變蓄能技術[M]. 北京：科學出版社， 2009： 365.

[2] 房叢叢. 相變蓄熱裝置的數(shù)值模擬與優(yōu)化[D]. 濟南：山東建筑大學， 2009： 23-24.

[3] 彭科. ANSYS在T/R組件熱模型的放置研究[D]. 成都：電子科技大學， 2006： 18-19.

[4] 滿亞輝. 相變潛熱機理及其應用技術研究[D ]. 長沙：國防科技大學， 2010： 22.

PhaseChangeTechnologyanditsApplicationonT/RModule’sThermalControl

PENGSi-ping,GUWang-ping,WANGYan-ling,JIANGHai-feng

(Shanghai Radio Equipment Research Institute， Shanghai 200090， China)

To meet the requirements of the T/R Module’s thermal control, the Phase Change Material (PCM) and its property of storing heat while phase change was made as a solution. A phase change heat storage cold plate was manufactured while PCM was packaged in an Aluminum alloy plate. To definite the reserve of PCM and the phase change temperature, a simulation model of T/R Module was established. In addition, the encapsulated technology and the thermal control of phase change heat storage cold plate was studied. Results show that the cold plate can prolonged the time to a reach a certain temperature point of T/R medule while it works.

phase change; module; thermal control

1671-0576(2017)02-0051-05

2016-10-20

彭思平(1976-)，男，碩士，高級工程師，主要從事航天產(chǎn)品制造工藝研究。

V464

A