机载相控阵天线相变储热液冷散热箱的制作方法

本发明涉及一种主要用于航空航天通信、导航等领域中有源相控阵天线，具体涉及一种液冷散热和相变储热结合的相控阵天线箱体。

背景技术

有源相控阵天线重量轻、体积小，天线内部安装有天线、馈线、t/r、电源、冷却等系统诸多电子模块。在实际工作中大部分电子元器件对高温环境要求苛刻，不允许环境温度超过或接近其所能耐受的极限，否则将达不到应有的电性能指标，甚至发生破坏。而有源相控阵天线的热功耗主要集中在t/r组件上，天线阵面可能有几千个t/r组件和几万个功率晶体管，组成了庞大的发热体。因此，如何解决这几千个t/r组件的发热便成了天线热设计最关键的问题，直接影响天线使用性能、寿命和可靠性。

现有系统温升过高，且温度不均匀现象比较严重，移相器最高温升约为30℃，整体温度比空气温度高约5-10℃；与进口空气的温升大于25℃的区域面积占总面积的4.1％，温升大于20℃的区域占总面积的35.5％。有源相控阵多功能雷达进行散热设计时，将闭式强迫风冷系统与天线相结合，风扇将冷空气从底部吸入，并吹向天线两个面的空隙并通过小洞直接冷却天线上的元器件，冷却后的热空气排到底部的热交换器，热交换器的热量通过液冷带走。此冷却系统安装简便，实现方式简单，能满足热流密度并不高的地面相控阵雷达。但随着对探测距离的不断增加，有源相控阵天线的热功耗随之增加，强迫风冷难以满足散热需求，更多的工程研究重点集中在强迫液冷。英国的a.k.agrawa等人对有源相控阵天线封装设计方案时，采用强迫液冷冷板设计。他们将t/r模块、控制单元、电源等模块直接固定在一块铜制冷板上，冷板有两个作用，第一是作为结构固定，第二是散热。冷板的正反两面都有元器件，。为了提高冷板利用效率，两列t/r组件从上下两侧贴着冷板进行散热。为了保持线阵在装配、维修、调试等阶段的独立性以及可扩展性，冷板与框架的导向槽盲插，并在冷板两端设计定位销与框架固定。

随着阵面内集成的电子设备日益密集，天线的集成度和热功耗不断地增加，天线的高组装密度使得热设计变得尤为重要和突出。对于一些大功率的机载相控阵天线，一般采取液冷冷却。由于飞机飞行中可能会遇到各种突发短时的恶劣环境条件，出现供液中断、流量减少或者供液温度增加的情况，导致天线热量不能及时导出，但是天线必须保证持续正常工作。因此需要设计一种合理的散热方案，保证天线在正常工况和短时恶劣工况下，器件的工作温度能维持在允许范围内。

技术实现要素：

本发明针对飞行器飞行过程中短时突发状况导致供液中断、流量减少或者供液温度增加，导致相控阵天线天线热量不能及时导出问题，提供一种散热快、效果好，散热效率高的液冷散热和相变储热结合的相控阵天线箱体。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种机载相控阵天线相变储热液冷散热箱，具有一个设有多个隔板制成槽腔隔槽2的箱体1，且每个槽腔隔槽2用于安装一个电子模块，其特征在于：箱体1底部为散热底座3，散热底座3上层为液冷层4，下层为相变材料层5；所述液冷层4设有s形的液冷流道6、液冷进口7和液冷出口8；相变材料层5设有封闭在液冷层4隔板与箱体底板之间多个小型矩形状的隔框腔体9；液冷流道6利用液冷冷却液流动将热量传出；相变材料层5利用每个隔框腔体9之间相互连通的金属隔框的高换热性把相控阵天线产生的热量快速导至储存在相变材料层5的相变材料中。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

保证天线能持续正常工作。本发明针对飞行器飞行过程中短时突发状况导致相控阵天线出现供液中断、流量减少或者供液温度增加，导致天线热量不能及时导出，普通冷板热容能力不佳的问题，将散热底座3上层设为液冷层4，下层设为相变材料层5，对机载相控阵天线进行散热，正常情况下采用液冷散热，液冷短时故障时利用相变储热，保证即便飞行器飞行过程中短时突发状况出现供液中断、供液减少或者供液温度增加，天线也能正常工作。能够保证天线在正常工况和短时恶劣工况下，器件的工作温度能维持在允许范围内。

散热快、效果好。本发明液冷层4，直接和多个发热模块底部直接接触，在热源至最终散热环境之间提供一条低热阻通道把热量迅速地传递出去。本发明液冷层4采用由液冷流道6进口和出口封闭的s型阵列液冷流道6，在热源至最终散热环境之间提供一条低热阻通道把热量迅速地传递出去。与常规流道的小通道冷板进行对比分析后发现，s型阵列液冷流道6更好解决了散热和压降的问题，满足了t/r组件上表面热流密度为95w/cm2的功率晶体管的散热需求。s型阵列环路液冷流道6利用液冷冷却液的流动性将热量传导到便于散热的空间，

储热快。相变材料层5设有封闭在液冷层4隔板与箱体底板之间多个小型隔框腔体9，每个隔框腔体9之间制有相互连通相邻隔框腔的开孔，每个隔框腔体9之间的金属隔框，用以提高相变材料层5的传热性能，减少相变材料响应时间，降低天线温升。利用金属导热和多种相变温度的相变材料组合取代单一的相变材料，从而形成变温组合的相变储能系统，不仅能加快储能、放能速度，而且热利用效率明显提高。从而解决了短时突发状况导致供液中断、流量减少或者供液温度增加，导致相控阵天线天线热量不能及时导出问题，改善了温度分布均匀性，增强了机载相控阵天线系统散热的效果，提高了机载相控阵天线的可靠性。

天线实际运行表明，t/r移相器组的最高温度下降，整个装备的可靠性得到提高。

附图说明

图1是本发明相控阵天线液冷散热箱体纵向剖视断面示意图。

图2是图1液冷层4横向剖视图。

图3为图1相变材料层5横向剖视图。

图中：1箱体，2槽腔隔槽，3散热底座，4液冷层，5相变材料层，6液冷流道，7液冷进口，8液冷出口，9隔框腔体。

具体实施方式

参阅图1-图2。在以下描述的实施例中，一种机载相控阵天线相变储热液冷散热箱体，箱体材料为铝合金，包括一个设有多个隔板制成槽腔隔槽2的箱体1，每个槽腔隔槽2用于安装一个电子模块。箱体1底部为散热底座3，箱体散热底座3包括上层的液冷层4和下层的相变材料层5。散热底座3上层为液冷层4，液冷层4设有液冷流道6，液冷流道6内有冷却液。液冷层4的液冷进口7、液冷出口8设置在散热底座3外侧，冷却液液冷进口7进入，经液冷流道6并对元器件进行冷却，然后再从液冷出口8排出，冷却液为防冻液。下层为相变材料层5。相变材料层5设有封闭在液冷层4隔板与箱体底板之间多个小型蜂窝状的隔框腔体9，液冷流道6利用液冷冷却液流动将热量传出；相变材料层5利用每个隔框腔体9之间相互连通的金属隔框的高换热性把相控阵天线产生的热量快速导至储存在相变材料层5的相变材料中。相变材料pcm是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。

所述箱体上侧槽腔隔槽2槽内设有多个隔板，隔板将所述槽分割成若干开槽，槽腔隔槽2分别安装天线的若干电子模块，并实现各模块之间相互电磁隔离。

参阅图3。相变材料层5设有封闭在液冷层4隔板与箱体底板之间多个蜂窝状的隔框腔体9，每个隔框腔体9制有相互连通相邻隔框腔的开孔，在相变材料层5灌封相变材料时，相变材料可以通过开孔流动填充到所有隔框腔体9中，相变材料在其相变温度附近发生相变，释放或吸收大量热量。热储存材料、储热方式及其换热系统的选择是非常关键的。相变化材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。理想均匀等速相变能够实现热能的等速率利用，而实现均匀相变的条件是相变温度呈抛物线变化。然而在实际应用中，相变温度从几十度到近千度范围的相变材料有数千种，直接寻找或制造一种相变温度呈抛物线分布的单一相变材料pcm是十分困难甚至是不可能的。用作潜热储存的物质称为相变物质pcm，与显热储存物质比较，它的优点是：体积细小、相变时温度不变、备用时的损耗较少。

本实施例相变材料层5隔框中存储的相变材料为石蜡、不锈钢泡沫片、铜泡沫片和膨胀石墨中的一种相变材料组合，将石蜡、不锈钢泡沫片，铜泡沫片和膨胀石墨中的两种或两种以上相变物质按一定的配比合成多组分的混合相变物质，利用相变物质分子之间的相互作用调节相变温度和相变潜热。利用石蜡的相变温度，相变潜热与碳链长度成正比的关系，通过改变石蜡和膨胀石墨复合相变材料中两种有机物的质量比，来调节相变材料的相变温度范围和相变潜热，减少了相变物质与外界环境的反应，提高了相变材料的稳定性。通过在相变材料中添加导热系数较大的微粒，如不锈钢泡沫片，铜泡沫片、膨胀石墨等以石蜡为相变材料，以石蜡为支撑材料，注入膨胀石墨，用以提高相变材料层导热系数，减少相变材料的响应时间，降低天线温升。本实施例将不锈钢片、铜片膨胀石墨若干不同相变温度的材料组合起来，获得相变过程中相变温度近似抛物线分布，从而近似实现热能的等速率利用。利用相变材料在其物相变化过程中，可以从环境吸收热(冷)量或向环境释放热(冷)量，从而达到能量的储存或释放的目的。当隔框腔体9内的相变材料全部转化为液相后还可以继续吸收热量而升温。当所有隔框腔体9内的相变潜热全部释放后，隔框腔体9内相变材料和出口气流的温度又会随时间的增加而逐步下降。由于所有隔框腔体9内的相变材料在降温过程中会发生相变，其相变潜热的热量很大，因此，该所有隔框腔体9出口的气流温度在一定时间内仍能保持恒。从实验结果可以得出，不同相变材料的合理组合，可以使相变过程的平均传热温差增加，减少了传热过程的不可逆传热温差，从而使相变传热速率提高，增加了传热效率。实验结果表明，与传统单一相变材料的圆柱型储热单元相比，由组合的相变材料储热换热器的储热速率有了一定提高。

本实施例相变材料层5隔框腔体中的相变材料为开孔泡沫铝。

天线的发热模块安装贴合于箱体散热底座3，正常情况下，用液冷层4进行散热，在短时突发供液不足甚至断液时，用相变材料将热量储存，待供液恢复后将热通过液冷层4导出，避免发热模块温升超过许用温度。

应当理解，以上所述的具体事例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，由本发明公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。