CN103747653B - T/r组件的散热结构及结构中热管的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种T/R组件的散热结构及结构中热管的设计方法，其特征在于：T/R组件通过螺钉固定在冷板上，冷板的上部设有散热片，与固定T/R组件相对的冷板的另一面板上设有热管；所述热管为以蛇形弯曲形状盘绕在冷板上，一端焊接在冷板的底端，另一端与散热片的顶端焊接；所述T/R组件的底面与冷板完全贴合。本发明采用热管作为传热件，将T/R组件的热量传导至散热片。为了保证T/R组件的良好散热，T/R组件的发热面直接贴在发射子阵冷板上，热管分布在冷板背面，T/R组件的发热量直接传导到发射子阵冷板上，再由热管把热量传导到上部散热片，然后由位于散热片上部的风机带走热量。

Description

T/R组件的散热结构及结构中热管的设计方法

技术领域

本发明属于热控制技术领域，是基于热管导热的方式，使用热管将集中的热量传导至散热齿片，具体涉及一种T/R组件的散热装置及装置中热管的设计方法，用于对T/R组件进行散热处理，实现T/R组件正常连续工作。

背景技术

当今雷达发展的一个重要方向是增大雷达作用距离，提高雷达测量精度，有效对抗各种杂波及低可观测目标。而无论何种频段何种用途的有源相控阵雷达，其每个或数个辐射单元后均接有一个固态的T/R组件，一部有源相控阵雷达少则几百个，多则几千个T/R组件，所以设计制造出尺寸小、重量轻、成本低、性能优良、可靠性高的T/R组件是实现和保证雷达整机性能的关键所在。

T/R组件主要由数控移相器和功率放大链组成。数控移相器是为了实现天线波束的相控扫描而设置的；功率放大链由两级功率放大器组成，主要功能是完成射频激励信号的功率放大并经隔离器送至阵列天线辐射单元。目前国内多采用基于单片集成电路(MMIC)的微带混合集成电路技术，在满足性能指标的同时可以最大限度的减小系统的体积和复杂程度，大大提高其可靠性，因此，鉴于我们目前的工艺水平、MMIC单片技术的现状以及T/R组件的指标要求，利用已成熟的MMIC单片混合平面集成电路技术制作T/R组件是一种切实可行的方案，在此基础上设计出来的T/R组件体积小，但是热密度器件多，热量相对比较集中，因此T/R组件能否正常工作取决于该组件的热量能否合理导出。

热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。由热管组成的热管式散热器具有传热效率高、结构紧凑、流体压降小等优点。尤其是重力热管因其简单的结构及经济的成本得到了广泛的应用，其散热工作原理是：热管受热侧吸收热量，并将热量传给管内工质(液态)，工质吸热后以蒸发与沸腾的形式转变为蒸汽，蒸汽在压差作用下上升至放热侧，同时凝结成液体放出汽化潜热，热量传给放热侧的冷流体，冷凝液体依靠重力回流到受热侧。由于热管内部抽成真空，所以工质极易蒸发与沸腾，热管起动迅速。热管式散热器在冷、热两侧均可装设散热片，以强化传热。

该T/R组件是固态发射单元，而且距离比较近(间距只有1mm)，同时T单元表面热流密度达到了6W/cm2，在常用冷却方法中，空气强制对流(风冷)散热的表面热流密度最大只有0.6W/cm2(温升40度)，故该T/R组件的表面热流密度超过了普通空气强制对流的散热能力。而要保证该T/R组件的核心器件在高温55℃环境下正常工作，其表面温度不能高于85℃(温升30℃)，这样需要对该T/R组件采取有效的热控技术措施。

在T/R组件常规采用的散热方式中，目前在国内采用的冷却方法有强迫风冷、液冷和蒸发冷却等，强迫风冷散热能力有限，液冷和蒸发冷却设备复杂、体积较大、易渗漏等缺点。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种T/R组件的散热装置及装置中热管的设计方法，基于热管式散热器和风冷相结合的散热方式，将T/R组件的热量传导至散热片，再通过风冷进行散热，用于解决T/R组件高密度大功率条件下的散热问题，本结构体积小、重量轻，效率高，能够满足恶劣环境下T/R组件使用要求。

技术方案

一种T/R组件的散热装置，其特征在于包括冷板2、散热片4和热管3；T/R组件通过螺钉固定在冷板2上，冷板2的上部设有散热片4，与固定T/R组件相对的冷板2的另一面板上设有热管3；所述热管3为以蛇形弯曲形状盘绕在冷板2上，一端焊接在冷板2的底端，另一端与散热片4的顶端焊接；所述T/R组件的底面与冷板2完全贴合。

所述热管3内的传导工质为水。

所述T/R组件采用表面镀金工艺。

所述冷板2、热管3和散热片4为相同的材质。

所述冷板2、热管3和散热片4为为铜材。

一种用于所述T/R组件的散热装置中热管的设计方法，其特征在于：

步骤1、根据散热器最大导热量计算单根热管的导热极限：其中：Φ_max为最大导热量，N为热管数量；

步骤2、计算管壁：其中：p和P分别为最大内压和外压，单位为Pa；d为热管外径，单位为m；[σ]为材料许用应力，单位为N/m²；C为附加的厚度，按压力容器规范选取；

步骤3、计算热管内径：d_v＝d₀-2(δ+δ_w)，其中：d₀为热管外径，单位为m；δ为壁厚，单位为m；δ_w为吸液心厚度，单位为m；δ_w参照铜水管中工作液的基本流体参数得到；

所述单根热管的导热极限公式为其中：K为渗透率，单位为m²；r_c为蒸发段水力半径，单位为m；A_w为吸液心和蒸汽通道的横截面积，单位为m²；l_ef为热管的有效长度，单位为m；N_f为工质的品质因数，单位为W/m²；

所述其中：ρ_i为蒸汽密度，单位为kg/m²；σ_i为表面张力，单位为N/m；L为汽化潜能，单位为J/kg；μ_l为工质液体和蒸汽的动力黏度，单位为kg/(m·s)。

有益效果

本发明提出的一种T/R组件的散热装置及装置中热管的设计方法，采用热管作为传热件，将T/R组件的热量传导至散热片。为了保证T/R组件的良好散热，T/R组件的发热面直接贴在发射子阵冷板上，热管分布在冷板背面，T/R组件的发热量直接传导到发射子阵冷板上，再由热管把热量传导到上部散热片，然后由位于散热片上部的风机带走热量。

与现有技术相比，本发明基于热管与风冷相结合的散热方式具有如下特点：

(1)与现有的T/R组件常见的散热方式相比，散热装置相对独立，不受组件的外形影响，环境适应性强，并具有体积小、重量轻的特点。

(2)该方式散热效率高，温度一致性较好，可靠性高。

附图说明

图1是本发明基于热管式散热器装置示意图；

图2是本发明基于热管式散热器和风冷相结合的散热方式在某雷达T/R组件应用示意图；

1-T/R组件，2-冷板，3-热管，4-散热片，5-螺钉，6-收发组件，7-风机，8-壳体。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参照附图，对本实施例基于热管式散热器装置以及基于热管式散热器和风冷相结合的散热装置在某T/R组件应用具体实施方式进行详细叙述。

参见图1,本实施例采用热管导热形式，由5个T/R组件1，冷板2，热管3，散热片4等组成，5个T/R组件1通过螺钉5固定在冷板2上，使其底面完全与冷板2贴合，同时热管3的一端焊接在冷板2的背面，另一端与散热片4焊接，这样5个T/R组件1，冷板2，热管3，散热片4就焊接组装成一个独立的收发组件6。为了有较好的导热率，每个T/R组件采用表面镀金工艺，冷板2采用与热管3和散热片4相同的材质，均为铜材，以降低热阻，提高散热效果。

参见图2，本发明在某T/R组件中应用，60个收发组件6沿圆周方向布置，风机7安装在壳体8上，壳体8上设计有通风风道。工作时，每个T/R组件1产生的热量，通过与冷板2的贴合面将热量传递到冷板2上，使冷板2温度升高，此时冷板2背面的热管3迅速将热量传导至散热片4上，再通过散热片4自身散热和风机7进行风冷将热量带走，从而降低每个T/R组件1的壳体表面温度，使其达到正常的工作温度。

在本实施例中，热管工质采用水，水在100℃物理特性的数据查附录得：ρ_i＝958.4(kg/m²)；σ_i＝5.88X10^-2(N/m)；μ_l＝2.88X10^-4(kg/(m·s))；L＝540X4187(J/kg)；则N_f＝44.24X10⁷(kW/m²)；K＝5.5X10^-11(m²)。

最大单根热管的导热极限时，热管为水平放置。热管的有效长度为0.12m。

在该项目设计中，将上述数据代入公式中可得到单根热管的导热极限为：Φ_cmax＝37.2W；TR组件最大峰值热量为105W(单个热源25W)，由于部分热管要通过三个热源，所以为防止过热源多的热管达到沸腾限，需要增加2个热管分担一部分热量，故整个散热器选用5根热管导热，通过公式和d_v＝d₀-2(δ+δ_w)可知需用热管的壁厚为0.3mm，热管内径直径为6mm。

按照本发明装置及实现方法设计的收发组件6应用表明：本发明的T/R组件热控技术及实现方法合理、可行和适用，能够迅速有效降低T/R组件的表面温度，并且该散热方式工作可靠，温度一致性高、重量轻，满足T/R组件在高温55℃环境条件下，其表面温度小于温升30℃要求，保证雷达正常工作。

Claims (1)

1.一种T/R组件的散热装置中热管的设计方法，所述的T/R组件的散热装置包括冷板(2)、散热片(4)和热管(3)；T/R组件通过螺钉固定在冷板(2)上，冷板(2)的上部设有散热片(4)，与固定T/R组件相对的冷板(2)的另一面板上设有热管(3)；所述热管(3)为以蛇形弯曲形状盘绕在冷板(2)上，一端焊接在冷板(2)的底端，另一端与散热片(4)的顶端焊接；所述T/R组件的底面与冷板(2)完全贴合，所述热管(3)内的传导工质为水，所述T/R组件采用表面镀金工艺，所述冷板(2)、热管(3)和散热片(4)为相同的材质，所述冷板(2)、热管(3)和散热片(4)为铜材，其特征在于：

步骤1、根据散热器最大导热量计算单根热管的导热极限：其中：Φ_max为最大导热量，N为热管数量；

步骤2、计算管壁厚度：其中：p和P分别为最大内压和外压，单位为Pa；d为热管外径，单位为m；[σ]为材料许用应力，单位为N/m²；C为附加的厚度，按压力容器规范选取；

步骤3、计算热管内径：d_v＝d₀-2(δ+δ_w)，其中：d₀为热管外径，单位为m；δ为壁厚，单位为m；δ_w为吸液心厚度，单位为m；δ_w参照铜水管中工作液的基本流体参数得到；

所述单根热管的导热极限公式为其中：K为渗透率，单位为m²；r_c为蒸发段水力半径，单位为m；A_w为吸液心和蒸汽通道的横截面积，单位为m²；l_ef为热管的有效长度，单位为m；N_f为工质的品质因数，单位为W/m²；

所述其中：ρ_i为蒸汽密度，单位为kg/m²；σ_i为表面张力，单位为N/m；L为汽化潜能，单位为J/kg；μ_l为工质液体和蒸汽的动力黏度，单位为kg/(m·s)。