CN103945677A - 一体化tr组件双面热源强迫液冷设计 - Google Patents

Abstract

一种应用于新一代有源相控阵雷达一体化TR组件的双面热源强迫液冷设计，对一整块铝合金板3A21坯料两侧进行数控铣削加工，形成两个腔体，中间为两侧均带热源的冷板，射频组件和开关电源电子器件分别直接安装在冷板上，冷板为液冷式冷板，采用强迫液冷散热，液冷流道选取于热源的正下方，流道采用易于加工的方形结构，并且为蛇形走向，冷却液为加入52％（体积比）的乙二醇水溶液，冷却液路盖板采用真空电子束焊，整个焊接过程在真空环境下完成，冷板冷却液接口采用自密封快速接头，该接口位于组件后部，可以与安装架的管路接通和断开，且不会泄露冷却液。

Description

一体化TR组件双面热源强迫液冷设计

技术领域

本发明专利涉及雷达热处理工艺，是有源相控阵雷达TR组件的可靠性热设计。

背景技术

为了满足有源相控阵雷达TR组件高性能、低成本、轻小型化等要求，新一代TR组件采用射频模块和电源模块一体化设计，即对一整块镁铝合金板坯料两侧进行数控铣削加工，形成两个腔体，分别安装射频组件和开关电源，中间为两面均带热源的冷板。由于受到T/R组件结构尺寸的限制，组件内功放模块和电源模块的布局非常紧凑，热流密度很大，局部热流密度达到15kW/m2，如果功率晶体管内耗散的功率不能及时散发出去，将使管内PN结温度急剧上升，导致功率晶体管输出功率、效率等性能急剧下降，同时使得管子的可靠性降低。目前的相控阵雷达TR组件热设计普遍采用强迫风冷，或者由于射频组件和开关电源分立设计，采用单面热源强迫液冷，而根据新一代TR组件的结构和热流密度特点，强迫风冷已远远不能满足散热需求，如果采用强迫液冷，就涉及到双面热源的散热，需要重点考虑冷板流道路径选择、流道的加工、流道盖板的密封、耐压性测试等一系列新型热处理工艺，即要防止冷板渗漏烧毁电路或对电路造成腐蚀的危险，又要起到优异的冷却效果，提高组件的整机热可靠性。

发明内容

为了解决一体化TR组件热流密度大，强迫风冷和单面热源强迫液冷无法满足散热需求的问题，采用双面热源强迫液冷设计，通过合理选择冷板流道路径，精确的流道的加工、流道盖板的密封、耐压性测试等一系列新型热处理工艺，保证了组件的热可靠性。

本发明采用的技术方案是：对一整块铝合金板3A21坯料两侧进行数控铣削加工，形成两个腔体，中间为两侧均带热源的冷板，射频组件和开关电源电子器件分别直接安装在冷板上，冷板设计为液冷式冷板，在冷板中通过加工中心探头挖出液冷流道，液冷流道选取于热源的正下方，流道采用易于加工的方形结构，并且为蛇形走向，以减小冷却液压力损失，对于间接液体冷却，主要考虑冷却液的腐蚀性和热特性，水是最经济有效的冷却液，考虑到TR组件的工作环境温度范围为-40℃～+50℃，冷却液加入52％（体积比）的乙二醇，以使其冰点降为－41℃。冷却液路盖板采用真空电子束焊的方法密封，整个焊接过程在真空环境下完成，不需焊料，焊接后材料表面无氧化，焊件变形很小，在保证热传导能力的同时确保其能承受一定压力，有效防止冷板渗漏；为检验焊接效果，对冷板进行安全性试压，然后进行非破坏性气密性检验；冷板冷却液接口与管路的连接采用自密封快速接头，该接口位于组件后部，并能快速方便的与安装架的管路接通和断开，且不会泄露冷却液；电子器件通过导热硅脂直接安装在冷板上，以缩短传热路径，减小热阻，提高冷却效率，当TR组件工作时，电子器件的热量传至冷板，再由冷板将热量传递给流通管道的冷却液，由冷却液将热量带走。

本发明的有益效果是：解决了一体化TR组件热流密度大，强迫风冷和单面热源强迫液冷无法满足散热需求的问题，而且采用真空电子束焊进行盖板密封，焊接质量高，有效防止冷板渗漏，散热效率高，工作稳定可靠。

四、附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是冷板夹具示意图

图2是TR组件电源面腔体结构图

图3是冷板水冷流道结构路线图

图4是冷板水冷流道横截面图

图5是真空电子束焊热循环曲线图

图6是冷板试压检验工艺图

图7是自密封快速接头实物图

图8是TR组件射频面腔体结构图

图9是射频组件面与冷板流道的整体结构图

五、具体实施方式

第一步下料：进行冷板的坯料下料，选择尺寸为447 mm×417 mm×65 mm 3A21标准铝合金板。

第二步清洗：对坯料清洗处理，以去除表面残留的任何污染源及表面氧化膜，具体操作步骤是，先用汽油清洗，去除表面润滑油及沾污物；然后在5%NaOH（重量浓度）水溶液浸洗1分钟，温度60℃；再用清水漂洗；然后在5%HNO₃（体积浓度）水溶液浸洗30s，温度30℃；再进行清水漂洗；最后80℃烘干。

第三步组装：冷板的结构外形比较规则，采用不锈钢1Cr18Ni9Ti作为夹具材料制作夹具，将冷板坯料组装定位，以控制冷板在热态下的变形。如图1所示，冷板放于上压板（101）和下垫板（102）之间，然后通过紧固螺钉（103）紧固。

第四步热较平：冷板在加工前，要进行热较平处理，以避免冷板坯料变形，提高平整度，降低硬度，便于切削加工，使冷板坯料翘曲变形降至0.1mm以下，平面达到0.15mm以下，热较平的具体过程为，电阻炉升温预热，冷板坯料进炉，将炉温升至所需温度500～600℃之间，保温2至3小时，然后出炉，空冷。

第五步电源模块面的加工：将铝合金坯料的一面按照开关电源模块的腔体结构如图2所示，进行数控铣削，形成一个腔体以安装开关电源，此加工过程须保留0.5毫米加工余量，用于焊接后的加工。

第六步流道加工：按照流道的结构路线如图3所示，通过加工中心挖出冷却流道，冷却液流道采用易于加工的方形结构，如图4所示，尺寸为5毫米                                                8毫米，加工过程中保证流道的精度，使得冷却液经过流道时畅通、散热快，预留焊接深度工艺结构为2毫米。

第七步流道盖板的密封：采用真空电子束焊的方法密封，电子束焊接是利用高电场产生的高速电子，经聚焦后形成电子流，撞击被焊金属的焊接部位，将其动能转化为热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束流能量密度高，穿透能力强，焊缝深宽比大，是焊接厚大材料的优选方法；焊接速度快，输入能量较小，因此热影响区小，焊接变形小；并且焊接过程处于真空状态，使焊缝纯洁度高。具体操作步骤是，采用MEDARD48型真空电子束焊机进行焊接，将组装好的冷板放置在炉内，然后利用真空泵抽真空使炉内达到指定的真空度，接着按设定参数操作控温仪使炉内温度升高，当温度升到指定的温度焊片熔化，完成焊件对接，焊接盖板厚度为1.5毫米，在保证工件焊透的情况下，时间要尽可能的短，具体的电子束焊接工艺参数是加速电压60kV，电子束流55mA，焊接速度0.5m/min，聚焦电流2.95mA，真空度4×10^-4pa，焊接热循环曲线如图5所示，焊接完后随炉冷却3～4小时，炉内温度低于60℃出炉，然后通过加工中心设备对焊接面进行平面加工，使其平整度达到0.1毫米以下，表面光洁无焊疤。

第八步试压：试压是检验焊接成功与否的关键手段之一，以检验冷板是否满足工作要求，由于TR组件的冷却系统要求冷板流道工作压力是6kg，考虑到冷板工作的安全性，给它辅以一定的安全系数，使它在0.8个大气压（约8kg）的条件下保压30分钟。如果试压完毕后，工件仍然完整无损，则进入下一道工序。这里使用非破坏性的气密性检验，其工艺如图6所示。将冷板（601）放于盛有自来水（602）的不锈钢容器（603）内，气罐（604）通过塑料管（605）和气压开关（606）连接冷板的自密封快速接头（607），其实物图如图7所示，由气压表（608）控制气罐输出压力值。

第九步射频组件面加工：其腔体结构图如图8所示，由于射频组件是一个高密度整件，结构复杂，而且组件内包含多个功能模块，为减小模块向外辐射电磁波造成对其它模块的电磁影响，在对冷板进行数控铣削加工时，根据各模块的尺寸留出相应的隔板，同时要降低加工应力，保证加工精度，避免冷板变形翘曲，降低冷板表面粗糙度，以减小射频组件的接触热阻，提高散热效率。射频组件面与冷板流道的整体结构图如图9所示，流道位于功率晶体管热源正下方。

Claims (4)

1.一体化TR组件双面热源强迫液冷设计，其特征是：对一整块铝合金板3A21坯料两侧进行数控铣削加工，形成两个腔体，中间为两侧均带热源的冷板，射频组件和开关电源电子器件分别直接安装在冷板上，冷板设计为液冷式冷板，采用强迫液冷散热。

2.根据权利要求1所述的一体化TR组件双面热源强迫液冷设计，其特征是：液冷流道选取于热源的正下方，流道采用易于加工的方形结构，并且为蛇形走向，冷却液为加入52％（体积比）的乙二醇水溶液。

3.根据权利要求1所述的一体化TR组件双面热源强迫液冷设计，其特征是：冷板的冷却液路盖板采用真空电子束焊，整个焊接过程在真空环境下完成。

4.根据权利要求1所述的一体化TR组件双面热源强迫液冷设计，其特征是：冷板冷却液接口采用自密封快速接头，该接口位于组件后部，可以与安装架的管路接通和断开，且不会泄露冷却液。