CN117895210A - 一种热控装置及制备方法、t/r组件、有源相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航天器热控技术领域，具体而言，涉及一种热控装置及制备方法、T/R组件、有源相控阵天线。所述的热控装置，包括依次设置的辐射散热层、第一柔性封装层、相变材料层和第二柔性封装层；其中，所述第一柔性封装层包括：第一防水套以及设置在所述第一防水套中的温变材料；所述温变材料负载在第一载体膜上；所述第二柔性封装层包括：第二防水套以及设置在所述第二防水套中的温变材料；所述温变材料负载在第二载体膜上；所述相变材料层包括：相变材料和导热填充颗粒。所述热控装置具有结构简单、重量轻、热控效果好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及航天器热控技术领域，具体而言，涉及一种热控装置及制备方法、T/R组件、有源相控阵天线。
背景技术
目前，随着航天技术的发展，相控阵天线在军民领域各类探测、通信技术中的应用占据了越来越重要的作用。相控阵天线分为有源相控阵、无源相控阵两种，相较于前者，有源相控阵使用微波集成的方法，实现了功能的高度集成化、设备的轻小型化，T/R组件实现信号的放大、移相、衰减，是有源相控阵的核心组件。
长久以来，T/R组件由于热耗高、热流密度大，设备开机时间受到其自身温度要求的制约，这大大降低了其使用效率；此外，相控阵包含的数量巨大的T/R组件对个体间温度均匀性的要求也给相控阵天线的热控设计提出了更高要求；待解决的温度控制问题，不仅造成了航天资源的浪费，还成为限制该领域发展的关键因素。
针对上述问题，目前常用的航天器热控手段，大多采用在相控阵天线安装舱板铺设热管的方式，一方面通过热管的均温作用提高阵面的温度均匀性，另一方面通过热管的高效导热作用提高天线的有效散热面积，但是这种热设计方法从根本上以增加天线散热面积为设计思路，在设备不工作时，面临着温度偏低的问题，需要耗用大量资源进行电加热温度补偿。对待相控阵天线热控设计，另一种常见的设计手段为利用相变材料的相变潜热、相变储热能力，根据相变材料在熔点温度熔化并吸收与熔化潜热相当的热量，或温度下降时相变材料凝固并放出潜热的工作原理，将热源与相变材料之间的界面温度保持在熔点附近，一方面实现相控阵天线的温度移峰，另一方面为设备非工作状态下温度偏低的情况进行补热。第二种热控方法采用的设计形式为T/R组件与封装后的相变装置通过填充材料进行导热安装，相变装置与散热面之间通过填充材料进行导热安装，由此设备工作时，T/R组件上的热耗通过相变材料传递至有效辐射散热面上，最终向空间环境进行辐射热排散。
对于传统形式的相变装置，刚性封装结构需要具有一定的耐压强的能力，其设计厚度将带来重量的增加，其受压后可能产生的形变也会带来与T/R组件或辐射散热面热接触不完全的风险。此外，相变材料由于导热较差，相变装置内部需要设置导热结构以确保其中所有相变材料均被充分利用，这也将带来整个装置重量的增加。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热控装置及其制备方法，以解决相控阵T/R组件散热的难题，同时减小传统的热控措施在设计上的复杂性、实现的可靠性和重量方面的问题。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明的一个方面，涉及一种热控装置，包括依次设置的辐射散热层、第一柔性封装层、相变材料层和第二柔性封装层；
其中，所述第一柔性封装层包括：第一防水套以及设置在所述第一防水套中的温变材料；所述温变材料负载在第一载体膜上；
所述第二柔性封装层包括：第二防水套以及设置在所述第二防水套中的温变材料；所述温变材料负载在第二载体膜上；
所述相变材料层包括：相变材料和导热填充颗粒。
所述热控装置具有结构简单、重量轻、热控效果好等优点。
优选地，所述相变材料的熔点与所述温变材料的软化温度相等。
优选地，所述辐射散热层、所述第一柔性封装层、所述相变材料层和所述第二柔性封装层的面积比为（1~2）：（1~1.2）：1：（1~1.2）。
优选地，所述相变材料和所述导热填充颗粒的质量比为（10~100）：1。
优选地，所述温变材料包括：钢化胶。
优选地，所述相变材料包括：石蜡。
优选地，所述导热填充颗粒包括：石墨。
优选地，所述导热填充颗粒的粒径为0.05~0.2mm。
优选地，所述第一防水套的材质包括：聚酰亚胺。
优选地，所述第一载体膜的材质包括：玻璃纤维、碳纤维或石墨烯中的至少一种。
优选地，所述第二防水套的材质包括：聚酰亚胺。
优选地，所述第二载体膜的材质包括：玻璃纤维、碳纤维或石墨烯中的至少一种。
本发明的另一个方面，还涉及所述的热控装置的制备方法，包括以下步骤：
将辐射散热层、第一柔性封装层、相变材料层和第二柔性封装层依次进行组装。
所述的热控装置的制备方法，方法简单，容易操作，无需复杂的制备工艺。
本发明的另一个方面，还涉及一种T/R组件，包括所述的热控装置或所述的热控装置的制备方法制备得到的热控装置。
本发明的另一个方面，还涉及一种有源相控阵天线，包括所述的T/R组件。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明提供的热控装置，在柔性封装层中设置防水套以及密封在其中的温变材料，该柔性封装层具有较高的耐压承受能力，达到温变材料软化温度时，耐压性、界面填充性和密封性可以同时保证；在相变材料层中添加导热填充颗粒，代替复杂的导热结构，减轻了热控装置的自重；相较于传统形式相控阵热设计，本发明在满足安装界面具有良好的热填充的同时，减少了接触界面的数量及其带来的冗余热阻。
（2）本发明提供的热控装置的制备方法，方法简单，容易操作，不依赖于复杂的机械设备或工艺，节约制备成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的热控装置的结构示意图。
附图标记：
1-辐射散热层；
2-第一柔性封装层；
3-相变材料层；
4-第二柔性封装层；
5-T/R组件。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明的一个方面，涉及一种热控装置，包括依次设置的辐射散热层1、第一柔性封装层2、相变材料层3和第二柔性封装层4；
其中，第一柔性封装层2包括：第一防水套以及设置在第一防水套中的温变材料；温变材料负载在第一载体膜上；
第二柔性封装层4包括：第二防水套以及设置在第二防水套中的温变材料；温变材料负载在第二载体膜上；
相变材料层3包括：相变材料和导热填充颗粒。
该热控装置，在柔性封装层中设置防水套以及密封在其中的温变材料，该柔性封装层具有较高的耐压承受能力，达到温变材料软化温度时，耐压性、界面填充性和密封性可以同时保证；在相变材料层3中添加导热填充颗粒，代替复杂的导热结构，减轻了热控装置的自重。
本发明提供的热控装置相较于传统形式相控阵热设计，本发明在满足安装界面具有良好的热填充的同时，减少了接触界面的数量及其带来的冗余热阻。
本发明所用的温变材料，其温度升高至一定温度时，温变材料开始变软，甚至成为流体状态；其温度低于一定温度时，温变材料为固态。温变材料的具体类型包括但不限于钢化胶。
进一步地，相变材料的熔点与温变材料的软化温度相等。
相变材料的熔点及温变材料的软化温度可以根据产品发热特性及温度要求进行选择，因此，本发明提供的热控装置具有较强的适应能力和通用性。
进一步地，辐射散热层1、第一柔性封装层2、相变材料层3和第二柔性封装层4的面积比为（1~2）：（1~1.2）：1：（1~1.2）（例如1：1：1：1.2、1.5：1.1：1：1.2或2：1.2：1：1.2）。在该面积比下，第一柔性封装层2和第二柔性封装层4对于相变材料层3的封装效果较好；根据不同类型的辐射散热层的散热效果，其面积为热控装置的1~2倍范围内的尺寸下，散热利用率较高。
进一步地，相变材料和导热填充颗粒的质量比为（10~100）：1（例如10：1、20：1、30：1、40：1、50：1、60：1、70：1、80：1、90：1或100：1）。相变材料具有比热容大、相变潜热大的特点，但是其导热较差，导热填充颗粒过少，不足以提升相变材料层的热导率，导热填充颗粒过多，则会拉低单位质量下的相变材料层的热容量和相变潜热。根据热源的热排散量大小，选定相变材料和导热填充颗粒的质量比为（10~100）：1应用效果较好。
进一步地，所述温变材料包括：钢化胶。
进一步地，相变材料包括：石蜡。
进一步地，石蜡包括但不限于正十八烷和正二十烷。
进一步地，导热填充颗粒包括：石墨。
进一步地，所述导热填充颗粒的粒径为0.05~0.2mm（例如0.05mm、0.1mm、0.15mm或0.2mm）。
进一步地，第一防水套的材质包括：聚酰亚胺。
进一步地，第一载体膜的材质包括：玻璃纤维、碳纤维或石墨烯中的至少一种。
进一步地，第二防水套的材质包括：聚酰亚胺。
进一步地，第二载体膜的材质包括：玻璃纤维、碳纤维或石墨烯中的至少一种。
图1以一个T/R组件5作为单元对本发明的热控装置进行说明。
当设备处于非工作状态，T/R组件5的温度水平偏低，未到达第一柔性封装层2和第二柔性封装层4中的温变材料的软化温度，此时温变材料为钢化状态，第一柔性封装层2和第二柔性封装层4的表面状态为刚性，此时由于T/R组件5与第一柔性封装层2、第二柔性封装层4和相变材料层3之间未额外施加导热填料，此接触界面并非良好的热接触界面，使得T/R组件5与辐射散热层1之间的导热路径热阻较大，极大地减小了T/R组件5的有效散热面积，可以满足不开机状态下T/R组件5的隔热保温热控需求，降低在其不开机状态下进行温度补偿所需的功率。
当设备开机工作，T/R组件5的温度升高至相变材料层3中相变材料的熔点温度，相变材料由固态转为液态，与此同时第一柔性封装层2和第二柔性封装层4中的温变材料到达软化温度，第一柔性封装层2和第二柔性封装层4的表面状态为柔性，对T/R组件5与相变材料层3之间、相变材料层3与辐射散热面之间的安装界面起到填充作用，在不额外使用界面导热填充材料的情况下，降低T/R组件5与辐射散热面之间的导热热阻，有效提高T/R组件5的散热效率，此时第一柔性封装层2和第二柔性封装层4同时起到界面填充、降低热源到冷面的换热热阻的作用。
本发明的另一个方面，还涉及的热控装置的制备方法，包括以下步骤：
将辐射散热层1、第一柔性封装层2、相变材料层3和第二柔性封装层4进行组装。
该热控装置的制备方法，方法简单，容易操作，不依赖于复杂的机械设备或工艺，节约制备成本。
在一个具体的实施方式中，第一柔性封装层2和第二柔性封装层4的制备过程包括：将温变材料均匀涂抹在玻璃纤维膜两侧，在玻璃纤维膜充分浸润后，利用两层聚酰亚胺膜将其密封，在玻璃纤维外形成防水套，防水套的单层面积和玻璃纤维膜的面积比约为1:1，所使用的聚酰亚胺膜边缘超出玻璃纤维膜约10mm，以确保封边充分。上述材料的复合通过真空加压的方式进行。
在一个具体的实施方式中，相变材料层3的制备过程包括：在温度高于相变材料熔点时，将导热纳米颗粒混入相变材料中，在温度降至相变点温度之下时，形成固态的相变材料层。
相变材料可在固态状态下进行封装，消除了传统方式下液态加注对抽真空的工艺实现要求。
本发明的另一个方面，还涉及一种T/R组件，包括的热控装置或热控装置的制备方法制备得到的热控装置。
本发明的另一个方面，还涉及一种有源相控阵天线，包括T/R组件。
下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例提供的热控装置，包括依次设置的辐射散热层1、第一柔性封装层2、相变材料层3和第二柔性封装层4；
其中，第一柔性封装层2包括：第一防水套以及设置在第一防水套中的温变材料；温变材料负载在第一载体膜上；
第二柔性封装层4包括：第二防水套以及设置在第二防水套中的温变材料；温变材料负载在第二载体膜上；
相变材料层3包括：相变材料和导热填充颗粒。
相变材料的熔点与温变材料的软化温度相等；
辐射散热层1、第一柔性封装层2、相变材料层3和第二柔性封装层4的面积比为2：1：1：1；
相变材料和导热填充颗粒的质量比为50：1；
温变材料为钢化胶；
相变材料为：石蜡；
导热填充颗粒为：石墨。
第一防水套的材质为：聚酰亚胺；
第一载体膜的材质为玻璃纤维；
第二防水套的材质为聚酰亚胺；
第二载体膜的材质为碳纤维。
本实施例提供的热控装置的制备方法，包括以下步骤：
将辐射散热层1、第一柔性封装层2、相变材料层3和第二柔性封装层4依次进行组装；
第一柔性封装层2的制备过程包括：将温变材料均匀涂抹在玻璃纤维膜两侧，在玻璃纤维膜充分浸润后，利用两层聚酰亚胺膜将其密封，单层聚酰亚胺膜的面积和玻璃纤维膜的面积比约为1:1，所使用的聚酰亚胺膜边缘超出玻璃纤维膜约10mm，以确保封边充分，上述材料的复合通过真空加压的方式进行；
第二柔性封装层4的制备过程包括：将温变材料均匀涂抹在玻璃纤维膜两侧，在玻璃纤维膜充分浸润后，利用两层聚酰亚胺膜将其密封，层聚酰亚胺膜的面积和碳纤维膜的面积比约为1:1，所使用的聚酰亚胺膜边缘超出碳纤维膜约10mm，以确保封边充分，上述材料的复合通过真空加压的方式进行；
相变材料层3的制备过程包括：在温度高于相变材料熔点时，将导热纳米颗粒混入相变材料中，在温度降至相变点温度之下时，形成固态的相变材料层。
实施例2
本实施例提供的热控装置，与实施例1的区别在于：
辐射散热层1、第一柔性封装层2、相变材料层3和第二柔性封装层4的面积比为1：1：1：1；
相变材料和导热填充颗粒的质量比为10：1；
第一载体膜的材质为碳纤维，第二载体膜的材质为碳纤维。
实施例3
本实施例提供的热控装置，与实施例1的区别在于：
辐射散热层1、第一柔性封装层2、相变材料层3和第二柔性封装层4的面积比为2：1.2：1：1.2；
相变材料和导热填充颗粒的质量比为100：1；
第一载体膜的材质为石墨烯，第二载体膜的材质为石墨烯。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (10)
1.一种热控装置，其特征在于，包括依次设置的辐射散热层、第一柔性封装层、相变材料层和第二柔性封装层；
其中，所述第一柔性封装层包括：第一防水套以及设置在所述第一防水套中的温变材料；所述温变材料负载在第一载体膜上；
所述第二柔性封装层包括：第二防水套以及设置在所述第二防水套中的温变材料；所述温变材料负载在第二载体膜上；
所述相变材料层包括：相变材料和导热填充颗粒。
2.根据权利要求1所述的热控装置，其特征在于，所述相变材料的熔点与所述温变材料的软化温度相等。
3.根据权利要求1所述的热控装置，其特征在于，所述辐射散热层、所述第一柔性封装层、所述相变材料层和所述第二柔性封装层的面积比为（1~2）：（1~1.2）：1：（1~1.2）。
4.根据权利要求1所述的热控装置，其特征在于，所述相变材料和所述导热填充颗粒的质量比为（10~100）：1。
5.根据权利要求1所述的热控装置，其特征在于，所述温变材料包括：钢化胶；
所述相变材料包括：石蜡；
所述导热填充颗粒包括：石墨。
6.根据权利要求1所述的热控装置，其特征在于，所述第一防水套的材质包括：聚酰亚胺；
所述第一载体膜的材质包括：玻璃纤维、碳纤维或石墨烯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的热控装置，其特征在于，所述第二防水套的材质包括：聚酰亚胺；
所述第二载体膜的材质包括：玻璃纤维、碳纤维或石墨烯中的至少一种。
8.如权利要求1~7任一项所述的热控装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将辐射散热层、第一柔性封装层、相变材料层和第二柔性封装层进行组装。
9.一种T/R组件，其特征在于，包括权利要求1~7任一项所述的热控装置或权利要求8所述的热控装置的制备方法制备得到的热控装置。
10.一种有源相控阵天线，其特征在于，包括权利要求9所述的T/R组件。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050027055A1 (en) * | 2003-07-29 | 2005-02-03 | Intel Corporation | Reworkable thermal interface material |
| CN101930952A (zh) * | 2009-06-17 | 2010-12-29 | 天津莱尔德电子材料有限公司 | 柔顺的多层导热界面组件和包含该组件的存储器模块 |
| CN107254297A (zh) * | 2017-06-13 | 2017-10-17 | 中国科学技术大学 | 一种用于电子设备热控的柔性相变材料 |
| KR101956371B1 (ko) * | 2018-04-20 | 2019-05-30 | 나노팀 주식회사 | 절연 성능이 보강된 방열 실리콘 시트 |
| CN113195675A (zh) * | 2018-12-17 | 2021-07-30 | 盐储能技术公司 | 使用涂覆有纳米粒子的相变材料的热储存 |
| KR20230023525A (ko) * | 2021-08-10 | 2023-02-17 | 조인셋 주식회사 | 열전도성 인터페이스 점착시트 |
-
2024
- 2024-03-15 CN CN202410295429.1A patent/CN117895210B/zh active Active
Patent Citations (6)
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