葛魯寧，石同武

?

相變材料在箭載相控陣天線中的應(yīng)用

葛魯寧，石同武

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海，201109）

本文介紹了一種箭載相控陣天線冷板的工作原理和結(jié)構(gòu)形式，利用相變材料的原理，解決了箭載相控陣天線工作過程中T組件散熱量大的問題。通過有限元分析和試驗驗證，表明冷板的設(shè)計切實可行。

相控陣天線；相變材料；T組件；冷板

0 引 言

由于相變材料具有儲熱密度大、儲熱容器體積小、熱效率高等優(yōu)點，相變材料熱儲能的應(yīng)用備受關(guān)注，在太陽能、航天、航空及建筑節(jié)能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。在某箭載相控陣天線的設(shè)計中，由于T組件（發(fā)射單元）工作過程中效率較低，會產(chǎn)生大量的熱，而T組件內(nèi)部元器件都有一定的工作溫度范圍（≤65 ℃）要求，因此需要考慮散熱措施。相控陣天線中傳統(tǒng)的冷卻方式主要有自然冷、風冷和水冷。在箭載環(huán)境中，自然冷卻效果不明顯，風冷和水冷散熱方式受條件限制不宜采用。為了解決此問題，本文提出了一種基于相變機理的冷板方法，成功地解決了相控陣天線工作過程中的散熱問題。

1 相變機理

相變材料（Phase Change Material，PCM）是以潛熱形式儲存和釋放能量的材料，在相變溫度范圍內(nèi)，相態(tài)發(fā)生變化時儲存或釋放的能量稱為相變潛熱[2]。相變材料主要應(yīng)用于儲能和溫控方面，表面恒溫時間是衡量相變材料性能的主要指標。NASA空間站太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)利用拋物型的聚能器截獲太陽能，并將其聚集到吸熱/蓄熱器的圓柱形腔內(nèi)，被吸收轉(zhuǎn)換成熱能，其中一部分熱能傳遞給循環(huán)工質(zhì)以驅(qū)動熱發(fā)電機，另一部分熱能則被分裝在多個小容器內(nèi)的相變蓄熱材料（PCM）中，通過熔化而吸收儲存起來。在軌道陰影期，PCM在相變點附近凝固放熱，充當熱源，使得空間站仍能連續(xù)工作[3, 4]。

石蠟是一種固-液相變材料，分為全精煉石蠟和半精煉石蠟，具有相變潛熱高、幾乎沒有過冷現(xiàn)象、熔化時蒸氣壓力低、不易發(fā)生化學反應(yīng)且化學穩(wěn)定性較好、在多次吸放熱后相變溫度和相變潛熱變化很小、自成核、沒有相分離和腐蝕性、價格較低等優(yōu)點[5]。

2 模型建立

綜合考慮運載火箭的安裝環(huán)境，在相控陣天線設(shè)計中，將冷板和T組件設(shè)計為如圖1所示的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 冷板外形

由圖1可知，冷板的上、下面均可以用來安裝T組件，T組件與冷板之間安裝時粘貼導熱墊，增大傳熱效率。

相變材料封裝在冷板內(nèi)部，考慮到相變材料本身的導熱性較差，將冷板內(nèi)部設(shè)計成肋片間隔的多腔結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中各腔用于容納相變材料，肋片有利于熱量的傳遞，肋片長度小于冷板的寬度，腔體的兩端可以相互連通，可以保證相變材料發(fā)生相變后在冷板內(nèi)部的流通性。

圖2 冷板內(nèi)部原理

在冷板設(shè)計時，選用的相變材料的質(zhì)量可以通過式（1）計算得出：

式中為電子元器件耗散的功率，W；e為整個儲熱冷板（包括變相材料和容器）的比熱容，J/(kg·K)；為電子設(shè)備要求的溫度控制周期，s；f為相變材料的比熱容，J/(kg·K)；m為相變材料的熔解溫度，℃；f為相變材料的熔解熱，J/kg；1為冷板的初始溫度，℃。

此外，在冷板的設(shè)計時應(yīng)考慮相變材料發(fā)生相變的過程中產(chǎn)生體積膨脹的問題，膨脹率通常約占總體積的11%~15%，一般可采用波紋管或蜂窩狀結(jié)構(gòu)。在某相控陣天線的設(shè)計中，根據(jù)T組件的工作溫度范圍（≤65 ℃）要求，選取石蠟二十八烷C28H58作為相變材料[6,7]。天線總散熱量為90 W，在溫度為25 ℃的環(huán)境下要求工作時間不小于2 h。為了提高冷板設(shè)計的可靠性以及天線后續(xù)測試的需求，因此設(shè)計冷板工作時間為3 h，進而根據(jù)式（1）得出石蠟的需求量為0.42 kg。

3 散熱模型有限元分析

含有相變問題的熱分析是一個非線性的瞬態(tài)熱分析問題，需要考慮相變過程中吸收或釋放的潛熱。利用FloEFD軟件對封裝了石蠟的冷板建模進行了熱分析。在熱分析的求解過程中，作了以下3點假設(shè)[8, 9]：

a）忽略固態(tài)區(qū)、液態(tài)區(qū)的PCM輻射換熱；

b）忽略液態(tài)區(qū)PCM流動影響；

c）忽略空穴的產(chǎn)生。

將這3點影響忽略后，用FloEFD軟件給出了T組件工作3 h后的溫度云圖，結(jié)果如圖3所示，冷板溫度曲線變化如圖4所示。由圖3、圖4可以看出T組件的最高溫度約為61 ℃，未超過T組件允許的工作溫度范圍，這說明采用相變材料的冷卻方式理論上是可行的。

圖3 熱分析結(jié)果

圖4 冷板溫度變化曲線

4 試驗驗證

由于冷板是對稱的，在試驗過程中，采用實際結(jié)構(gòu)的四分之一部分進行驗證，試驗件如圖5所示。

圖5 試驗冷板

T組件采用相同功耗的模擬電阻代替。試驗在室溫（25 ℃）下的密閉容器中進行，采用接觸式的溫度測量機進行溫度的測量。選取4個不同溫度點進行采樣，另外選取4處不同位置的典型采樣點進行溫度的監(jiān)測。采樣點1選在模擬電阻表面；采樣點2選在電阻安裝板，電阻安裝板模擬T組件的傳熱面和冷板安裝；采樣點3選在冷板的上表面，用于安裝T組件的表面；采樣點4選在冷板的底表面，與安裝T組件相對的表面。采樣獲得的具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 溫度測試數(shù)據(jù)

經(jīng)過3 h的實驗，對冷板儲蠟腔觀察發(fā)現(xiàn)：僅一小部分熔化成液態(tài)，大多數(shù)石蠟尚未熔化，冷板的溫度最終穩(wěn)定在53 ℃左右。對比仿真分析結(jié)果，冷板的溫度相同。對試驗數(shù)據(jù)進行分析，模擬試件沒有超過T組件的允許工作溫度范圍，所設(shè)計的冷板可以滿足T組件的散熱要求，提出的設(shè)計方案切實可行。

5 結(jié) 論

通過FloEFD軟件熱分析和試驗驗證，將相變材料的冷板設(shè)計應(yīng)用在箭載相控陣天線中的散熱是可行的。在后續(xù)的工作中，將通過研究熱源布局、改變相變材料的熱導率等因素提高冷板的工作效率，進一步為箭載和星載小型相控陣天線的散熱問題提供良好的解決方法。

[1] 張寅平, 康艷兵, 江億. 相變和化學儲能在建筑供暖空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J]. 暖通空調(diào), 1999, 29(5): 34-38.

[2] 宋健, 陳磊, 李效軍. 微膠囊化技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2001.

[3] Dennis A. 2kWe solar dynamic ground test demonstration project[R]. NASA-CR-198423, 1997.

[4] Lewis Research Center. Solar dynamic power system development for space station Freedom[R]. NASN-RP-1310, 94N-12807, 1993.

[5] 閆全英, 王威. 相變墻體中的定形相變材料的實驗研究[J]. 節(jié)能技術(shù), 2004, 22(6): 3-4.

[6] 滿亞輝. 相變潛熱機理及其應(yīng)用技術(shù)研究[D]. 長沙: 國防科學技術(shù)大學, 2010.

[7] 夏莉. 復合相變儲能材料的研制與潛熱儲能中的熱物理現(xiàn)象的研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2010.

[8] 蘭孝征. 凝膠化、微膠囊化低溫相變儲能材料研究[D]. 大連: 中國科學院研究生院(大連化學物理研究所), 2003.

[9] 張紅星. 石蠟在相變調(diào)溫紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用研究[D]. 石家莊: 河北科技大學, 2011.

Application of PCM for Rockets-borne Active Phased-array

Ge Lu-ning, Shi Tong-wu

(Shanghai Spaceflight Electronic Technology Institute, Shanghai, 201109)

The paper introduces the structure and principles of a cold plate for rocket-borne phased array application. The proposed cold plate successfully cools down the T modules on working by using the phase-change material (PCM) principle. Furthermore, the feasibility of the proposed cold plate is verified by the analysis of FEM and testing of prototype plate.

Phased-array; Phase change material; T modules; Cold plate

1004-7182(2016)02-0094-03

10.7654/j.issn.1004-7182.20160221

V443+.4

A

2015-01-24；

2015-02-09

葛魯寧（1985-），男，工程師，主要研究方向為天饋線結(jié)構(gòu)設(shè)計