石蜡相变散热材料在T/R组件电源中的应用研究

石蜡相变散热材料在T/R组件电源中的应用研究

潘洪厅

贵州航天林泉电机有限公司 贵州省贵阳市

摘要:随着有源相控阵雷达的发展，弹载二次电源的需求量在不断增大，作为有源相控阵雷达的核心部件，T/R组件电源已发展成为相控阵雷达主要二次电源。相比于传统的二次电源，T/R组件电源有体积小、效率高、功率大的特点。但高功率密度的同时带来散热问题，进而影响T/R组件电源的可靠性。本文围绕二次电源散热方式进行了介绍，对比不同相变散热材料特性，提出以石蜡作为相变导热材料的T/R组件电源散热方式，对T/R组件电源散热设计具有理论和实践借鉴意义。

关键词：二次电源、T/R组件电源、石蜡、相变散热材料

引言

 随着DC/DC电源模块功率的提高和体积的减小，T/R组件电源功率密度不断增大，热耗增高，电源温度急剧上升，从而影响整个雷达设备运行的可靠性和性能指标的实现。传统的散热方式有时无法满足大功率的二次电源工作要求，因此，保证电源整机热量迅速吸收、热点均衡、提高二次电源的散热能力显得极为重要。而石蜡相变材料是一种具有特殊性质的材料，它在一定温度范围内可以实现相变，从而实现热量的存储和释放，在T/R组件电源及其他电子设备中具有广泛的应用前景。

1二次电源散热方式分析

二次电源不同的散热方式跟电源功率大小、体积、应用环境有关，需根据不同的散热需求选择最经济的满足电源工作的散热方式。二次电源有散热片、风扇散热、利用热传导材料、水冷散热来实现热量的传导和散发。

1.1 散热方式

散热片：常见于电子设备的导热方式之一。散热片通常是由铝合金或铜制成，其表面设计有大量的散热片或散热鳍片，增加表面积以提高散热效率。热源通过与散热片的接触，将热量传递到散热片上，然后通过空气对散热片表面的对流导热。

风扇散热：这种方式通常将风扇安装在散热片上，通过风扇的转动，加速空气流动，增强对导热片的冷却效果。这种方式适用于导热要求较高的场景，能够提供更强的导热能力。

导热材料：使用高导热性的材料，如导热胶或导热硅垫等，将热源与导热器（如导热片）直接连接起来，以增强热量的传导效率。

水冷散热： 水冷散热是T/R组件电源基础技术之一，散热器的结构一般是在冷却流体通道内设置一定数量的散热翅片阵列，以增强流体的扰动。通过增加流道数量、在冷却流道中添加扰流结构和增加冷却水流等方式可以有效提高冷却效率，关键在于流道内部的结构及流动方式的优化。T/R组件电源水道冷却如图1、图2所示。

图1水冷散热结构示意图 图2水冷散热结构剖视图

1.2 T/R电源散热方式分析

根据不同工况和散热需求，以上四种散热方式有各自的使用场景和优势，特殊情况下以上散热方式可以结合使用，以确保二次电源在工作时能够有效地散热。相较传统的二次电源，当下T/R组件电源因对体积严苛的要求，散热片与风扇导热不适用于T/R组件电源。水冷散热效果良好，但需要额外的供水系统，因此，对电源内部结构布局优化、选择合适的导热材料成为当前T/R组件电源散热研究的主要方向之一。

2 相变散热材料在T/R组件电源中的应用分析

2.1 相变材料与相变机制

相变材料是一种达到相变温度点后发生物理状态改变的材料，在相变过程中伴随着大量相变潜热的吸收和释放。相变材料分为无机、有机和复合相变材料，根据相变过程分为固-固、固-液、固-气、液-气四类相变材料。

由于固-气、液-气相变材料体积较大，而固-固相变材料储能能力较低、导热较差，因而T/R组件电源相变材料主要为固-液相变材料。基于此材料的散热工作原理为：当T/R组件电源温度高于相变材料的相变温度时，相变材料开始融化吸收电源产生的热量转变成相变潜热储存起来，由于相变过程是一个恒温或近似等温过程，可以很好地将T/R电源温度控制在相变温度点附近，从而抑制或减缓温度的上升。相变材料冷却式是被动式冷却，不需要额外消耗能量，同时还具有散热效率高、热均匀性好等优点，是一种短时有效的散热措施。

2.2 不同相变材料在T/R组件电源的应用分析

由于二次电源内部元器件受温度的限制，通常T/R组件电源工作控制在110℃以内，而电源有工作时长的要求，对于大功率的T/R组件电源，工作时间越久，温升越高。当下T/R组件电源功率主要为几千瓦到几十千瓦，电源本体在几十秒的工作时间内快速升温。为使电源在满足一定工作时长的前提下温升尽可能小，T/R组件电源使用相变材料的相变温度应小于100℃。而无机相变材料熔点通常在150℃⁓900℃，少数可达更高，主要应用于中高温储热领域，不适用于T/R组件电源。相比于复合相变材料，有机相变材料因更低的成本、更成熟的技术成为T/R组件电源散热材料的首选。

有机相变材料主要包括各类脂肪酸、石蜡、聚乙烯、脂肪醇、酯等，各类有机相变材料热学性能见表1。

表1 典型有机相变材料及热学性能

对比不同有机相变材料热学性能，石蜡相变材料具有多种优点。碳链长度不同，石蜡有不同的热学性能。首先，它的相变温度范围广泛，可以根据实际需要进行调整。其次，石蜡相变材料的相变热量高，能够储存大量的热能。此外，石蜡相变材料的相变速度快，可以迅速吸收或释放热量。最重要的是，石蜡相变材料具有良好的化学稳定性和热稳定性，能够长时间稳定地储存热能。因此，石蜡是T/R组件电源相变散热材料的首选。

3 石蜡作为散热材料在T/R组件电源中的应用分析

对于小体积的千瓦级T/R组件电源，其在短时间内满载工作时温度急剧上升。为保证电源可靠性，需控制工作时长以保证电源温度在可接受范围内，以某型号T/R组件电源为例。

3.1 电源基本结构布局

该T/R组件电源机体结构如图3，主要由上、下机体构成，机体材料为铝合金。上、下机体焊接面内为水道或相变材料填充区域，用于电源散热。为散热均匀，电源内部设计多个独立腔体用于安装DC/DC模块。

图3机体结构三维图 图4机体焊接面相变材料填充空间

图5 电源层叠结构示意图

3.2 电源功率和损耗

电源输入电压为310V，有四个输出通道，每个输出通道由DC/DC功率模块进行功率转换，电性参数见表2。根据表2，输入功率减输出功率可知电源热损为520W。

表2  T/R 组件电源转换效率

3.3 石蜡在T/R组件电源中的应用

为研究石蜡对T/R组件电源散热效果，对上述T/R组件电源在不填充石蜡下自然散热、水冷散热、填充石蜡散热三种状态下进行满载工作，测试电源在不同工况或散热条件下的温度变化曲线。

对T/R组件电源进行水冷散热。当满载工作4分钟时，电源无明显温度变化，产品温度由26℃上升到28℃。可见在水冷散热状态下，T/R组件电源可长时间工作,但水冷散热需额外供水系统，多用于电源试验验证；电源在不填充石蜡与充石蜡满载工作时温度见表3。

表3  电源工作时间与温度

根据不同散热环境下电源的温度测试结果，生成温度曲线如图6。

图6 不同散热材料工况时电源的温度曲线

经过实验对比，在同等工作时间下，T/R组件电源填充石蜡后温升明显减小。电源热损为520W，计算出工作4分钟发热量为124800J。当不填充石蜡时温升为42℃，而该电源本体重量约为3kg，根据比热容公式C =Q/∆tM计算出此时电源本体比热容等效为990.4J/(Kg*℃)；填充石蜡时，温升为34℃，计算出电源本体比热容等效为1223J/(Kg*℃)。故T/R组件电源填充石蜡相变散热材料后，其等效比热容明显上升，有效减缓电源在满载工作时的温度上升。

4 结束语

综上所述，石蜡可以作为相变散热材料用于T/R组件电源散热设计，有效提高散热效果。当下功率为几千瓦到三十千瓦范围内的T/R组件电源快速发展，因温度的限制，在85℃高温状态下工作时电源工作时间仅为几十秒，石蜡相变材料的应用将使电源突破原有的工作时间限制，增加工作时长。同时，散热设计的提升将进一步促进二次电源的大功率、小型化发展。此外，复合相变材料技术的发展以及新材料的应用，有望进一步解决T/R组件电源发热问题，提高设备的可靠性。

参考文献

[1]吴小婧，温振霖. 相控阵雷达阵面二次电源设计.信息化研究.2016

[2]吴丽梅，刘庆欣，王晓龙. 相变储能材料研究进展[J].材料导报.2021.

[3]田玮俊，刘何清，吴世先. 相变储能材料的应用述评.广东化工.2023

[4]李昭，李宝让，陈豪志. 相变储热技术研究进展.化工进展.2020

[5]张金辉，李庆领. 石蜡及其复合相变材料的热物性研究.青岛科技大学.2014