Приемно-передающий модуль АФАР с теплоотводящим основанием в виде плоской тепловой трубки

Устройство относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при проектировании и изготовлении активной фазированной антенной решетки (АФАР) и, в частности, системы терморегулирования АФАР.
Проблема отвода тепла в конструкциях АФАР разделяется на две технических задачи: обеспечение теплового контакта источника с теплоотводящей системой и создание системы отвода тепла от теплонагруженного участка. Первая проблема обычно решается размещением активных источников на медных или иных высокопроводящих основаниях через теплопроводящие пасты или посредством пайки, что обеспечивает передачу тепла от активного элемента к корпусу приемо-передающего модуля (ППМ) АФАР. Для решения второй проблемы - отведения тепла от корпуса ППМ и его сброс в окружающую среду - на сегодняшний день преимущественно используются системы жидкостного охлаждения (патенты RU 2615661, RU 2564152, RU 164624, RU 166198, US 7940524, US 7443354, US 7508338) и воздушного охлаждения (патенты RU 97219, JP 3942849, US 8659901), при этом наиболее мощные комплексы охлаждаются путем подачи охлаждающей жидкости непосредственно внутрь приемо-передающих модулей (ППМ) АФАР через каналы, расположенные в стенках корпусов ППМ (RU 2379802). Существуют также варианты систем терморегулирования АФАР, в которых плотность расположения ППМ по полотну антенны позволяет разместить внешние каналы охлаждения в зазорах между ППМ, что позволяет обеспечить равномерность охлаждения ППМ, расположенных на различной высоте по полотну антенны, и обеспечить возможность быстрого монтажа и ремонта элементов системы терморегулирования, в том числе в полевых условиях (патенты RU 2615661, RU 2564152).
Недостатками известных решений является сложность и высокая стоимость организации теплоотвода в конструкциях высокомощных АФАР, работающих в диапазонах S-, Х- с тепловыделением более 300 Вт на ППМ, а также сложность организации систем терморегулирования в малогабаритных комплексах, работающих в высокочастотных Ka- и, в перспективе, V- диапазонах, в которых зазоры между ППМ могут не превышать нескольких миллиметров. Решение указанных проблем возможно при использовании высокопроводящих теплоотводящих оснований малой толщины, устанавливаемых под активные радиоэлектронные компоненты и обеспечивающих распределение тепла по большей площади корпуса ППМ АФАР для его дальнейшей передачи во внешнюю среду с использованием системы охлаждения второй ступени, не требующей подвода охлаждающей жидкости внутрь корпуса (для мощных систем работающих в диапазонах S и X) и не требующей проведения каналов охлаждения в узкие промежутки между приемо-передающими модулями (для устройств, работающих в высокочастотных диапазонах).
В последнее время отмечается повышенный интерес к тепловым трубкам (ТТ), в которых используется принцип испарительного охлаждения, а перенос теплоты происходит в результате циркуляции теплоносителя по замкнутому двухфазному контуру с капиллярным механизмом возврата теплоносителя в зону испарения (Деревянко, В. А. и др. Плоские тепловые трубы для отвода тепла от электронной аппаратуры в космических аппаратах. Вестник СибГАУ им. академика МФ Решетнева, 2013, 6(52), 111-116). ТТ обладают высокой эффективной теплопроводностью, что позволяет эффективно применять их при решении задач по охлаждению и термостатированнию АФАР. Плоские ТТ с капиллярно-пористыми структурами (фитилями) обладают высоким капиллярным пределом и могут работать в условиях работы против гравитационных и инерционных сил, реализующихся в процессе эксплуатации мобильных наземных и бортовых радиолокационных комплексов.
В настоящее время известно большое разнообразие патентов, защищающих способы применения тепловых труб в системах охлаждения различных микроэлектронных систем (US 6710442, CN 201867107, CN 103196116), в компьютерной технике (US 9464849, US 8587943, KR 20150041496), в космических аппаратах (RU 2603690, US 10018426). Известен патент, защищающих способ терморегулирования радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов, работающей в условиях космического пространства и вакуума (RU 2403692). Известен способ создания теплопроводящего основания радиоэлектронного блока, включающий использование протяженных тепловых трубок круглого поперечного сечения (RU 2604097), который использован в качестве прототипа для настоящей полезной модели. Известно радиоэлектронное устройство с теплоотводящим основанием в виде тепловой трубки, причем в плате, устанавливаемой на эту трубку, выполнены отверстия для крепления тепловыделяющих элементов непосредственно на тепловую трубку (RU 2605432). Недостатком указанных решений RU 2403692, RU 2604097 является невозможность их использования в наземных условиях, где требуется работа тепловых трубок против гравитации, или в бортовых системах летательных аппаратов, где действуют существенные инерционные нагрузки. Недостатком всех перечисленных изделий также является то, что в их конструкциях присутствуют дополнительные тепловые переходы и соответствующие термосопротивления в зоне контакта тепловыделяющих радиоэлектронных элементов и тепловой трубки. Этот недостаток может быть исключен путем использования низкотемпературной пайки при монтаже радиоэлектронных элементов на поверхности тепловой трубки.
Также можно отметить, что в целом, устройства охлаждения приемо-передающих модулей наземных и бортовых АФАР, работающих в условиях гравитации и инерционных нагрузок, реализованные с применением теплоотводящих оснований в виде плоских ТТ, устанавливаемых под поверхностью радиоэлектронной ячейки, ранее не применялись.
Технический результат полезной модели заключается в повышении эффективности отведения тепла от активных элементов ППМ АФАР, и его распределении по корпусу ППМ для дальнейшей передачи в систему охлаждения второй ступени жидкостного или воздушного типа, за счет установки ТТ непосредственно под радиоэлектронную ячейку и закрепления на ее поверхности тепловыделяющих радиоэлектронных элементов при помощи низкотемпературной пайки. Использование пайки позволяет исключить контактные термосопротивления, которые реализуются при установке элементов на поверхности ТТ с использованием теплопроводящих паст (эффективная теплопроводность стандартных термопаст не превышает 1-2 Вт/(мК), в то время, как теплопроводность металлических припоев достигает 40-70 Вт/(мК)). Снижение контактных термосопротивлений повышение интенсивности охлаждения активных радиоэлектронных компонентов ППМ, снижения их температуры нагрева, в процессе эксплуатации, что приводит к повышению надежности и долговечности системы в целом. Использование низкотемпературной пайки, то есть пайки с низкотемпературными припоями, которые не требуют температуры нагрева выше 150°С (например, ПОИН 52), позволяет проводить напайку элементов на поверхность ТТ без ее перегрева и температурных деформаций, которые могут приводить к повреждению и разгерметизации ТТ. Можно отметить, что применение пайки при изготовлении ТТ упоминается в патенте RU 2457417, однако это применение реализуется только в процессе изготовления самой трубки (для соединения стенок ее корпуса и установки разделителя внутри трубки), однако, пайка (или низкотемпературная пайки) в этом решении не используется в процессе монтажа тепловыделяющих элементов на поверхность ТТ.
Заявленный технический результат достигается тем, что приемо-передающий модуль АФАР с теплоотводящим основанием в виде плоской тепловой трубки, включающий корпус в виде открытого короба, в котором закреплена тепловая трубка толщиной от 1 до 4 мм, при этом, на тепловой трубке размещена печатная плата с радиоэлектронными тепловыделяющими элементами, с внешней стороны корпуса закреплен теплообменник внешней системы охлаждения, кроме того, в плате выполнены отверстия для крепления тепловыделяющих элементы непосредственно на тепловую трубку, сами элементы закреплены на тепловой трубке при помощи низкотемпературной пайки.
В частном случае исполнения тепловая трубка закреплена в корпусе при помощи низкотемпературной пайки.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен общий вид заявленного ППМ
На фиг. 2 изображен ППМ в разрезе и показана схема расположения плоской ТТ внутри корпуса и закрепленные на ней радиоэлектронные элементы ППМ.
Приемо-передающий модуль АФАР (позиция 1 на фиг. 1) включает радиоэлектронную ячейку в виде печатной платы (позиция 2 на фиг. 1), на которой расположены радиоэлектронные элементы (позиция 3 на фиг. 1), нагревающиеся в процессе работы АФАР и требующие организации системы охлаждения. Непосредственно под платой расположено теплоотводящее основание в виде плоской тепловой трубки (позиция 4 на фиг. 1) толщиной от 1 до 4 мм. С противоположной стороны корпуса располагается теплообменник внешней системы охлаждения (позиция 5 на фиг. 1). ТТ представляет собой плоскую герметичную конструкцию, содержащую капиллярно-пористый материал - фитиль (позиция 6 на фиг. 2) и канал для переноса пара (позиция 7 на фиг. 2). ТТ заполнена теплоносителем (вода, аммиак или этанол). ТТ осуществляет перенос тепла за счет энергии фазового перехода в результате движения теплоносителя в виде пара от области нагрева к области конденсации и обратно в виде жидкости по фитилю. Соединение наиболее мощных СВЧ-элементов, в которых происходит наиболее интенсивное тепловыделение (позиция 8 на фиг. 2) с ТТ осуществляется посредством пайки с низкотемпературным припоем (позиция 9 на фиг. 2). С противоположной стороны ТТ закрепляется на основание корпуса ППМ при помощи низкотемпературной пайки и паяльной пасты (позиция 10 на фиг. 2).