某無人機(jī)功放載荷被動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

謝明君，王建，孫彤輝

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

機(jī)載電子設(shè)備呈現(xiàn)多功能、高密度封裝、高速工作等特點(diǎn)，由此帶來電子元件的發(fā)熱量不斷提高，體積要求卻不斷減小。高熱流密度元件的散熱問題已經(jīng)成為影響電子設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。無人機(jī)因其相對于傳統(tǒng)載機(jī)平臺無法比擬的優(yōu)勢，逐漸成為各國軍事裝備的重要平臺，特別是偵查干擾一體化無人機(jī)目前是國內(nèi)外各軍工研究機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。功率放大器作為偵查干擾載荷中的關(guān)鍵部件，溫度過高會(huì)降低設(shè)備可靠性和指標(biāo)，影響系統(tǒng)偵查范圍和干擾壓制效果。研究和實(shí)際應(yīng)用表明，半導(dǎo)體元器件每升高10℃，系統(tǒng)可靠性可靠性降低50%。

熱設(shè)計(jì)是機(jī)載功放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，對軍用電子設(shè)備熱分析有兩個(gè)重要的要求，第一預(yù)計(jì)各器件的工作溫度；第二使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)最優(yōu)化，提高設(shè)備的可靠性。最終的熱設(shè)計(jì)方案應(yīng)綜合考慮各方面的因素，使其即能滿足熱設(shè)計(jì)要求，又能兼顧體積、重量、耗電可靠性等條件，且代價(jià)最小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。

1 問題描述

無人機(jī)平臺具有體積小、內(nèi)部空間尺寸受限、載重量低、電力資源低的特點(diǎn)。某無人機(jī)平臺偵查干擾項(xiàng)目包含三段功放載荷，總散熱量高達(dá)2100W。局部最大熱流密度為20W/cm2，環(huán)境溫度為55℃條件下，無人機(jī)飛飛行高度為3000m，速度為250km/h。要求散熱結(jié)構(gòu)重量不超過20kg，耗電功率不高于50W，保證功放芯片殼溫滿足表1 要求。

表1 功放載荷匯總表

2 問題分析

目前機(jī)載電子設(shè)備常用的冷卻技術(shù)主要有空氣自然冷卻技術(shù)、空氣強(qiáng)迫對流冷卻技術(shù)、冷板技術(shù)、液體冷卻技術(shù)、相變蒸發(fā)冷卻技術(shù)、熱電制冷技術(shù)及熱管技術(shù)，以及航天領(lǐng)域發(fā)明的環(huán)路熱管CPL 技術(shù)。

空氣自然冷卻是依靠系統(tǒng)各部分溫度差產(chǎn)生的空氣流動(dòng)帶走熱量，是一種安全、可靠不需要外加動(dòng)力的冷卻方式，但無法解決熱流密度超過0.8W/cm2的冷卻問題；相變蒸發(fā)技術(shù)適用于彈載平臺及脈沖工作體制這類短時(shí)間或間歇性工作的場景；熱電制冷是建立在帕爾貼效應(yīng)基礎(chǔ)上的一種電制冷方法，效率較低，需要消耗大量的電力資源；液體冷卻散熱能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)冷卻對象的高集成度設(shè)計(jì)，但是需要額外的液冷機(jī)組，功耗大、重量高，還存在漏液、腐蝕等影響安全性和可靠性的問題。

強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，結(jié)合熱管、VC 均溫板、導(dǎo)熱石墨等高效傳熱技術(shù)，優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)擴(kuò)展散熱面積，增加流體擾動(dòng)提高結(jié)構(gòu)的散熱能力，在同等條件下是無人機(jī)載荷優(yōu)選的散熱方式。

2.1 冷卻方案設(shè)計(jì)

三段功放共8 個(gè)模塊，主要發(fā)熱器件為功率管，具有體積小、功率大、熱流密度大的特點(diǎn)。采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的關(guān)鍵在于擴(kuò)展散熱面積并降低傳熱路徑的熱阻，還要解決散熱所要求的高散熱面積和結(jié)構(gòu)重量限制，以及大風(fēng)量需求與要求低耗電這兩對矛盾。

根據(jù)無人機(jī)平臺的特點(diǎn)，進(jìn)一步考慮三段功放載荷結(jié)構(gòu)技術(shù)要求和六性要求，確定技術(shù)路線如下：第一采用環(huán)路熱管技術(shù)開展傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，環(huán)路熱管具有傳輸距離長，不受重力方向的限制的優(yōu)點(diǎn)，可以靈活設(shè)計(jì)傳熱結(jié)構(gòu)并有效降低傳熱路徑的熱阻。第二通過傳熱結(jié)構(gòu)將各個(gè)模塊分布的熱源熱量收納歸集，采用高密度翅片散熱器擴(kuò)展散熱面積，用無人機(jī)飛行時(shí)產(chǎn)生的高速空氣帶走換熱器的熱量。被動(dòng)散熱結(jié)構(gòu)具有無運(yùn)動(dòng)部件、無電力消耗、免維護(hù)、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的特點(diǎn)。

2.2 傳熱設(shè)計(jì)

環(huán)路熱管是一種毛細(xì)泵驅(qū)動(dòng)的兩相流體回路系統(tǒng)。其工作原理為：液體在蒸發(fā)器中的毛細(xì)芯外表面蒸發(fā)，吸收蒸發(fā)器外的熱量，產(chǎn)生的蒸氣從蒸氣管線流向冷凝器，在冷凝器中釋放熱量給熱沉冷凝成液體，最后經(jīng)過液體管路流入儲液器，儲液器內(nèi)的液體工質(zhì)維持對蒸發(fā)器內(nèi)毛細(xì)芯的供給，原理如圖1 所示。

圖1 環(huán)路熱管工作原理圖

單路模塊的傳熱結(jié)構(gòu)由蒸發(fā)器、管路、板翅換熱器組成，蒸發(fā)器內(nèi)部工質(zhì)為丙酮，管路與換熱器之間采用低溫釬焊工藝，三維模型如圖2 所示。功放模塊安裝在環(huán)路熱管蒸發(fā)器上，熱量通過盒體底板傳遞至蒸發(fā)器，蒸發(fā)器內(nèi)部液體吸收熱量轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝ㄟ^不銹鋼管線傳遞至板翅換熱器上下底板，然后由底板傳導(dǎo)至翅片，沖壓空氣通過翅片帶走熱量，如圖3所示。

圖2 單模塊傳熱結(jié)構(gòu)三維模型

圖3 傳熱結(jié)構(gòu)傳熱路徑圖

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

L 頻段功放和C 頻段功放尺寸相等，散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循模塊化、輕量化、可拆卸的思路，各部分模型詳見圖4，將L/C 功放載荷散熱結(jié)構(gòu)按照功能劃分為承力結(jié)構(gòu)（1），傳熱結(jié)構(gòu)（2）和風(fēng)道結(jié)構(gòu)（3），在實(shí)現(xiàn)各部分功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕、薄、小的方向優(yōu)化。材料采用6061 鋁合金，各部分之間通過緊固螺栓+點(diǎn)膠的方式聯(lián)接，超短波功放散熱結(jié)構(gòu)（4）單獨(dú)設(shè)計(jì)。三段功放載荷及散熱結(jié)構(gòu)裝配三維模型如圖5 所示，散熱結(jié)構(gòu)安裝平面與無人機(jī)下腹部蒙皮齊平，即風(fēng)道結(jié)構(gòu)沿航向突出在無人機(jī)機(jī)艙外部。各部分獨(dú)立可拆卸，加工可控，整體結(jié)構(gòu)緊湊，重量18.5kg 滿足指標(biāo)要求的目標(biāo)。

圖4 散熱結(jié)構(gòu)各部分三維模型

圖5 散熱結(jié)構(gòu)裝配三維模型

2.4 溫度仿真

使用熱仿真軟件ANSYS Icepak 對單模塊傳熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱仿真，環(huán)境溫度為55℃條件下，芯片殼溫最高為103.3℃，滿足殼溫要求，各部件溫度詳見表2，環(huán)路熱管散熱器仿真結(jié)果如圖6 所示，L/C 功放模塊滿足高溫工作要求。

圖6 環(huán)路熱管傳熱結(jié)構(gòu)溫度云圖

表2 L/C 模塊溫度計(jì)算結(jié)果

超短波功放熱功耗共計(jì)250W，散熱器與屏蔽盒一體化設(shè)計(jì)，保證散熱效果前提下采用疏翅設(shè)計(jì)降低風(fēng)阻，遠(yuǎn)離熱源端效率不高的翅片部分進(jìn)行了切除減重，仿真結(jié)果顯示，芯片殼溫為136.8℃，滿足溫度要求（圖7）。

圖7 超短波功放溫度云圖

3 測試驗(yàn)證

室溫20℃條件下進(jìn)行了傳熱結(jié)構(gòu)的性能測試，傳熱結(jié)構(gòu)蒸發(fā)器相對于環(huán)境溫度的溫升約為17℃，優(yōu)于仿真設(shè)計(jì)指標(biāo)20℃，詳見圖8。功放載荷散熱結(jié)構(gòu)樣機(jī)在溫箱中進(jìn)行了高溫試驗(yàn)，三段模塊滿功率工作，使用EBM6424 風(fēng)機(jī)模擬沖壓空氣流量，采用熱電阻測溫儀TP9000 對溫度進(jìn)行采集，L/C功放芯片殼溫97.5℃，為超短波功放殼溫為135℃，滿足設(shè)計(jì)要求（圖9）。

圖8 傳熱結(jié)構(gòu)溫度測試結(jié)果

圖9 樣機(jī)試驗(yàn)測試現(xiàn)場

4 結(jié)語

針對無人機(jī)功放載荷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊重量輕耗電低傳熱路徑熱阻小的特點(diǎn)，采用環(huán)路熱管設(shè)計(jì)了傳熱結(jié)構(gòu)，對三段功放載荷的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模塊化集成化設(shè)計(jì)，使用熱仿真軟件進(jìn)行了散熱仿真分析，樣機(jī)測試結(jié)果表明，無人機(jī)功放載荷散熱結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)思路和結(jié)構(gòu)形式對同類問題具有一定的參考作用。