戴得德 高青松 李德世 郗 昱

（海裝裝備項目管理中心，北京100000）

1 有源組件散熱技術發(fā)展需求分析

隨著微波器件的飛速發(fā)展，大功率微波功率器件逐漸從硅雙極管、砷化鎵(GaAs)場效應晶體管向能夠輸出更高功率的氮化鎵(GaN)芯片技術過度，氮化鎵有源組件以其高功率、高效率、高可靠性等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)外的雷達系統(tǒng)中廣泛應用。同時為了實現(xiàn)有源相控陣雷達天線陣面小型化、輕量化和高可靠性的目標，氮化鎵芯片集成度越來越高，芯片尺寸越來越小的同時，熱耗和熱流密度急劇增大。因此，如何有效解決高熱流密度有源相控陣雷達TR 組件的熱設計問題至關重要。

目前，廣泛應用的有源組件散熱技術主要包括風冷、水冷、傳導冷卻(包括傳導到外殼及熱管傳導等)等技術。風冷技術利用空氣的自然對流和強迫對流現(xiàn)象，并且能夠通過改變翅片的形狀位置以及界面材料的導熱系數(shù)來加強換熱能力，具有成本低、安全可靠的特點，但隨著有源組件熱流密度的大幅增加，單純采用風冷散熱的方式已經(jīng)無法解決高熱流密度有源組件散熱問題。水冷散熱是相控陣雷達常用的散熱技術之一，有源組件的熱量首先傳遞到冷板上，再由冷板傳給冷卻液，最終由冷卻液把熱量帶走，水冷散熱具有較強的散熱能力，然而由于水冷系統(tǒng)存在冷卻液熱導率低、運動部件多、振動強、噪音大、可靠性差、體積功耗大等弊端，很難滿足小型系統(tǒng)和特殊工程應用的需求，特別在設備體積、重量受限、抗沖擊震動能力要高的情況下，通過提高水冷系統(tǒng)抗沖擊振動能力，設計難度加大的同時必然會導致水冷設備的體積和重量的增加。熱管是一種利用工質(zhì)蒸發(fā)、冷凝相變實現(xiàn)熱量高效傳輸?shù)脑瑹峁芫哂袃?yōu)良的等溫性、高熱傳導能力、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、無失效部件等優(yōu)點，在有源組件的熱控制方面廣泛應用，但其傳熱能力要受到其自身尺寸結(jié)構(gòu)、內(nèi)部工質(zhì)、吸液芯以及工作溫度等多種因素的制約，而且熱管的蒸發(fā)端散熱器需占用較大空間，使得加載在熱管上的熱負荷受到限制，熱輸運能力有限，其擴展至遠離熱源區(qū)域的熱量小，對于高熱流密度的點熱源，大部分熱量仍然局限在熱源處，當熱流密度＞100W/cm2時，應用熱管技術已無法解決有源組件的散熱問題。熱管技術“局部熱點”問題嚴重制約其在高熱流密度有源組件中的應用。

綜上，有必要探索新的熱傳導，技術提高和解決高熱流密度TR 散熱的技術難題。

2 液態(tài)金屬電磁驅(qū)動散熱技術分析

固液相變的散熱方式是一類值得探索的熱管理技術。眾所周知，物質(zhì)在固液相變過程中會吸收巨大的熱量而其自身溫度卻保持不變。這一特殊屬性可以用于實現(xiàn)溫度控制和熱量管理。相變儲熱具有蓄能密度大、蓄放熱過程近似等溫、易于控制和可靠性高等優(yōu)點。相變溫控技術并不需要風扇，從而避免風扇具有的振動大、壽命短、噪音大、在缺乏空氣的小型密閉系統(tǒng)中風冷效果差，在開放空間易導致肋片縫隙灰塵堵塞等缺點，因此固液相變散熱技術受到研究者越來越多的關注，在航空相機、衛(wèi)星、導彈電路以及機載行波管等方面逐漸被應用，因此，在有源組件熱設計中具有應用潛力。

低熔點液態(tài)金屬是一種特殊的相變材料，種熔點接近室溫，具有熱導率高(銦的熱導率為81.6W/ (m·K)，鎵的熱導率為29.4W/(m·K)，遠高于水的熱導率0.599W/(m·K))，單位體積相變潛熱大，相變時體積變化小，可靠性高等顯著優(yōu)勢，因此，液態(tài)金屬很早以前就作為換熱介質(zhì)（載熱劑）用于和反應堆中。液態(tài)金屬不易蒸發(fā)、不易泄露，安全無毒，物化性質(zhì)穩(wěn)定，易回收，是一種安全流動工質(zhì)，適用于對控溫精度要求高、熱流密度高、體積受限、均溫效果及對可靠性要求高的場合，尤其在超高熱流領域具有重要應用價值和潛力，是新一代高性能散熱技術的研究熱點。

液態(tài)金屬電磁驅(qū)動散熱技術利用液態(tài)金屬作為傳熱介質(zhì)，以電磁泵作為動力源，液態(tài)金屬循環(huán)流經(jīng)熱源表面實現(xiàn)散熱，散熱性能優(yōu)異，是未來高端散熱技術的發(fā)展方向，在高熱流密度有源組件散熱領域具有廣闊的應用前景。

3 仿真試驗

針對多點熱源的高熱流密度散熱系統(tǒng)進行仿真，分析對液態(tài)金屬點此驅(qū)動散熱技術解決高熱流密度散熱可行性進行分析。

GJB74A-98 中規(guī)定室外設備的工作溫度為50/55℃，有源組件的安全工作溫度為85℃，因此，散熱系統(tǒng)對有源組件的溫升應小于30℃。

系統(tǒng)結(jié)合某項目有源組件的尺寸限制，對2 個高熱流密度的點熱源和4 個低熱流密度點熱源的有源組件進行熱仿真分析，系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示，液態(tài)金屬物理特性如表2 所示，熱分析模型如圖1 所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

表2 液態(tài)金屬物性參數(shù)

圖1 熱分析模型

模擬環(huán)境溫度為40℃，風機風量為63CFM（105.84m3/h）的情況下，仿真結(jié)果如圖2、圖3 和表3 所示。

圖2 溫度云圖

圖3 液態(tài)金屬流線圖

表3 熱仿真結(jié)果

4 結(jié)論

通過理論分析和仿真驗證可以看出，液態(tài)金屬電磁驅(qū)動散熱技術是一種解決高熱流密度有源組件散熱問題的有效技術手段，并具有以下特點：

4.1 液體金屬具有遠高于水、空氣及許多非金屬介質(zhì)的熱導率，因此液態(tài)金屬散熱器相對傳統(tǒng)水冷可實現(xiàn)更加高效的熱量輸運及極限散熱能力；

4.2 液態(tài)金屬的高電導屬性使其可采用基于電磁感應原理的電磁泵驅(qū)動，無任何運動部件，驅(qū)動效率高，沒有任何噪音；

4.3 該散熱技術集肋片散熱和對流散熱于一體，大大拓展了傳統(tǒng)散熱方式的散熱表面；

4.4 散熱流道可以根據(jù)需要進行設計，能夠滿足多點熱源同時散熱的需求；

4.5 與其它散熱方式相比，散熱器體積小、重量輕、能耗低（僅為水冷系統(tǒng)功耗的1/10 左右）；

4.6 安全穩(wěn)定，可靠性高。