一种液幕式无人机载激光雷达散热结构

本发明涉及激光雷达领域，特别涉及无人机载测深激光雷达。

背景技术：

1、激光雷达具有：数据精度高、采集密度大、抗干扰能力强、作业高效等优点。在各个领域广泛应用，已成为当今科研热点。测深激光雷达作为激光雷达中的一个分支，已经广泛运用于水利学、船舶、海洋水文、地质勘探和水下测量等领域。其原理是通过采集海面和海底返回的两个激光脉冲信号数据，对回收数据进行处理，从而得到海底地形数据的技术。

2、无人机载测深激光雷达作为后起之秀，在迅速发展的同时也存在着严重的散热问题。例如，大功率激光器以及高速数据采集装置的工作温度在-20℃~60℃之间，而普通风冷散热装置无法满足需求，散热更好的传统液冷装置求由于功耗高、体积大、质量大等缺陷难以在无人机载激光雷达中使用，同样存在高功耗问题的半导体散热方式也是如此。因此，国际上对大功率lidar散热展开了大量研究。

3、武汉大学赵晓娜等人的专利号为cn202111156637.6，名称为一种激光雷达散热机构的发明专利，针对车辆停止后，车载激光雷达散热片效率低下，提出了一种散热机构，通过风速传感器控制散热风扇启停来达到有效散热，但包含大量风扇以及控制设备，仅适用于有能源供给的移动平台。

4、中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部万渊等人的名为《星载激光雷达激光器热控技术研究》的论文，对星载大气探测激光雷达中的固体激光器进行了空间环境下的热控设计仿真及试验研究，进行激光器在轨热设计及仿真，然后对激光器构型进行了设计优化。为大功率空间激光雷达载荷的热设计提供参考。

5、美国加州大学i-kai hsu等人的名为《direct observation of heatdissipation in individual suspended carbon nanotubes using a two-lasertechnique》的论文。为了确定当散热器与碳纳米管翅片桥接时，热量从热表面散发的效率如何，对隔离碳纳米管表面与其周围气体环境之间的热传递和热交换进行了研究。

6、北醒（北京）光子科技有限公司刘佳等人的专利号为cn202310917171.x，名称为接收pcba散热装置、激光接收模块和激光雷达的发明专利，针对激光器散热提出了一种热传导机构，将激光器的热量传递至激光雷达外壳来达到散热目的。

7、宁波信泰机械有限公司胡想明等人的专利号为cn202310116747.2，名称为一种激光雷达的散热结构的发明专利，一方面通过遮光板来防止外界热量对车载激光雷达产生影响，另一方面增加散热块来对激光雷达进散热。但由于缺乏主动散热导致散热效率较低。

8、北京图来激光科技有限公司张珂殊的专利号为cn202320085303.2，名称为一种用于激光雷达的散热结构及激光雷达的实用新型专利，通过利用风扇组合在激光雷达内部形成到热循环来达到散热目的。

9、现有技术风冷散热效率较低，难以满足无人机载设备高散热需求，液冷散热虽然可以满足散热需求，但是其高能耗，大质量等特点对无人机载设备负担太大。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，公开了一种液幕式无人机载激光雷达散热结构，在兼顾了轻量化和小体积的同时，没有额外能耗需求，满足无人机载设备的需求。

2、其技术方案实现为：

3、一种适用于无人机载激光雷达散热结构，包括有箱盖、箱座、箱内的激光雷达系统和橡胶塞。箱盖内含一个微型储液仓用于存放所需的冷却液，箱体容量v应当满足公式(1),以确保工作时长。

4、 (1)

5、其中，a为环境影响系数；t为温度（℃）；p为大气压强（pa）；h为环境湿度（%）；t为工作时间（h）；s为散热界面面积（cm2）。

6、同时,设有进液口、出液口、以及控制出液口流量的透气孔。为确保出液口冷却液流速稳定，保证散热效率，透气孔孔径不得大于出液口总口径1/4，以达到调节出液量的作用。储液仓内冷却液较多时，储液仓底部的出液口处压强大，因此出液口出冷却液流量大于透气孔空气流量，仓内形成负压，从而减小出液口流量。单个出液口直径应当小于1mm，以避免大量空气从出液口进入箱内削减透气孔调节作用。可设置多个小口径出液口满足需求流量需求。

7、同时将散热面板一体成型于箱盖以保证箱体的防水性能。散热面板设有散热界面，散热界面顶部与出液口相连接，呈s型排列在散热面板上。同时在出液口处以及散热界面各层设有引流通道。

8、散热界面表面材料/涂料与冷却液之间的接触角θ应当满足公式(2), 以确保冷却液在散热界面附着且不会滑落。

9、 (2)

10、其中

11、

12、其中γs为固体表面能(mn/m)；γl为液体表面能(mn/m)；ra为散热界面表面粗糙度。

13、散热界面要加工为大粗糙度表面或涂有吸附性涂层，与引流通道配合以确保冷却液的最大散热面积。在散热面板下端设有内向圆角以确保在特殊情况下，冷却液进入机箱损坏设备。以箱座作为箱体主要支撑结构，保证箱体的支撑稳定性。箱内的激光雷达部件固定在箱座。为了确保散热的高效性，将功耗发热严重的激光器以及高速数据存储设备等布置于紧贴散热面板内侧。橡胶塞则用于防止冷却液外泄。

14、散热结构工作过程如下：

15、在无人机载激光雷达工作前，打开出液口，储液仓中的冷却液在重力以及气压作用下流入引流通道，引流通道成对设立于散热界面的上下两端，根据其相对位置交替成为上、下端。上端引导冷却液流动使之可以分布到散热界面各处。下端除了对冷却液的引导作用之外，还可配合散热界面下端槽壁的设置倾斜角度或者挡板汇集散热界面多余冷却液。散热界面表面材料/涂料与冷却液之间的接触角θ应当满足公式(2), 以确保冷却液在散热界面附着且不会滑落。

16、无人机载激光雷达工作时，高速数据采集存储装置和激光器运行会产生大量热，使自身温度升高，与周围其他物质发生热传递。一方面，高速数据采集存储装置和激光器通过导热凝胶与散热面板进行热传递，将热量传导至散热面板。位于散热面板上引流通道中的冷却液在无人机运行产生的气流以及散热面板的升温的作用下蒸发相变得到加速，带走大量的热，使得散热面板温度降低，达到散热目的。另一方面，高速数据采集存储装置和激光器与箱体内空气发生热传递，使得空气温度升高。热空气由于密度小而上升接触箱盖，与箱盖进行热传递。箱盖内储液仓中储存的冷却液比热容要远大于箱体本身材质，箱体储热性能得到加强，即箱体自身散热性能得到加强，一定程度上可以使得箱体内部温度降低。储液仓底部的冷却液吸收一部分热量温度升高，一方面有助于加速相变过程，增加冷却液的利用率，另一方面，冷却液与散热面板的温度升高导致其表面能降低，有利于冷却液在散热界面附着。

17、在以下工作环境对比传统风扇散热：

18、环境温度为30℃，激光雷达散热面板温度为60℃，无人机飞行速度为5m/s，空气湿度为40%。

19、1.使用两个直径为5cm，转速为5000rpm，风量为10cfm的风扇，工作一小时可带走的热量为 1200kj。

20、2.在此工作环境下，以水作为冷却液，散热界面面积为200cm2，工作一小时带走的热量为 5315.72kj。

21、与现有技术相比本发明显著进步在于：

22、(1) 散热性能：本发明是利用冷却液相变吸收能量而使得机箱温度变低，散热的效率是传统风冷散热难以企及的。而对比传统相变制冷（散热），本发明利用无人机正常运行产生经过箱体的气流加速冷却液的相变过程，散热性能不亚于传统相变制冷（散热）。

23、(2) 体积质量：对比传统相变制冷（散热），本发明无需额外任何装置，一切设计都与箱体结合，对无人机的额外负载只来自于少量的冷却液的质量。

24、(3) 环保：无需任何能耗。本发明消耗冷却液来达到散热目的。