密閉機箱內部可見光相機的散熱解決方案

杜　杰，馬俊林（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春　130033）

密閉機箱內部可見光相機的散熱解決方案

杜杰，馬俊林
（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033）

本文針對位于密閉機箱內的可見光相機的散熱問題，通過散熱結構設計以及應用Ansys Workbench進行散熱效果仿真，得出了兩種散熱方式的特點，為具體的散熱應用提供參考。

密閉機箱相機散熱；散熱方案；Workbench

0　引言

在電磁兼容要求較高的機箱設計中，往往采用密閉的機箱結構。密閉的機箱雖然保證了足夠的電磁屏蔽效能，但是不利于內部發熱器件的散熱。可見光相機對溫度敏感，當工作溫度超出其使用溫度范圍時，導致圖像質量下降。因此，本文將重點研究如何解決密閉機箱的散熱問題。

1　散熱方案

本文研究安裝于密閉機箱內的可見光相機散熱方案。設計的關鍵是將相機外殼的熱量快速地傳遞到對溫度不敏感的部位。

1.1熱管

熱管是一種具有很高導熱性能的傳熱元件。普通熱管由管殼、起毛細作用的多孔結構物——吸液芯，以及傳遞熱能的工質構成［1］。

沿軸向分為三段：蒸發段、絕熱段和冷凝段。其工作原理是：外部熱源通過蒸發段的管壁和浸滿工質吸液芯的導熱使液體工質升溫，液面蒸發，達到飽和蒸氣壓，在壓差的作用下，蒸氣流向低壓且溫度也較低的冷凝段，在氣液界面上冷凝，放出潛熱，傳給管外冷源。冷凝的液體通過吸液芯回流到蒸發段，完成一個循環。

熱管的特點：（1）相變傳熱，比金屬的傳熱能力大得多；（2）具有優良的熱響應性；（3）可從狹窄空間取出熱量并遠距離傳遞熱量。

1.2兩種散熱方案

（1）肋片散熱器散熱。采用熱管將相機底部及兩側的熱量傳輸到肋片散熱器，通過自然對流和強迫對流（風扇）帶走散熱器上的熱量［2］。設計如圖1-1所示，1-可見光相機，2-肋片散熱器，3-散熱器底座，4-熱管。

圖1-1　“熱管+肋片散熱器”散熱設計

相機底部通過熱管導熱至肋片，相機側面導熱至肋片；溫度較低時，自然對流散熱，溫度較高時，位于相機兩側的風扇開啟，強迫對流散熱。

（2）熱管導熱至機箱。利用熱管將相機產生的熱量導至機箱，機箱對溫度不敏感，散熱面積大，通過外部環境的自然對流散熱［3］。設計如圖1-2所示，1-機箱，2-機箱接觸銅片，3-熱管，4-相機接觸銅片，5-可見光相機。

兩塊銅片增大了熱管與相機和機箱接觸面積，接觸處有較高的粗糙度要求，并涂導熱脂。

2　基于Ansys Workbench的散熱效果對比

為了檢驗兩種散熱方式的散熱效果，采用Workbench進行穩態熱分析，獲得穩態溫度場。溫度場是一個時間函數，用于反映任意時刻任意點的溫度值。當各點的溫度不再隨時間改變，便形成了穩態溫度場［4］。

圖1-2　通過熱管將相機熱量導入機箱

簡化模型，導入workbench。選擇材料屬性，賦予相應的元件，確定熱載荷及熱邊界條件。經過計算，獲得穩態溫度場，如圖2-1所示。

圖2-1　兩種散熱設計的穩態溫度場

圖2-1（a），相機溫升較小，穩態最高溫度為50.3℃，機箱內部溫度為45℃，溫升為5.3℃。

圖2-1（b），相機最高溫度37.2℃，機箱最低溫度23.4℃，溫差為13.8℃，由于自然對流換熱能力較小且機箱內部溫度為45℃，溫升較大。

3　結論

對比兩種散熱設計的溫度場仿真數據，設計一中相機的溫升較小，受機箱內部環境溫度影響較大；設計二中，熱量傳遞到外界環境，相機相對于機箱的溫升較大，相機自身溫度較低。兩種設計各有優點：設計一適用于機箱內溫度較低，且外部自然對流條件較差的情況下，其降溫速度快，溫升低。設計二適用于機箱內溫度較高，外界溫度較低且自然對流條件良好的情況。因此，在密閉機箱的相機散熱設計要根據所處環境的歷史統計數據，選擇更適合的一種設計方法，或者將二者結合。

［1］余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設備熱設計及分析技術［M］.北京航空航天大學出版社，2008.

［2］張捷.航空相機焦面組件的相變散熱研究［D］.中國科學院大學，2013.

［3］郭亮，吳清文，黃勇，王淑榮.熱管理技術在紫外成像光譜儀熱控制中的應用［J］.光學精密工程，2014，22（07）：1878-1884.

［4］時鶴，李婧婧.基于Workbench的開關柜箱體穩態熱分析應用［J］.機電技術，2013（04）：44-45.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.022