密閉式紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)研究

賀 媛,溫慶榮,徐明軒,張曉亮

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

軍工電子產(chǎn)品在保證其可靠性的同時(shí),對(duì)產(chǎn)品的小型化、輕量化以及惡劣環(huán)境條件下的應(yīng)用等均提出更高的要求。因此,勢(shì)必引起電子產(chǎn)品內(nèi)部電子元器件的功率密度的不斷增加,進(jìn)而引起散熱量的增加。在密閉的環(huán)境內(nèi),如果各電子元器件工作中產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散出,導(dǎo)致熱量聚積,引起電子元器件的溫度過(guò)高甚至超過(guò)其極限值,將會(huì)造成電子產(chǎn)品的失效,降低其可靠性[1-2]。研究表明,55 %的電子產(chǎn)品的故障都與溫度有關(guān)[3]。因此,進(jìn)行電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)工作,是保證產(chǎn)品可靠性的重要環(huán)節(jié)。研究密閉產(chǎn)品的散熱,對(duì)提高產(chǎn)品的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性具有至關(guān)重要的意義。

本文詳細(xì)介紹了對(duì)密閉式紅外傳感器的熱仿真分析和結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化,通過(guò)對(duì)產(chǎn)品散熱翅片的結(jié)構(gòu)和風(fēng)扇的選擇與位置優(yōu)化確定了該產(chǎn)品的最優(yōu)熱設(shè)計(jì)方案。

2 基于熱設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析

2.1 產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

密閉式紅外傳感器的制冷機(jī)在工作時(shí)制冷過(guò)程中的峰值功率120 W,探測(cè)器到溫后的平均功率為60 W。并且系統(tǒng)中包含功率范圍為1～7 W的8塊PCB。該產(chǎn)品要求在淋雨、沙塵等環(huán)境下工作,故有密封防水性的要求,因此產(chǎn)品內(nèi)部各個(gè)發(fā)熱模塊所處空間為密閉空間。

該密閉式產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性要求如下:

1) 工作溫度:-40～+55 ℃；

2) 在55 ℃高溫環(huán)境下開(kāi)機(jī)試驗(yàn),保溫4 h后,設(shè)備可以連續(xù)正常工作2 h以上；

3) 環(huán)境溫度55 ℃時(shí),要求產(chǎn)品殼內(nèi)環(huán)境最高溫度和制冷機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作溫度不超過(guò)80 ℃,各PCB芯片工作溫度應(yīng)控制在90 ℃以下。

2.2 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成

該產(chǎn)品各個(gè)組件置于密閉的機(jī)箱內(nèi),內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括各個(gè)光學(xué)鏡片、結(jié)構(gòu)支撐件、探測(cè)器及制冷機(jī)等。另外,產(chǎn)品內(nèi)部配有電機(jī)、PCB等以實(shí)現(xiàn)工作。密閉式紅外傳感器的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

該產(chǎn)品的主要發(fā)熱器件包括:如圖2所示,功率為60 W的制冷機(jī)以及散布于結(jié)構(gòu)支撐件兩側(cè)的功率范圍為1-7W的PCB。主要熱設(shè)計(jì)組件包括:如圖2所示,制冷機(jī)外側(cè)包絡(luò)面安裝的散熱翅片I、II；制冷機(jī)側(cè)方并排安裝的兩個(gè)風(fēng)扇,底部安裝的一個(gè)風(fēng)扇。

圖1 密閉式紅外傳感器的結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structural composition of the sealed infrared sensor

在5 W的PCB處安裝的散熱翅片；在7 W的PCB處安裝的一個(gè)風(fēng)扇。其中,散熱翅片與發(fā)熱器件間均涂有導(dǎo)熱硅脂,所有風(fēng)扇都為鼓風(fēng)風(fēng)扇,向相應(yīng)發(fā)熱器件吹風(fēng)。另外,在機(jī)箱上方接近制冷機(jī)處設(shè)計(jì)散熱翅片,如圖3所示,以加快機(jī)箱內(nèi)部與外部的換熱。

2.3 機(jī)箱環(huán)境分析

機(jī)箱內(nèi)部和外部環(huán)境是隔離的,即密閉式機(jī)箱。工作時(shí),機(jī)箱內(nèi)制冷機(jī)和PCB模塊產(chǎn)生的熱量主要由風(fēng)扇強(qiáng)迫吹風(fēng)快速傳遞到機(jī)箱壁上,未安裝風(fēng)扇處PCB模塊產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流散熱傳遞到機(jī)箱壁上,機(jī)箱的六個(gè)壁面主要通過(guò)空氣自然對(duì)流和輻射的方式和外部環(huán)境進(jìn)行熱交換。

2.4 機(jī)箱熱設(shè)計(jì)

考慮散熱方式選擇[4],機(jī)箱表面積S為753640 mm2,機(jī)箱總功率P為85 W,因此機(jī)箱熱流密度為:

q=P/S=1.13×10-4W/mm2

(1)

圖2 密閉式紅外傳感器的發(fā)熱器件與熱設(shè)計(jì)組件Fig.2 Heating device and thermal design of the sealed infrared sensor

圖3 密閉式紅外傳感器熱設(shè)計(jì)組件Fig.3 Thermal design of the sealed infrared sensor

根據(jù)冷卻方式選擇標(biāo)準(zhǔn)和該產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)要求,設(shè)定溫升值為30 ℃,則溫升和熱流密度的交點(diǎn)落在空氣自然對(duì)流和輻射區(qū)域,因此該產(chǎn)品選擇空氣自然對(duì)流和輻射的冷卻方式可以滿足系統(tǒng)散熱要求。密閉機(jī)箱自然冷卻的熱流計(jì)算公式如下[5]:

(2)

式中,方程右側(cè)第一項(xiàng)為自然對(duì)流的換熱量；第二項(xiàng)為熱輻射的換熱量；AS、At、Ab分別表示機(jī)箱的側(cè)面積、頂面積和底面積；A表示參與輻射的表面積；Δt表示機(jī)箱的溫升值；δ0表示斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；ε表示機(jī)箱表面的發(fā)射率；Tm表示機(jī)箱的表面溫度和環(huán)境溫度的平均值,即:

(3)

式中,T表示機(jī)箱的表面溫度；Ta表示環(huán)境溫度。

3 基于Icepak軟件的產(chǎn)品穩(wěn)態(tài)熱分析

3.1 幾何模型的建立

將紅外傳感器的CAD模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入Icepak熱分析軟件中,模擬實(shí)際產(chǎn)品的參數(shù)建立幾何模型[6]。具體的幾何模型分析及參數(shù)設(shè)置步驟如下:

1) 根據(jù)產(chǎn)品的尺寸參數(shù)確定求解域的區(qū)域面積大小,考慮到重力影響,在重力方向適當(dāng)加大求解域面積；

2) 賦予模型中各個(gè)模塊材料、功耗以及導(dǎo)熱率；

3) 參考產(chǎn)品手冊(cè)輸入各個(gè)風(fēng)扇相應(yīng)的性能曲線；

4) 涂有導(dǎo)熱硅脂的位置建立plate模型,并輸入導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱率。

建立完成的密閉式紅外傳感器的Icepak分析模型如圖4所示。

圖4 密閉式紅外傳感器Icepak模型Fig.4 Lcepak model of the sealed infrared sensor

3.2 邊界條件的設(shè)置

該仿真模擬高低溫箱中的高溫環(huán)境,因此將外部環(huán)境設(shè)置為無(wú)風(fēng)的普通大氣環(huán)境,并將求解域Cabinet的Wall type設(shè)置為Opening。該產(chǎn)品主要依靠機(jī)箱和空氣之間的對(duì)流換熱和輻射換熱進(jìn)行散熱,因此考慮到熱輻射的影響,計(jì)算中需要打開(kāi)熱輻射開(kāi)關(guān)。

3.3 網(wǎng)格劃分

采用Mesher-HD方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,根據(jù)Cabinet和模型最小對(duì)象的尺寸設(shè)置背景網(wǎng)格和最小間隙值。結(jié)合網(wǎng)格質(zhì)量檢查對(duì)于網(wǎng)格質(zhì)量差的位置加大網(wǎng)格劃分級(jí)數(shù)或進(jìn)行局部網(wǎng)格加密,最終獲得質(zhì)量較好的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置及劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 密閉式紅外傳感器的網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh generation of the sealed infrared sensor

3.4 模型求解

結(jié)合網(wǎng)格劃分的單元數(shù)量,為確保求解收斂,設(shè)置求解步數(shù)為200步。考慮輻射的影響,打開(kāi)輻射開(kāi)關(guān)。點(diǎn)擊Basic setting界面中的reset,得出系統(tǒng)Reynolds number為21585,因此,本次仿真中的流體求解類(lèi)型為T(mén)urbulent,并設(shè)置方程類(lèi)型為Zero equation。機(jī)箱外部為自然對(duì)流情況,因此,需設(shè)置重力方向并選擇默認(rèn)重力值。最后,設(shè)置環(huán)境溫度、輻射溫度、默認(rèn)流體和默認(rèn)材料屬性等。

將核心發(fā)熱器件制冷機(jī)的兩個(gè)子模型拖動(dòng)至監(jiān)控點(diǎn)Points模型樹(shù)下,實(shí)現(xiàn)求解過(guò)程中自動(dòng)監(jiān)測(cè)這些器件中心點(diǎn)的溫度。求解的殘差曲線和溫度監(jiān)控點(diǎn)曲線分如圖6和圖7所示。

3.5 模型后處理與仿真結(jié)果分析

求解結(jié)束后,得出模型溫度云圖分布。環(huán)境溫度為55 ℃時(shí),密閉式紅外傳感器的穩(wěn)態(tài)溫度分布體云圖如圖8所示；穩(wěn)態(tài)溫度分布切面云圖如圖9所示；各發(fā)熱器件的溫度如圖10所示。

圖6 殘差曲線Fig.6 Residual curve

圖7 溫度監(jiān)控點(diǎn)曲線Fig.7 Curve of temperature monitoring points

圖8 穩(wěn)態(tài)溫度分布體云圖Fig.8 Body cloud diagram of steady state temperature

圖9 穩(wěn)態(tài)溫度分布切面云圖Fig.9 Section cloud diagram of steady state temperature

圖10 各發(fā)熱器件的溫度Fig.10 Temperature of the heating device

觀察圖8得出仿真結(jié)果的最高溫度為86.17 ℃,最低溫度為預(yù)設(shè)的環(huán)境溫度55 ℃；觀察圖9得出仿真結(jié)果中機(jī)箱的溫度在65 ℃左右,機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境溫度在75 ℃左右。各發(fā)熱器件的具體仿真溫度值如圖10所示,制冷機(jī)的兩個(gè)子模型最高溫度分別為83.47 ℃和80.62 ℃,其余高溫項(xiàng)均為各PCB的溫度值,其仿真值的分布范圍為78.39～86.17 ℃之間。

如表1所示為該產(chǎn)品的高溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比。仿真結(jié)果誤差為3.8 %,屬于可接受范圍,證明了該仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 高溫實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of high temperature test and simulation data

4 熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于制冷機(jī)的工作溫度要求在80 ℃以下,初步設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在試驗(yàn)中存在散熱不佳的問(wèn)題,且第3節(jié)仿真驗(yàn)證了制冷機(jī)的高溫工作溫度已超過(guò)80 ℃,因此需要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)優(yōu)化。結(jié)合第2節(jié)中對(duì)該產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)介紹,將該產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化分為散熱翅片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及風(fēng)扇的選擇與位置優(yōu)化兩部分。

4.1 散熱翅片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

參考文獻(xiàn)[1]的研究得,密閉電子產(chǎn)品中,散熱翅片的個(gè)數(shù)N越多,高度H越高,厚度b越薄,散熱效果越好。因此,本文結(jié)合整體的布局及尺寸要求,優(yōu)化該產(chǎn)品的散熱翅片結(jié)構(gòu),考慮到加工工藝性,對(duì)翅片厚度b不做優(yōu)化；考慮結(jié)構(gòu)尺寸的限制,對(duì)制冷機(jī)散熱翅片I的高度H和制冷機(jī)散熱翅片II的個(gè)數(shù)N不做優(yōu)化。最終確定的散熱翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的參數(shù)對(duì)比如表2,各散熱翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的模型如圖11所示。

表2 散熱翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后參數(shù)Tab.2 Data of fins before and after structural optimization

圖11 各散熱翅片結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后模型Fig.11 Model of fins before and after structural optimization

將優(yōu)化后的模型重新輸入Icepak中仿真,得出制冷機(jī)的兩個(gè)子模型最高溫度分別由初步設(shè)計(jì)的83.47 ℃和80.62 ℃降低為83.05 ℃和80.41 ℃,未有明顯提高,說(shuō)明初步設(shè)計(jì)中已充分考慮散熱翅片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),僅靠散熱翅片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化已不能滿足整體的熱設(shè)計(jì)需求。

4.2 風(fēng)扇的選擇與位置優(yōu)化

結(jié)合產(chǎn)品整體的尺寸和組件布局,將風(fēng)扇與制冷機(jī)散熱翅片的距離設(shè)置為0到20 mm的可變參數(shù),每間隔5 mm取一組數(shù)值,利用Icepak進(jìn)行參數(shù)化仿真,得出制冷機(jī)的兩個(gè)子模型最高溫度隨風(fēng)扇與制冷機(jī)散熱翅片的距離的關(guān)系如圖12所示。

分析圖12可得,制冷機(jī)的兩個(gè)子模型最高溫度最優(yōu)分別降低為82.59 ℃和80.41 ℃,仍不能滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求。因此,需要增加風(fēng)扇個(gè)數(shù)或選用更大風(fēng)扇以增加散熱強(qiáng)度。考慮到該產(chǎn)品的尺寸限制并參考風(fēng)扇選型的產(chǎn)品手冊(cè),選擇在制冷機(jī)散熱翅片I的另一側(cè)并排增加兩個(gè)同樣型號(hào)的風(fēng)扇。基于散熱翅片的結(jié)構(gòu)和初步選擇的風(fēng)扇的位置優(yōu)化,將增加兩個(gè)風(fēng)扇的模型重新輸入Icepak中仿真,獲得新產(chǎn)品的內(nèi)部溫度場(chǎng)分布,如圖13所示。

圖12 制冷機(jī)最高溫度隨風(fēng)扇與散熱翅片的距離關(guān)系Fig.12 The relations of refrigerator maximum temperature and distance between fans and fins

分析優(yōu)化結(jié)果可得制冷機(jī)的兩個(gè)子模型最高溫度分別由初步設(shè)計(jì)的83.47 ℃和80.62 ℃降低為78.38 ℃和77.37 ℃,分別降低了5.09 ℃和3.25 ℃；機(jī)箱內(nèi)器件的最高溫度由86.17 ℃降至84.64 ℃；機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境溫度由75 ℃左右降至71 ℃左右。說(shuō)明優(yōu)化后的設(shè)計(jì)符合產(chǎn)品要求,滿足在55 ℃高溫環(huán)境下正常工作的需求。

圖13 優(yōu)化后穩(wěn)態(tài)溫度分布體云圖Fig.13 Body cloud diagram of steady state temperature after optimization

5 結(jié) 論

本文首先基于熱設(shè)計(jì)分析密閉紅外傳感器的結(jié)構(gòu)；然后利用Icepak熱分析軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了熱仿真分析,得出該產(chǎn)品在55 ℃高溫環(huán)境下工作時(shí)溫度場(chǎng)的分布情況；最后通過(guò)散熱翅片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和風(fēng)扇的選擇與位置優(yōu)化兩方面完成了熱設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)整個(gè)再設(shè)計(jì)過(guò)程,使得核心發(fā)熱器件的工作溫度滿足設(shè)計(jì)需求,并且有效降低了紅外傳感器整體的工作溫度,使得結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化后的產(chǎn)品滿足研制總要求。

經(jīng)過(guò)本文的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)優(yōu)化,在55 ℃高溫環(huán)境下工作時(shí),紅外傳感器內(nèi)部環(huán)境溫度由75 ℃左右降至71 ℃左右；制冷機(jī)的兩個(gè)子模型最高溫度分別由初步設(shè)計(jì)的83.47 ℃和80.62 ℃降低為78.38 ℃和77.37 ℃。利用熱分析軟件,能夠在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)其散熱效果進(jìn)行模擬分析,不僅節(jié)約了設(shè)計(jì)成本,還能有效減小由于產(chǎn)品散熱不佳導(dǎo)致的產(chǎn)品失效,保證了產(chǎn)品的可靠性。