利用芯片廢熱加熱鏡頭玻璃除霧的技術研究

肖偉，侍書成，張裕，章鋼，袁瑞明，賴學華

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 310012）

引言

安裝在室外環境下的攝像機，攝像機的鏡頭區域內外呈現很小的溫度梯度。外部環境溫度下降時，攝像機內的溫度隨之下降，當到達機內空氣露點溫度時，空氣中的水汽容易在玻璃上進行凝結，形成霧，造成影像模糊。目前常用的解決方案：①增加干燥劑[2]吸附攝像機里的水分，缺點是時間長干燥劑容易失效，同時也沒辦法完全吸收水汽；而在振動時容易產生粉末小顆粒，污染鏡頭；②在玻璃上進行噴涂防止凝結涂層[3]，缺點是不耐有機溶劑，時間長容易失效；③在設備安裝時充氮氣，排空設備里的水蒸氣，缺點是需在特定的環境下裝配，對設備的密封要求高，結構設計復雜，成本高；④ITO加熱玻璃，通過對玻璃進行加熱，達到去除霧氣的目的，缺點是需要提供額外的能量[4]；⑤玻璃吹風[5]，通過風扇對玻璃吹風，達到去除霧氣目的，缺點是風扇壽命和需提供額外的能量；⑥雨刷，通過在玻璃上安裝雨刷，起霧時啟動雨刷進行除霧，缺點是可靠性不高，額外增加能量，對設備的尺寸有一定的要求。本文創新性地研究對芯片產生的廢熱進行有效利用。通過柔性熱管，使芯片產生的熱量傳導至鏡頭玻璃處并對其加熱，到達除霧的目的。同時也可以為節能減排，綠色產業提供一點參考。

1 除霧理論分析

1.1 起霧機理

設備裝配是在恒定的環境溫度和濕度條件下進行的，當裝配完畢，設備內腔的環境基本比較穩定，內腔空氣中的含水量，凝結核的含量基本穩定在一定的范圍內，當沒有急劇的溫度變化時，內腔空氣中的水蒸氣達不到飽和狀態，不會有霧氣產生，而該設備處于室外時，外界的環境溫度急劇下降，設備內和設備外產生溫度差，導致設備內熱量流失到外部，當熱量交換處于動態平衡時，此時內外溫度相對穩定，處于這個溫度下的內腔空氣假若處于過飽和狀態，空氣中的水蒸氣就會在凝結核的作用下進行凝結。參考圖1說明攝像機內起霧的全過程。黑色框代表攝像機壁面，綠色框代表靠近壁面的微薄空氣層，黃色為鏡頭玻璃，內腔溫度T1；外界環境溫度T0；空氣薄層溫度T2。腔內空氣溫度處于T1時，空氣水蒸氣未飽和，不會產生凝結現象。當外界環境溫度為T0時，假設總熱量均勻的從四周傳導到外部環境，分析兩種狀況；

圖1 攝像機內起霧機理示意圖

狀況一：當T0＜T1時，熱量Q將從腔體內部向外界環境進行傳導，在傳導過程中，由于壁面，空氣，鏡頭玻璃的熱阻存在。在壁面處的熱量傳導方程：

在鏡頭玻璃處的熱量傳導方程：

比較上述兩個方程，不同點是熱阻R鏡頭玻璃和R壁面，這里分兩種情況，當R鏡頭玻璃＜R壁面，很容易求出T3小于T2，假設T2處的空氣薄層剛剛處于飽和蒸氣的露點溫度，則鏡頭處的玻璃開始起霧；當R鏡頭玻璃＞R壁面，很容易求出T3＞于T2，假如T2處的空氣薄層剛剛處于飽和蒸氣的露點，則鏡頭處的玻璃不會起霧。由于T1大于T2；同時T1大于T3，所以不靠近壁面的空氣不會產生起霧現象。

狀況二：當T0＞T1時，熱量Q將從腔體外部向內部進行傳導，在傳導過程中，由于壁面，空氣，鏡頭玻璃的熱阻存在。根據上述分析，很容易獲取在鏡頭外側的微薄空氣層的溫度T3外側和壁面微薄空氣層T2外側的關系。想要在鏡頭玻璃處不起霧，需要確保此處的微薄空氣層溫度處于未飽和蒸氣狀態即可。此種狀況不在本文研究范圍內。

1.2 解決思路

從上面分析了起霧機理得知，只要把靠近鏡頭玻璃的空氣薄層的溫度保持在未飽和蒸氣狀態即可，通過上面方程可知，有兩種方式，第一種增加傳輸熱量Q鏡頭玻璃；第二種是增加熱阻R鏡頭玻璃，第二種不在本文研究范圍內，重點研究第一種情況。設備的發熱功率是恒定了，但是設備的散熱途徑是不同的，導致熱量的在各個方向的傳輸有很大差異。該設備的的主要發熱部件為相關芯片，目前通過冷板把熱量傳導到外界環境中，降低芯片溫度保持設備穩定運行，此部分的芯片發出的熱量沒有利用價值。

現在需要考慮將此處的熱量利用起來，給鏡頭玻璃處加熱，增加Q鏡頭玻璃，既要維持鏡頭玻璃處于不飽和空氣溫度，又要保持芯片處于安全許可溫度。圖2芯片兩種熱量流動示意圖。

圖2 攝像機內芯片2種熱量流動示意圖

1.3 鏡頭玻璃溫度設定

鏡頭玻璃溫度的邊界條件設定原則：先假設鏡頭玻璃空氣薄層溫度和鏡頭玻璃溫度大約相等。

1）處于鏡頭玻璃處的空氣薄層溫度T3始終處于未飽和狀態。設備的裝配環境一般為溫度25 ℃，相對濕度70 %HR。設備使用的外界環境為（-40～60）℃。理論上上只要T3＞25 ℃即可。表1為不同溫度下飽和空氣含濕量。

表1 飽和空氣物理性質

考慮相同體積空氣下25 ℃飽和空氣濕量20.356 g/kg，相對濕度為70 %，濕度波動范圍按±10 %，計算出空氣含水量為（12.82～15.67）g，對應的溫度范圍（18～21）℃，T3近似取值為21 ℃。

2）鏡頭玻璃的溫度T3下流出的熱量小于芯片產生的熱量。假設玻璃鏡片的面積為S，攝像機與外界環境換熱以強迫對流的方式進行。

把式（4）、（5）代入式（3）得：

本文攝像機鏡頭玻璃厚度t為0.001 5 m；鏡頭玻璃面積S為0.000 390 m2；玻璃的導熱系數為1.03 W/m*K；對流換熱系數h取值30 W/m2*K；外界環境溫度T0為-40 ℃，T3為21 ℃，把數值代入上式解得Q需求鏡頭玻璃=0.525 W，本文所用的芯片為Hi3516EV300查資料可知，此芯片的發熱功耗QTDP為1.5 W，熱阻Rjc為12.3 ℃/W，熱阻Rjb為20.3 ℃/W，柔性熱管熱阻R柔性熱管為0.01 ℃/W，通過芯片頂部傳導的熱量Qc為：

由于熱管的熱阻R柔性熱管小于一般散熱器熱阻R散熱器2個數量級，熱量基本上都是從熱管流走，Q鏡頭約等于Qc滿足Q需求鏡頭玻璃0.525 W＜Q鏡頭0.934 W。圖3為芯片熱阻網絡圖。從圖中很容易看出熱流走向。

圖3 芯片熱阻網絡圖

上述描述是單個芯片提供功耗給鏡頭玻璃，當單個芯片功耗不足以維持鏡頭玻璃溫度時，可以多芯片提供功耗。

由于設備工作的范圍在（-40～60）℃，要保證設備穩定運行，設備里的零件溫度不能超過許用極限溫度，表2為小型攝像機關鍵零件許用溫度。

表2 零件許用溫度值

2 方案分析

從上節理論分析得出芯片加熱玻璃可行，本節討論具體的設計方案。

2.1 小型攝像機布局方案

原始攝像機采取雙攝像頭的布局方案比較復雜，在本文的模型分析中，我們需要去除其他部件對芯片加熱玻璃的影響，需要對模型進行等效的簡化，僅僅保留外殼，PCB，芯片，熱管，鏡頭玻璃，玻璃金屬環。此方案的關鍵點為鏡頭玻璃由金屬環沿著玻璃四周包裹，用高導熱膠進行粘貼固定。金屬圓環和柔性熱管焊接，用于把芯片產生的熱量傳導到鏡頭玻璃處。圖4設備簡化前后和鏡頭玻璃和柔性熱管導熱模組的安裝示意圖。

圖4 設備簡化前后和鏡頭玻璃和柔性熱管導熱模組的安裝示意圖

3 熱分析

3.1 模型設置

1）邊界條件

通過FloTHERM熱仿真軟件對上述攝影機利用自身廢熱除霧技術進行模型搭建及分析，攝像機與外界環境換熱以對流的方式進行，對于對流情況，考慮熱空氣向上流動，求解域在重力的反方向上需比系統尺寸的放大兩倍，其余方向的尺寸則同系統的大小相等即可，具體邊界條件設置，求解類型為對流熱傳導；輻射設置成打開狀態；焦耳熱關掉；重力方向為-Y；湍流類型；壓力為1個標準大氣壓，后續仿真將環境溫度分別設置為-40 ℃、20 ℃以及60 ℃。

2）仿真建模

通過外部建模軟件對攝像機建模再導入熱仿真軟件，忽略對仿真結果沒有明顯影響的結構部分。

3）物理屬性

對設備的部件進行設當的物理屬性的賦予是熱仿真的一個重要步驟。如表3。

表3 設備部件的物性參數

4）網格劃分

網格劃分采用智能劃分與局部網格相結合方式，對發熱芯片等熱源集中的導熱面進行網格細化及局域化處理，整機網格數量及網格劃分情況如圖10所示，網格長寬比最大為16.75，按照網格劃分原則，網格長寬比大于200，會有收斂問題。小于20，基本滿足網格劃分需求，最優為1。

5）結果分析

殘差收斂曲線和溫度曲線來看，溫度取向平穩，殘差收斂至1，后續的分析結果在理論上是可靠的。鏡頭玻璃的監控點為中間點，由于鏡頭玻璃存在溫度梯度，整個表面溫度分布是不均的，圖5為殘差曲線和鏡頭玻璃溫度分布。本文只分析鏡頭玻璃的平均溫度。

從表4中可以看出，總功耗為1.5 W，從芯片節點到芯片頂部流出的熱流量為1.003 2 W，占總功耗66.88 %，從芯片節點到芯片低部流出的熱流量為0.496 81 W，占33.12 %。芯片的節溫為19.364 ℃，處于芯片的許用范圍內。

表4 芯片溫度和功耗數據

表3芯片熱阻設置中為Rjb為20.3 K/W，占總熱阻的62.26 %，Rjc為12.3 K/W，占總熱阻的37.73 %。熱量從芯片節點流到頂部理論和實際相差4.62 %，此差距的來源為芯片底部到環境和芯片頂部到環境的熱流路徑不同導致。上表4中鏡頭玻璃獲得的熱流量0.442 89 W，參考上面的芯片從頂部流出的熱流量1.003 2 W相比，其中0.560 31 W在傳熱路徑中損失掉了。仿真的玻璃溫度5.36小于參考計算出玻璃露點溫度為21 ℃，此處玻璃起霧。

3.2 不同工況下熱模擬分析

主要分析不同芯片個數以及單芯片的熱阻對結果的影響。具體位置如圖6所示

圖6 芯片熱管玻璃結構拓撲圖

1）單芯片1.5 W；Jc：12.3 ℃/W；Jb：20.3 ℃/W熱阻條件下，H-K9L玻璃，芯片溫度仿真結果具體數據如表5所示。

表5 元器件溫度數據

從圖7可以看出，在環境溫度（-20～60）℃時，芯片溫度在（40.2～122）℃，在許用范圍內；玻璃溫度為（25.9～106）℃，大于設備內空氣的露點溫度21 ℃，不會起霧。

圖7 元器件溫度趨勢圖

2）單芯片1.5 W在不同熱阻條件下，H-K9L玻璃，芯片溫度仿真結果具體數據如表6所示。

表6 元器件溫度數據 環境溫度：-40 ℃

從圖8中可以看出，在環境溫度-40 ℃時，隨著芯片Rjc：Rjb逐漸變小，芯片溫度逐漸下降。玻璃溫度逐漸升高（5.6～10.16）℃，趨勢趨穩，玻璃溫度小于設備內的空氣露點溫度21 ℃，有起霧現象。對比第一種工況，起霧時的環境溫度呈下降趨勢。

圖8 元器件溫度趨勢圖

3）兩個芯片每個功耗設置0.75 W，總功耗為1.5 W，熱阻不變的條件下，H-K9L玻璃，芯片溫度仿真結果如表7。

表7 元器件溫度數據

表8 元器件溫度數據

從圖9可以看出，在環境溫度（-20～60）℃時，兩個芯片進行加熱鏡頭玻璃時，芯片溫度為（14.1～114）℃，在許用范圍內；玻璃溫度為（25.9～106）℃，大于設備內空氣的露點溫度21 ℃不會起霧，對比工況1，芯片溫度下降了8.2 ℃。玻璃的溫度提高了1.3 ℃左右。

圖9 元器件溫度趨勢圖

3）三個芯片每個功耗設置0.5 W，總功耗為1.5 W，熱阻不變的條件下，H-K9L玻璃，芯片溫度仿真結果如圖8。

從圖10可以看出，在環境溫度（-20～60）℃時，兩個芯片進行加熱鏡頭玻璃時，芯片溫度為（31.1～111.3）℃，在許用范圍內；玻璃溫度為（26.2～106.2）℃，大于設備內空氣的露點溫度21 ℃，不會起霧，對比工況1，芯片溫度下降了11.2 ℃。玻璃的溫度提高了0.4 ℃左右。

圖10 元器件溫度趨勢圖

4 結論

1）需設計出合理熱流量來維持低溫時的鏡頭玻璃溫度，同時要防止高溫時出現芯片溫度超過許用溫度，需合理分配芯片的熱流方向。

2）當芯片節溫相同，多芯片支持的發熱總功耗大于單芯片發熱總功耗，進而用來提高加熱玻璃薄層內空氣露點溫度來適應更低的環境溫度。

3）芯片的內部熱阻RJc，RJb的比值對加熱玻璃影響較大。二者比值越大，當芯片發熱功率一定時，可獲得較高玻璃溫度，較低的芯片節溫。當比值超過20倍時，二者溫度變化趨于平穩。

5 展望

1）本文只考慮一種H-K9L玻璃加熱除霧，在實際當中可能還有其他型號玻璃，由于各種玻璃的熱膨脹系數不同，需要繼續研究不同熱膨脹系數玻璃加熱除霧的特性。

2）本文只考慮了芯片加熱鏡頭玻璃，后續要研究設備里的其他元器件產生熱量對鏡頭玻璃內表面溫度影響。