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

密閉機(jī)箱內(nèi)部可見光相機(jī)的散熱解決方案

杜杰，馬俊林
（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春130033）

本文針對位于密閉機(jī)箱內(nèi)的可見光相機(jī)的散熱問題，通過散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計以及應(yīng)用Ansys Workbench進(jìn)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(yīng)用提供參考。

密閉機(jī)箱相機(jī)散熱；散熱方案；Workbench

0　引言

在電磁兼容要求較高的機(jī)箱設(shè)計中，往往采用密閉的機(jī)箱結(jié)構(gòu)。密閉的機(jī)箱雖然保證了足夠的電磁屏蔽效能，但是不利于內(nèi)部發(fā)熱器件的散熱。可見光相機(jī)對溫度敏感，當(dāng)工作溫度超出其使用溫度范圍時，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。因此，本文將重點研究如何解決密閉機(jī)箱的散熱問題。

1　散熱方案

本文研究安裝于密閉機(jī)箱內(nèi)的可見光相機(jī)散熱方案。設(shè)計的關(guān)鍵是將相機(jī)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(dǎo)熱性能的傳熱元件。普通熱管由管殼、起毛細(xì)作用的多孔結(jié)構(gòu)物——吸液芯，以及傳遞熱能的工質(zhì)構(gòu)成［1］。

沿軸向分為三段：蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。其工作原理是：外部熱源通過蒸發(fā)段的管壁和浸滿工質(zhì)吸液芯的導(dǎo)熱使液體工質(zhì)升溫，液面蒸發(fā)，達(dá)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(fā)段，完成一個循環(huán)。

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(yōu)良的熱響應(yīng)性；（3）可從狹窄空間取出熱量并遠(yuǎn)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(jī)底部及兩側(cè)的熱量傳輸?shù)嚼咂崞鳎ㄟ^自然對流和強(qiáng)迫對流（風(fēng)扇）帶走散熱器上的熱量［2］。設(shè)計如圖1-1所示，1-可見光相機(jī)，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(shè)計

相機(jī)底部通過熱管導(dǎo)熱至肋片，相機(jī)側(cè)面導(dǎo)熱至肋片；溫度較低時，自然對流散熱，溫度較高時，位于相機(jī)兩側(cè)的風(fēng)扇開啟，強(qiáng)迫對流散熱。

（2）熱管導(dǎo)熱至機(jī)箱。利用熱管將相機(jī)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)至機(jī)箱，機(jī)箱對溫度不敏感，散熱面積大，通過外部環(huán)境的自然對流散熱［3］。設(shè)計如圖1-2所示，1-機(jī)箱，2-機(jī)箱接觸銅片，3-熱管，4-相機(jī)接觸銅片，5-可見光相機(jī)。

兩塊銅片增大了熱管與相機(jī)和機(jī)箱接觸面積，接觸處有較高的粗糙度要求，并涂導(dǎo)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(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，獲得穩(wěn)態(tài)溫度場。溫度場是一個時間函數(shù)，用于反映任意時刻任意點的溫度值。當(dāng)各點的溫度不再隨時間改變，便形成了穩(wěn)態(tài)溫度場［4］。

圖1-2　通過熱管將相機(jī)熱量導(dǎo)入機(jī)箱

簡化模型，導(dǎo)入workbench。選擇材料屬性，賦予相應(yīng)的元件，確定熱載荷及熱邊界條件。經(jīng)過計算，獲得穩(wěn)態(tài)溫度場，如圖2-1所示。

圖2-1　兩種散熱設(shè)計的穩(wěn)態(tài)溫度場

圖2-1（a），相機(jī)溫升較小，穩(wěn)態(tài)最高溫度為50.3℃，機(jī)箱內(nèi)部溫度為45℃，溫升為5.3℃。

圖2-1（b），相機(jī)最高溫度37.2℃，機(jī)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(jī)箱內(nèi)部溫度為45℃，溫升較大。

3　結(jié)論

對比兩種散熱設(shè)計的溫度場仿真數(shù)據(jù)，設(shè)計一中相機(jī)的溫升較小，受機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境溫度影響較大；設(shè)計二中，熱量傳遞到外界環(huán)境，相機(jī)相對于機(jī)箱的溫升較大，相機(jī)自身溫度較低。兩種設(shè)計各有優(yōu)點：設(shè)計一適用于機(jī)箱內(nèi)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(shè)計二適用于機(jī)箱內(nèi)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(jī)箱的相機(jī)散熱設(shè)計要根據(jù)所處環(huán)境的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選擇更適合的一種設(shè)計方法，或者將二者結(jié)合。

［1］余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

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

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

［4］時鶴，李婧婧.基于Workbench的開關(guān)柜箱體穩(wěn)態(tài)熱分析應(yīng)用［J］.機(jī)電技術(shù)，2013（04）：44-45.

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