華海宇

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基于ANSYS Icepak的制冷型紅外探測器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

華海宇

（四川長虹電子科技有限公司，四川 綿陽 621000）

針對制冷型紅外探測器制冷機(jī)工作時壓縮機(jī)對溫升的要求，設(shè)計(jì)一種用于壓縮機(jī)的散熱結(jié)構(gòu)。采用有限元分析法，利用ANSYS Icepak對散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱分析建模，同時得到了壓縮機(jī)在穩(wěn)定工作狀態(tài)時的溫度分布和氣體流場分布，根據(jù)熱仿真結(jié)果結(jié)合溫升要求對散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)道形式的散熱結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果表明，在相同的邊界條件下風(fēng)道結(jié)構(gòu)有更好的散熱效果，能夠更有效地控制壓縮機(jī)的溫升。

制冷型紅外探測器；散熱；ANSYS Icepak；熱仿真

紅外探測器是一種能對外界紅外輻射產(chǎn)生響應(yīng)的光電傳感器，應(yīng)用于醫(yī)療檢測、裝備制造、工業(yè)控制等領(lǐng)域，其工作原理是敏感材料受到紅外輻射后產(chǎn)生各種效應(yīng)對紅外輻射進(jìn)行探測，可分為制冷型和非制冷型[1]。

制冷型紅外探測器具有成像質(zhì)量好、探測靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，其分辨率主要取決于背景溫度與探測溫度之間的對比度，降低背景溫度可以抑制探測器的暗電流和噪聲以此提高探測器的精度，需要依靠制冷機(jī)對其進(jìn)行制冷[2]。由于制冷過程中壓縮機(jī)要發(fā)出大量熱量，需要控制其溫升，否則會對探測器性能產(chǎn)生不良影響，基于此，需要設(shè)計(jì)能夠有效將壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量排出的散熱結(jié)構(gòu)。

1 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前需要結(jié)合散熱對象的使用環(huán)境、熱源發(fā)熱量、空間尺寸等因素選擇散熱方式。目前常用的散熱方式主要有以下三種[3]。

（1）自然冷卻。設(shè)計(jì)簡單，利用冷熱空氣溫度不同導(dǎo)致密度不同使空氣相互流動進(jìn)行散熱。常見為翅片結(jié)構(gòu)，常用于小功率電子模塊散熱。

（2）強(qiáng)迫風(fēng)冷。需要外界提供動力加速空氣流動提高散熱效果。最常用的是風(fēng)扇，設(shè)計(jì)時需考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸、風(fēng)扇尺寸和安裝形式等問題。

（3）強(qiáng)迫液冷。使用液體對熱源進(jìn)行冷卻，冷卻工質(zhì)的傳熱系數(shù)是空氣傳熱系數(shù)的20倍以上，常用于大熱流密度的情況，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

可參考圖1進(jìn)行選擇。

紅外探測器正常工作時制冷機(jī)熱功耗20 W，壓縮機(jī)溫升應(yīng)控制在20℃內(nèi)，根據(jù)安裝結(jié)構(gòu)尺寸要求，選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷。對制冷機(jī)中的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)了一種翅片散熱結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

①自然對流冷卻；②強(qiáng)迫風(fēng)冷；③浸沒自然對流（碳氟有機(jī)液）；④浸沒沸騰（碳氟有機(jī)液）；⑤強(qiáng)迫水冷

2 散熱結(jié)構(gòu)熱仿真分析

熱仿真分析軟件ANSYS Icepak用于電子設(shè)備電路板級、系統(tǒng)級熱仿真，與主流CAD軟件有接口，通過Design Modeler可以將三維實(shí)體轉(zhuǎn)化為ANSYS Icepak能夠識別的特征，導(dǎo)入后設(shè)置環(huán)境參數(shù)和邊界條件。在ANSYS Icepak的網(wǎng)格劃分功能中提供了Hexa Unstructured（非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）、Hexa Cartesian（結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）、Mesher-HD（六面體占優(yōu)網(wǎng)格）三種網(wǎng)格類型[4]，通過對局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，劃分連續(xù)與非連續(xù)網(wǎng)格控制網(wǎng)格質(zhì)量，準(zhǔn)確得到與模型本身幾何貼體的網(wǎng)格，通過設(shè)置邊界條件和求解參數(shù)，用Fluent求解器進(jìn)行求解。

圖2 翅片結(jié)構(gòu)模型

2.1 模型網(wǎng)格劃分

ANSYS Icepak熱仿真過程，網(wǎng)格的劃分質(zhì)量決定了求解計(jì)算的結(jié)果是否可以收斂。由于是包含圓弧特征的幾何體，采用Mesher-HD劃分[5]，由于包含散熱翅片，為減少網(wǎng)格數(shù)量，使用非連續(xù)性網(wǎng)格，模型與背景網(wǎng)格分別設(shè)置不同的網(wǎng)格參數(shù)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，均為六面體網(wǎng)格（僅顯示散熱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格），翅片模型網(wǎng)格總數(shù)458217，節(jié)點(diǎn)總數(shù)473948。

在ANSYS Icepak網(wǎng)格質(zhì)量檢查面板中模型的面對齊率、扭曲比、網(wǎng)格偏斜度均達(dá)到網(wǎng)格劃分要求，劃分的網(wǎng)格能夠貼體反映模型特征。由于在質(zhì)量檢查面板中的網(wǎng)格體積值小于1E-15，因此需要在Advanced中設(shè)置計(jì)算精度為double，在網(wǎng)格質(zhì)量檢查面板中各項(xiàng)得到的數(shù)值越大表明網(wǎng)格質(zhì)量越好[6]。

2.2 仿真參數(shù)的設(shè)定

在進(jìn)行熱仿真分析前需要準(zhǔn)確設(shè)定仿真參數(shù)，ANSYS Icepak中相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

（1）求解類型：穩(wěn)態(tài)；

（2）環(huán)境溫度：50 ℃（該溫度為紅外探測器的工作環(huán)境溫度）；

（3）流態(tài)：湍流；

（4）環(huán)境壓力：101325 Pa；

（5）迭代步數(shù)：200；

（6）重力方向：由于為強(qiáng)迫空氣冷卻，不考慮重力的影響[7]；

（7）輻射：雖然該分析中是使用風(fēng)扇進(jìn)行的強(qiáng)迫冷卻，輻射換熱影響較小，但為了準(zhǔn)確反映結(jié)果，需要將輻射換熱選項(xiàng)打開，由于模型為復(fù)雜CAD，故選擇DO（Discrete Ordinates）輻射換熱模型。

常用金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表1所示，可知，金銀銅導(dǎo)熱系數(shù)比較高。金銀成本高，此設(shè)計(jì)中不予考慮。電子產(chǎn)品散熱結(jié)構(gòu)材料普遍使用鋁合金，雖然其熱傳導(dǎo)率在金屬中不是最好的，但價廉、質(zhì)輕、易成型，所以應(yīng)用廣泛，因此選鋁合金材料，如有特殊需要，可以選用銅鋁合金等其它材料[8]。

表1 常見金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)

由于安裝結(jié)構(gòu)尺寸限制，暫選用ebmpapst 514F-RS0軸流風(fēng)扇，從整體考慮，探測器后端有較大空間，若風(fēng)扇采用吹氣則吹出的熱空氣會對安裝在紅外探測器上的電路板造成影響，因此采用抽氣形式。在ANSYS Icepak中設(shè)置風(fēng)扇特性的fan type為exhaust。風(fēng)扇技術(shù)參數(shù)如表2、風(fēng)量風(fēng)壓曲線如圖4所示。

表2 風(fēng)扇參數(shù)

圖4 風(fēng)扇特性曲線

對熱仿真分析作以下假設(shè)：

（1）忽略安裝底座的熱傳導(dǎo)；

（2）結(jié)構(gòu)物理參數(shù)不隨溫度變化而變化；

（3）工作時壓縮機(jī)發(fā)熱均勻，處于熱平衡狀態(tài)。

2.3 計(jì)算結(jié)果

完成以上邊界條件的設(shè)置后，就可以進(jìn)行仿真分析。首先進(jìn)行初始化，查看是否有錯誤信息，如有就應(yīng)當(dāng)按照提示進(jìn)行修改，若沒有則將自動開啟殘差監(jiān)視，經(jīng)過數(shù)值計(jì)算，各個變量的殘差達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)后計(jì)算結(jié)束。翅片結(jié)構(gòu)熱仿真分析的溫度結(jié)果如圖5所示。

圖5 翅片結(jié)構(gòu)溫度

圖5中，壓縮機(jī)的最高溫度為69.4℃，從結(jié)果得知翅片結(jié)構(gòu)能夠控制溫升，但效果不佳，理論上可通過增大翅片面積提高散熱效果，或者選用風(fēng)量更大的風(fēng)扇，但由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，上述方法不可行，同時由于翅片加工難度大、工藝成本高，因此需對散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決翅片結(jié)構(gòu)對壓縮機(jī)散熱效果不佳的問題，設(shè)計(jì)了如圖6的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由三部分組成，形成一個周圍封閉只存在一個進(jìn)氣口和一個排氣口的風(fēng)道形式，風(fēng)扇由于采用抽風(fēng)方式，可以設(shè)計(jì)安裝在風(fēng)道結(jié)構(gòu)的排氣口處，風(fēng)道模型網(wǎng)格總數(shù)255251，節(jié)點(diǎn)總數(shù)267883，網(wǎng)格劃分如圖7所示（僅顯示散熱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格）。

圖6 風(fēng)道結(jié)構(gòu)模型

風(fēng)道結(jié)構(gòu)熱仿真分析的溫度結(jié)果如圖8所示，壓縮機(jī)最高溫度為65.4℃，比翅片結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果降低了4℃，散熱效果明顯，說明風(fēng)道結(jié)構(gòu)比翅片結(jié)構(gòu)對壓縮機(jī)有更好的散熱效果。

圖9和圖10顯示了風(fēng)扇對外抽氣過程中的氣體流場分布。翅片結(jié)構(gòu)中氣體流場分散，與壓縮機(jī)表面貼合性差，受翅片影響，風(fēng)阻較大，同時探測器周圍其他器件會對氣流造成擾動；風(fēng)道結(jié)構(gòu)相對封閉，氣流集中分布于壓縮機(jī)周圍，不會受到周圍結(jié)構(gòu)的影響，產(chǎn)生的熱量能有效地被帶出，因此散熱效果更好。

圖7 風(fēng)道模型網(wǎng)格

圖8 風(fēng)道結(jié)構(gòu)溫度

圖9 翅片結(jié)構(gòu)氣體流場

圖10 風(fēng)道結(jié)構(gòu)氣體流場

3 結(jié)束語

利用ANSYS Icepak得到紅外探測器散熱結(jié)構(gòu)的熱仿真結(jié)果，對比不同結(jié)構(gòu)的溫度場分布和氣體流場分布。兩者相比，風(fēng)道散熱結(jié)構(gòu)效果優(yōu)于翅片散熱結(jié)構(gòu)，實(shí)際使用中需對鋁合金散熱材料表面進(jìn)行氧化發(fā)黑處理，增強(qiáng)輻射散熱效果，同時在壓縮機(jī)表面與散熱結(jié)構(gòu)之間涂抹導(dǎo)熱硅脂以減小熱阻。另外，應(yīng)首先測得系統(tǒng)阻力特性，再根據(jù)阻力特性曲線正確選擇風(fēng)扇[9]，本文選擇的ebmpapst 514F-RS0軸流風(fēng)扇能夠滿足散熱要求。通過ANSYS Icepak仿真，可以在設(shè)計(jì)初期對多種方案進(jìn)行分析比較，有效提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研發(fā)成本。

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Structural Optimization for Heat Dissipation of Cooled Infrared Detector Based on ANSYS Icepak

HUA Haiyu

( Sichuan Changhong Electronics Technology Development Co., Ltd., Mianyang 621000, China )

According to the temperature rise demand of the compressor of the cooled infrared detector, a heat dissipation structure is designed to control the temperature rise of the compressor. Using the finite element method, the thermal analysis model is established, the stable temperature distribution and the stable air flow distribution are obtained via the software of ANSYS Icepak. Based on the simulation results of the heat dissipation structure and the demand of temperature rise, the structure is optimized, designing a tunnel structure. Based on the simulation results of different heat dissipation structures, the tunnel structure is better than the other, which can control the temperature rise of the compressor more efficiently.

cooled infrared detector；heat dissipation；ANSYS Icepak；thermal simulation

TN215

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.02.010

1006－0316 (2018) 02－0038－05

2017－06－16

華海宇（1988－），男，四川威遠(yuǎn)人，碩士，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。