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,對產(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)生的熱量無法及時散出,導(dǎo)致熱量聚積,引起電子元器件的溫度過高甚至超過其極限值,將會造成電子產(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,進行電子產(chǎn)品的熱設(shè)計工作,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,對提高產(chǎn)品的運行穩(wěn)定性和可靠性具有至關(guān)重要的意義。

本文詳細介紹了對密閉式紅外傳感器的熱仿真分析和結(jié)構(gòu)熱設(shè)計優(yōu)化,通過對產(chǎn)品散熱翅片的結(jié)構(gòu)和風扇的選擇與位置優(yōu)化確定了該產(chǎn)品的最優(yōu)熱設(shè)計方案。

2 基于熱設(shè)計的結(jié)構(gòu)分析

2.1 產(chǎn)品的熱設(shè)計參數(shù)指標

密閉式紅外傳感器的制冷機在工作時制冷過程中的峰值功率120 W,探測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)境下開機試驗,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,要求產(chǎn)品殼內(nèi)環(huán)境最高溫度和制冷機的穩(wěn)態(tài)工作溫度不超過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)品各個組件置于密閉的機箱內(nèi),內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括各個光學鏡片、結(jié)構(gòu)支撐件、探測器及制冷機等。另外,產(chǎn)品內(nèi)部配有電機、PCB等以實現(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)計組件包括:如圖2所示,制冷機外側(cè)包絡(luò)面安裝的散熱翅片I、II；制冷機側(cè)方并排安裝的兩個風扇,底部安裝的一個風扇。

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處安裝的一個風扇。其中,散熱翅片與發(fā)熱器件間均涂有導(dǎo)熱硅脂,所有風扇都為鼓風風扇,向相應(yīng)發(fā)熱器件吹風。另外,在機箱上方接近制冷機處設(shè)計散熱翅片,如圖3所示,以加快機箱內(nèi)部與外部的換熱。

2.3 機箱環(huán)境分析

機箱內(nèi)部和外部環(huán)境是隔離的,即密閉式機箱。工作時,機箱內(nèi)制冷機和PCB模塊產(chǎn)生的熱量主要由風扇強迫吹風快速傳遞到機箱壁上,未安裝風扇處PCB模塊產(chǎn)生的熱量主要通過傳導(dǎo)和對流散熱傳遞到機箱壁上,機箱的六個壁面主要通過空氣自然對流和輻射的方式和外部環(huán)境進行熱交換。

2.4 機箱熱設(shè)計

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

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)計組件Fig.3 Thermal design of the sealed infrared sensor

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

(2)

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

(3)

式中,T表示機箱的表面溫度；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模型簡化后導(dǎo)入Icepak熱分析軟件中,模擬實際產(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,在重力方向適當加大求解域面積；

2) 賦予模型中各個模塊材料、功耗以及導(dǎo)熱率；

3) 參考產(chǎn)品手冊輸入各個風扇相應(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)置為無風的普通大氣環(huán)境,并將求解域Cabinet的Wall type設(shè)置為Opening。該產(chǎn)品主要依靠機箱和空氣之間的對流換熱和輻射換熱進行散熱,因此考慮到熱輻射的影響,計算中需要打開熱輻射開關(guān)。

3.3 網(wǎng)格劃分

采用Mesher-HD方式進行網(wǎng)格劃分,根據(jù)Cabinet和模型最小對象的尺寸設(shè)置背景網(wǎng)格和最小間隙值。結(jié)合網(wǎng)格質(zhì)量檢查對于網(wǎng)格質(zhì)量差的位置加大網(wǎng)格劃分級數(shù)或進行局部網(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,打開輻射開關(guān)。點擊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型為Turbulent,并設(shè)置方程類型為Zero equation。機箱外部為自然對流情況,因此,需設(shè)置重力方向并選擇默認重力值。最后,設(shè)置環(huán)境溫度、輻射溫度、默認流體和默認材料屬性等。

將核心發(fā)熱器件制冷機的兩個子模型拖動至監(jiān)控點Points模型樹下,實現(xiàn)求解過程中自動監(jiān)測這些器件中心點的溫度。求解的殘差曲線和溫度監(jiān)控點曲線分如圖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,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)果中機箱的溫度在65 ℃左右,機箱內(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,制冷機的兩個子模型最高溫度分別為83.47 ℃和80.62 ℃,其余高溫項均為各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)品的高溫實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比。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)果的準確性。

表1 高溫實驗與仿真數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of high temperature test and simulation data

4 熱設(shè)計優(yōu)化

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

4.1 散熱翅片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

參考文獻[1]的研究得,密閉電子產(chǎn)品中,散熱翅片的個數(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,對翅片厚度b不做優(yōu)化；考慮結(jié)構(gòu)尺寸的限制,對制冷機散熱翅片I的高度H和制冷機散熱翅片II的個數(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,得出制冷機的兩個子模型最高溫度分別由初步設(shè)計的83.47 ℃和80.62 ℃降低為83.05 ℃和80.41 ℃,未有明顯提高,說明初步設(shè)計中已充分考慮散熱翅片的結(jié)構(gòu)設(shè)計,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)計需求。

4.2 風扇的選擇與位置優(yōu)化

結(jié)合產(chǎn)品整體的尺寸和組件布局,將風扇與制冷機散熱翅片的距離設(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進行參數(shù)化仿真,得出制冷機的兩個子模型最高溫度隨風扇與制冷機散熱翅片的距離的關(guān)系如圖12所示。

分析圖12可得,制冷機的兩個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)計參數(shù)要求。因此,需要增加風扇個數(shù)或選用更大風扇以增加散熱強度?？紤]到該產(chǎn)品的尺寸限制并參考風扇選型的產(chǎn)品手冊,選擇在制冷機散熱翅片I的另一側(cè)并排增加兩個同樣型號的風扇?；谏岢崞慕Y(jié)構(gòu)和初步選擇的風扇的位置優(yōu)化,將增加兩個風扇的模型重新輸入Icepak中仿真,獲得新產(chǎn)品的內(nèi)部溫度場分布,如圖13所示。

圖12 制冷機最高溫度隨風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)果可得制冷機的兩個子模型最高溫度分別由初步設(shè)計的83.47 ℃和80.62 ℃降低為78.38 ℃和77.37 ℃,分別降低了5.09 ℃和3.25 ℃；機箱內(nèi)器件的最高溫度由86.17 ℃降至84.64 ℃；機箱內(nèi)部環(huán)境溫度由75 ℃左右降至71 ℃左右。說明優(yōu)化后的設(shè)計符合產(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熱分析軟件對產(chǎn)品進行了熱仿真分析,得出該產(chǎn)品在55 ℃高溫環(huán)境下工作時溫度場的分布情況；最后通過散熱翅片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和風扇的選擇與位置優(yōu)化兩方面完成了熱設(shè)計優(yōu)化。通過整個再設(shè)計過程,使得核心發(fā)熱器件的工作溫度滿足設(shè)計需求,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)計優(yōu)化后的產(chǎn)品滿足研制總要求。

經(jīng)過本文的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計優(yōu)化,在55 ℃高溫環(huán)境下工作時,紅外傳感器內(nèi)部環(huán)境溫度由75 ℃左右降至71 ℃左右；制冷機的兩個子模型最高溫度分別由初步設(shè)計的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)計階段對其散熱效果進行模擬分析,不僅節(jié)約了設(shè)計成本,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。