密闭式红外传感器的结构热设计研究

贺 媛,温庆荣,徐明轩,张晓亮

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

军工电子产品在保证其可靠性的同时,对产品的小型化、轻量化以及恶劣环境条件下的应用等均提出更高的要求。因此,势必引起电子产品内部电子元器件的功率密度的不断增加,进而引起散热量的增加。在密闭的环境内,如果各电子元器件工作中产生的热量无法及时散出,导致热量聚积,引起电子元器件的温度过高甚至超过其极限值,将会造成电子产品的失效,降低其可靠性[1-2]。研究表明,55 %的电子产品的故障都与温度有关[3]。因此,进行电子产品的热设计工作,是保证产品可靠性的重要环节。研究密闭产品的散热,对提高产品的运行稳定性和可靠性具有至关重要的意义。

本文详细介绍了对密闭式红外传感器的热仿真分析和结构热设计优化,通过对产品散热翅片的结构和风扇的选择与位置优化确定了该产品的最优热设计方案。

2 基于热设计的结构分析

2.1 产品的热设计参数指标

密闭式红外传感器的制冷机在工作时制冷过程中的峰值功率120 W,探测器到温后的平均功率为60 W。并且系统中包含功率范围为1～7 W的8块PCB。该产品要求在淋雨、沙尘等环境下工作,故有密封防水性的要求,因此产品内部各个发热模块所处空间为密闭空间。

该密闭式产品的环境适应性要求如下:

1) 工作温度:-40～+55 ℃；

2) 在55 ℃高温环境下开机试验,保温4 h后,设备可以连续正常工作2 h以上；

3) 环境温度55 ℃时,要求产品壳内环境最高温度和制冷机的稳态工作温度不超过80 ℃,各PCB芯片工作温度应控制在90 ℃以下。

2.2 产品的结构组成

该产品各个组件置于密闭的机箱内,内部结构主要包括各个光学镜片、结构支撑件、探测器及制冷机等。另外,产品内部配有电机、PCB等以实现工作。密闭式红外传感器的结构组成如图1所示。

该产品的主要发热器件包括:如图2所示,功率为60 W的制冷机以及散布于结构支撑件两侧的功率范围为1-7W的PCB。主要热设计组件包括:如图2所示,制冷机外侧包络面安装的散热翅片I、II；制冷机侧方并排安装的两个风扇,底部安装的一个风扇。

图1 密闭式红外传感器的结构组成Fig.1 Structural composition of the sealed infrared sensor

在5 W的PCB处安装的散热翅片；在7 W的PCB处安装的一个风扇。其中,散热翅片与发热器件间均涂有导热硅脂,所有风扇都为鼓风风扇,向相应发热器件吹风。另外,在机箱上方接近制冷机处设计散热翅片,如图3所示,以加快机箱内部与外部的换热。

2.3 机箱环境分析

机箱内部和外部环境是隔离的,即密闭式机箱。工作时,机箱内制冷机和PCB模块产生的热量主要由风扇强迫吹风快速传递到机箱壁上,未安装风扇处PCB模块产生的热量主要通过传导和对流散热传递到机箱壁上,机箱的六个壁面主要通过空气自然对流和辐射的方式和外部环境进行热交换。

2.4 机箱热设计

考虑散热方式选择[4],机箱表面积S为753640 mm2,机箱总功率P为85 W,因此机箱热流密度为:

q=P/S=1.13×10-4W/mm2

(1)

图2 密闭式红外传感器的发热器件与热设计组件Fig.2 Heating device and thermal design of the sealed infrared sensor

图3 密闭式红外传感器热设计组件Fig.3 Thermal design of the sealed infrared sensor

根据冷却方式选择标准和该产品热设计参数指标要求,设定温升值为30 ℃,则温升和热流密度的交点落在空气自然对流和辐射区域,因此该产品选择空气自然对流和辐射的冷却方式可以满足系统散热要求。密闭机箱自然冷却的热流计算公式如下[5]:

(2)

式中,方程右侧第一项为自然对流的换热量；第二项为热辐射的换热量；AS、At、Ab分别表示机箱的侧面积、顶面积和底面积；A表示参与辐射的表面积；Δt表示机箱的温升值；δ0表示斯蒂芬-波尔兹曼常数；ε表示机箱表面的发射率；Tm表示机箱的表面温度和环境温度的平均值,即:

(3)

式中,T表示机箱的表面温度；Ta表示环境温度。

3 基于Icepak软件的产品稳态热分析

3.1 几何模型的建立

将红外传感器的CAD模型简化后导入Icepak热分析软件中,模拟实际产品的参数建立几何模型[6]。具体的几何模型分析及参数设置步骤如下:

1) 根据产品的尺寸参数确定求解域的区域面积大小,考虑到重力影响,在重力方向适当加大求解域面积；

2) 赋予模型中各个模块材料、功耗以及导热率；

3) 参考产品手册输入各个风扇相应的性能曲线；

4) 涂有导热硅脂的位置建立plate模型,并输入导热硅脂的导热率。

建立完成的密闭式红外传感器的Icepak分析模型如图4所示。

图4 密闭式红外传感器Icepak模型Fig.4 Lcepak model of the sealed infrared sensor

3.2 边界条件的设置

该仿真模拟高低温箱中的高温环境,因此将外部环境设置为无风的普通大气环境,并将求解域Cabinet的Wall type设置为Opening。该产品主要依靠机箱和空气之间的对流换热和辐射换热进行散热,因此考虑到热辐射的影响,计算中需要打开热辐射开关。

3.3 网格划分

采用Mesher-HD方式进行网格划分,根据Cabinet和模型最小对象的尺寸设置背景网格和最小间隙值。结合网格质量检查对于网格质量差的位置加大网格划分级数或进行局部网格加密,最终获得质量较好的网格。网格划分参数设置及划分结果如图5所示。

图5 密闭式红外传感器的网格划分Fig.5 Mesh generation of the sealed infrared sensor

3.4 模型求解

结合网格划分的单元数量,为确保求解收敛,设置求解步数为200步。考虑辐射的影响,打开辐射开关。点击Basic setting界面中的reset,得出系统Reynolds number为21585,因此,本次仿真中的流体求解类型为Turbulent,并设置方程类型为Zero equation。机箱外部为自然对流情况,因此,需设置重力方向并选择默认重力值。最后,设置环境温度、辐射温度、默认流体和默认材料属性等。

将核心发热器件制冷机的两个子模型拖动至监控点Points模型树下,实现求解过程中自动监测这些器件中心点的温度。求解的残差曲线和温度监控点曲线分如图6和图7所示。

3.5 模型后处理与仿真结果分析

求解结束后,得出模型温度云图分布。环境温度为55 ℃时,密闭式红外传感器的稳态温度分布体云图如图8所示；稳态温度分布切面云图如图9所示；各发热器件的温度如图10所示。

图6 残差曲线Fig.6 Residual curve

图7 温度监控点曲线Fig.7 Curve of temperature monitoring points

图8 稳态温度分布体云图Fig.8 Body cloud diagram of steady state temperature

图9 稳态温度分布切面云图Fig.9 Section cloud diagram of steady state temperature

图10 各发热器件的温度Fig.10 Temperature of the heating device

观察图8得出仿真结果的最高温度为86.17 ℃,最低温度为预设的环境温度55 ℃；观察图9得出仿真结果中机箱的温度在65 ℃左右,机箱内部环境温度在75 ℃左右。各发热器件的具体仿真温度值如图10所示,制冷机的两个子模型最高温度分别为83.47 ℃和80.62 ℃,其余高温项均为各PCB的温度值,其仿真值的分布范围为78.39～86.17 ℃之间。

如表1所示为该产品的高温实验数据与仿真数据的对比。仿真结果误差为3.8 %,属于可接受范围,证明了该仿真结果的准确性。

表1 高温实验与仿真数据对比Tab.1 Comparison of high temperature test and simulation data

4 热设计优化

由于制冷机的工作温度要求在80 ℃以下,初步设计的产品在试验中存在散热不佳的问题,且第3节仿真验证了制冷机的高温工作温度已超过80 ℃,因此需要进行热设计优化。结合第2节中对该产品的热设计介绍,将该产品的热设计优化分为散热翅片的结构优化及风扇的选择与位置优化两部分。

4.1 散热翅片的结构优化

参考文献[1]的研究得,密闭电子产品中,散热翅片的个数N越多,高度H越高,厚度b越薄,散热效果越好。因此,本文结合整体的布局及尺寸要求,优化该产品的散热翅片结构,考虑到加工工艺性,对翅片厚度b不做优化；考虑结构尺寸的限制,对制冷机散热翅片I的高度H和制冷机散热翅片II的个数N不做优化。最终确定的散热翅片结构优化前后的参数对比如表2,各散热翅片结构优化前后的模型如图11所示。

表2 散热翅片结构优化前后参数Tab.2 Data of fins before and after structural optimization

图11 各散热翅片结构优化前后模型Fig.11 Model of fins before and after structural optimization

将优化后的模型重新输入Icepak中仿真,得出制冷机的两个子模型最高温度分别由初步设计的83.47 ℃和80.62 ℃降低为83.05 ℃和80.41 ℃,未有明显提高,说明初步设计中已充分考虑散热翅片的结构设计,仅靠散热翅片的结构优化已不能满足整体的热设计需求。

4.2 风扇的选择与位置优化

结合产品整体的尺寸和组件布局,将风扇与制冷机散热翅片的距离设置为0到20 mm的可变参数,每间隔5 mm取一组数值,利用Icepak进行参数化仿真,得出制冷机的两个子模型最高温度随风扇与制冷机散热翅片的距离的关系如图12所示。

分析图12可得,制冷机的两个子模型最高温度最优分别降低为82.59 ℃和80.41 ℃,仍不能满足设计参数要求。因此,需要增加风扇个数或选用更大风扇以增加散热强度。考虑到该产品的尺寸限制并参考风扇选型的产品手册,选择在制冷机散热翅片I的另一侧并排增加两个同样型号的风扇。基于散热翅片的结构和初步选择的风扇的位置优化,将增加两个风扇的模型重新输入Icepak中仿真,获得新产品的内部温度场分布,如图13所示。

图12 制冷机最高温度随风扇与散热翅片的距离关系Fig.12 The relations of refrigerator maximum temperature and distance between fans and fins

分析优化结果可得制冷机的两个子模型最高温度分别由初步设计的83.47 ℃和80.62 ℃降低为78.38 ℃和77.37 ℃,分别降低了5.09 ℃和3.25 ℃；机箱内器件的最高温度由86.17 ℃降至84.64 ℃；机箱内部环境温度由75 ℃左右降至71 ℃左右。说明优化后的设计符合产品要求,满足在55 ℃高温环境下正常工作的需求。

图13 优化后稳态温度分布体云图Fig.13 Body cloud diagram of steady state temperature after optimization

5 结 论

本文首先基于热设计分析密闭红外传感器的结构；然后利用Icepak热分析软件对产品进行了热仿真分析,得出该产品在55 ℃高温环境下工作时温度场的分布情况；最后通过散热翅片的结构优化和风扇的选择与位置优化两方面完成了热设计优化。通过整个再设计过程,使得核心发热器件的工作温度满足设计需求,并且有效降低了红外传感器整体的工作温度,使得结构热设计优化后的产品满足研制总要求。

经过本文的结构热设计优化,在55 ℃高温环境下工作时,红外传感器内部环境温度由75 ℃左右降至71 ℃左右；制冷机的两个子模型最高温度分别由初步设计的83.47 ℃和80.62 ℃降低为78.38 ℃和77.37 ℃。利用热分析软件,能够在产品设计阶段对其散热效果进行模拟分析,不仅节约了设计成本,还能有效减小由于产品散热不佳导致的产品失效,保证了产品的可靠性。