１　引　言

隨著紅外探測(cè)設(shè)備的發(fā)展以及電子元器件集成 化程度的提高，不僅單位體積的電子元件功率在不 斷增加，整體設(shè)備內(nèi)部的熱流密度也在上升。為保 障紅外探測(cè)設(shè)備可以穩(wěn)定運(yùn)行，需要將設(shè)備內(nèi)部的 各個(gè)發(fā)熱器件控制在合理的溫度范圍以減少電子元 器件失效等情況的發(fā)生。

常用的散熱方式主要有自然對(duì)流、強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng) 迫液冷三類(lèi)。其中自然對(duì)流適合的熱流密度較 低，散熱能力較差，液冷系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高，往往選 擇強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)設(shè)備進(jìn)行散熱。強(qiáng)迫風(fēng)冷主要可以通 過(guò)優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)、更改風(fēng)機(jī)選型和優(yōu)化散熱翅片結(jié)構(gòu)的方式提升散熱性能。 本文針對(duì)紅外熱像儀內(nèi)部熱源發(fā)熱問(wèn)題，通過(guò) 建模仿真的方式對(duì)可能存在的散熱問(wèn)題進(jìn)行研究， 并對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，盡可能將熱源的溫度降低 到最佳工作范圍內(nèi)，最終通過(guò)樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證仿真結(jié) 果的準(zhǔn)確性。

２　仿真計(jì)算與理論基礎(chǔ)

當(dāng)前常用的熱分析軟件有Flotm、Algor和Ice-pak等，,其中Icepak使用的Flunt 求解器能更好地作用于結(jié)構(gòu)散熱分析，能夠從各個(gè)層級(jí)層面進(jìn)行散熱問(wèn)題的分析計(jì)算。在Icepak與Ansys合并后，通過(guò)Workbench平臺(tái)獲得了更便捷的操作性，且大幅度的擴(kuò)展了其使用范圍，故本文使用Icepak軟件對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行仿真計(jì)算。

２.１　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成

該熱像儀各組件均置于封閉機(jī)箱內(nèi)部，主要由物鏡組件、連續(xù)變焦組件、反射回掃調(diào)焦組件、固定透鏡組件、變Ｆ數(shù)組件、探測(cè)器組件、主殼體及各個(gè)電路板組件等零部件組成，如圖１、圖２所示。

熱源包括探測(cè)器組件以及多個(gè)控制電路板，探測(cè)器組件由探測(cè)器、探測(cè)器底板、探測(cè)器驅(qū)動(dòng)板、散熱片等零件組成，其中探測(cè)器包括膨脹機(jī)與壓縮機(jī)，是設(shè)備內(nèi)部的主要熱源之一。紅外熱像儀有特定的工作溫度范圍，如果熱源溫度過(guò)高，會(huì)產(chǎn)生電子元器件失效、圖像失真、分辨率降低等問(wèn)題，所以需要?jiǎng)?chuàng)建散熱組件并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以滿足設(shè)備的工作溫
度需求。

２.２　模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分

為了對(duì)紅外熱像儀進(jìn)行仿真計(jì)算，需要簡(jiǎn)化設(shè)備模型，具體為保留內(nèi)部熱源、散熱翅片和風(fēng)扇等。刪除對(duì)散熱影響較小的非熱源部件，并簡(jiǎn)化密閉機(jī)箱殼體形狀，不規(guī)則的回轉(zhuǎn)體簡(jiǎn)化為圓柱體，不規(guī)則立方體模型簡(jiǎn)化為規(guī)則立方體，簡(jiǎn)化后模型內(nèi)部如圖３所示。

根據(jù)簡(jiǎn)化模型的最大尺寸設(shè)置運(yùn)算區(qū)域，在非重力方向運(yùn)算區(qū)域向外擴(kuò)大一倍模型尺寸，重力方向運(yùn)算區(qū)域擴(kuò)大兩倍模型尺寸，并將計(jì)算區(qū)域的外
面設(shè)置為開(kāi)放，設(shè)置后如圖４所示。

網(wǎng)格劃分對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大的影響，本文使用Mesher HD六面體占優(yōu)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。每級(jí)的網(wǎng)格尺寸為前級(jí)的一半，使用不同尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行劃分可以在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)降低網(wǎng)格數(shù)量。形狀規(guī)則的零件使用較低的網(wǎng)格等級(jí)，而翅片等形狀較為復(fù)雜的零件使用較高的網(wǎng)格等級(jí)，劃分后檢查網(wǎng)格是否完整，并根據(jù)情況調(diào)整劃分等級(jí)，部分部件最終網(wǎng)格劃分情況如圖５所示。

２.３　邊界條件

運(yùn)算空間內(nèi)環(huán)境氣壓設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境溫度６０℃，并在所有與熱源接觸的工件表面設(shè)置導(dǎo)熱墊，參數(shù)為５Ｗ／Ｋ－ｍ２。設(shè)備內(nèi)發(fā)熱功耗主要在膨脹機(jī)、壓縮機(jī)以及各個(gè)電路板，各熱源功率如表１所示。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在不同的熱源處選擇了兩種不同規(guī)格的風(fēng)扇，風(fēng)機(jī)曲線如圖６、圖７所示。

２.４　優(yōu)化前仿真結(jié)果

對(duì)優(yōu)化前的設(shè)備散熱情況進(jìn)行仿真，設(shè)備內(nèi)部設(shè)置風(fēng)扇對(duì)翅片進(jìn)行強(qiáng)制散熱，設(shè)備外部通過(guò)自然對(duì)流換熱的方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行散熱。仿真結(jié)果如圖８所示，各熱源溫度如表２所示。

表２　優(yōu)化前仿真結(jié)果

由表２可知，壓縮機(jī)溫度為８９.０５℃，膨脹機(jī)溫度為１１６.２１℃，要求穩(wěn)態(tài)度不超過(guò)環(huán)境溫度的１５℃，即小于等于７５℃，仿真結(jié)果不滿足要求。由圖６可知，內(nèi)部空間僅風(fēng)扇附近存在流動(dòng)，外部殼體幾乎不存在空氣流動(dòng)，從而無(wú)法對(duì)外部翅片進(jìn)行散熱，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部溫度較高。