基于ANSYS Icepak的制冷型紅外探測器散熱結構優化設計

華海宇

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基于ANSYS Icepak的制冷型紅外探測器散熱結構優化設計

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工作時壓縮機對溫升的要求，設計一種用于壓縮機的散熱結構。采用有限元分析法，利用ANSYS Icepak對散熱結構進行了熱分析建模，同時得到了壓縮機在穩定工作狀態時的溫度分布和氣體流場分布，根據熱仿真結果結合溫升要求對散熱結構進行了優化，設計了一種風道形式的散熱結構，分析結果表明，在相同的邊界條件下風道結構有更好的散熱效果，能夠更有效地控制壓縮機的溫升。

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生響應的光電傳感器，應用于醫療檢測、裝備制造、工業控制等領域，其工作原理是敏感材料受到紅外輻射后產生各種效應對紅外輻射進行探測，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量好、探測靈敏度高的優點，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，需要依靠制冷機對其進行制冷[2]。由于制冷過程中壓縮機要發出大量熱量，需要控制其溫升，否則會對探測器性能產生不良影響，基于此，需要設計能夠有效將壓縮機產生的熱量排出的散熱結構。

1 散熱結構設計

散熱結構設計前需要結合散熱對象的使用環境、熱源發熱量、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。設計簡單，利用冷熱空氣溫度不同導致密度不同使空氣相互流動進行散熱。常見為翅片結構，常用于小功率電子模塊散熱。

（2）強迫風冷。需要外界提供動力加速空氣流動提高散熱效果。最常用的是風扇，設計時需考慮整機結構尺寸、風扇尺寸和安裝形式等問題。

（3）強迫液冷。使用液體對熱源進行冷卻，冷卻工質的傳熱系數是空氣傳熱系數的20倍以上，常用于大熱流密度的情況，但結構復雜。

可參考圖1進行選擇。

紅外探測器正常工作時制冷機熱功耗20 W，壓縮機溫升應控制在20℃內，根據安裝結構尺寸要求，選擇強迫風冷。對制冷機中的壓縮機設計了一種翅片散熱結構，如圖2所示。

①自然對流冷卻；②強迫風冷；③浸沒自然對流（碳氟有機液）；④浸沒沸騰（碳氟有機液）；⑤強迫水冷

2 散熱結構熱仿真分析

熱仿真分析軟件ANSYS Icepak用于電子設備電路板級、系統級熱仿真，與主流CAD軟件有接口，通過Design Modeler可以將三維實體轉化為ANSYS Icepak能夠識別的特征，導入后設置環境參數和邊界條件。在ANSYS Icepak的網格劃分功能中提供了Hexa Unstructured（非結構化網格）、Hexa Cartesian（結構化網格）、Mesher-HD（六面體占優網格）三種網格類型[4]，通過對局部網格進行加密，劃分連續與非連續網格控制網格質量，準確得到與模型本身幾何貼體的網格，通過設置邊界條件和求解參數，用Fluent求解器進行求解。

圖2 翅片結構模型

2.1 模型網格劃分

ANSYS Icepak熱仿真過程，網格的劃分質量決定了求解計算的結果是否可以收斂。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，為減少網格數量，使用非連續性網格，模型與背景網格分別設置不同的網格參數。網格劃分結果如圖3所示，均為六面體網格（僅顯示散熱結構網格），翅片模型網格總數458217，節點總數473948。

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

2.2 仿真參數的設定

在進行熱仿真分析前需要準確設定仿真參數，ANSYS Icepak中相關參數設置如下：

（1）求解類型：穩態；

（2）環境溫度：50 ℃（該溫度為紅外探測器的工作環境溫度）；

（3）流態：湍流；

（4）環境壓力：101325 Pa；

（5）迭代步數：200；

（6）重力方向：由于為強迫空氣冷卻，不考慮重力的影響[7]；

（7）輻射：雖然該分析中是使用風扇進行的強迫冷卻，輻射換熱影響較小，但為了準確反映結果，需要將輻射換熱選項打開，由于模型為復雜CAD，故選擇DO（Discrete Ordinates）輻射換熱模型。

常用金屬材料的導熱系數如表1所示，可知，金銀銅導熱系數比較高。金銀成本高，此設計中不予考慮。電子產品散熱結構材料普遍使用鋁合金，雖然其熱傳導率在金屬中不是最好的，但價廉、質輕、易成型，所以應用廣泛，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 常見金屬材料導熱系數

由于安裝結構尺寸限制，暫選用ebmpapst 514F-RS0軸流風扇，從整體考慮，探測器后端有較大空間，若風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中設置風扇特性的fan type為exhaust。風扇技術參數如表2、風量風壓曲線如圖4所示。

表2 風扇參數

圖4 風扇特性曲線

對熱仿真分析作以下假設：

（1）忽略安裝底座的熱傳導；

（2）結構物理參數不隨溫度變化而變化；

（3）工作時壓縮機發熱均勻，處于熱平衡狀態。

2.3 計算結果

完成以上邊界條件的設置后，就可以進行仿真分析。首先進行初始化，查看是否有錯誤信息，如有就應當按照提示進行修改，若沒有則將自動開啟殘差監視，經過數值計算，各個變量的殘差達到收斂標準后計算結束。翅片結構熱仿真分析的溫度結果如圖5所示。

圖5 翅片結構溫度

圖5中，壓縮機的最高溫度為69.4℃，從結果得知翅片結構能夠控制溫升，但效果不佳，理論上可通過增大翅片面積提高散熱效果，或者選用風量更大的風扇，但由于結構尺寸的限制，上述方法不可行，同時由于翅片加工難度大、工藝成本高，因此需對散熱結構進行優化。

2.4 優化設計

為解決翅片結構對壓縮機散熱效果不佳的問題，設計了如圖6的風道結構，該結構由三部分組成，形成一個周圍封閉只存在一個進氣口和一個排氣口的風道形式，風扇由于采用抽風方式，可以設計安裝在風道結構的排氣口處，風道模型網格總數255251，節點總數267883，網格劃分如圖7所示（僅顯示散熱結構網格）。

圖6 風道結構模型

風道結構熱仿真分析的溫度結果如圖8所示，壓縮機最高溫度為65.4℃，比翅片結構仿真結果降低了4℃，散熱效果明顯，說明風道結構比翅片結構對壓縮機有更好的散熱效果。

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

圖7 風道模型網格

圖8 風道結構溫度

圖9 翅片結構氣體流場

圖10 風道結構氣體流場

3 結束語

利用ANSYS Icepak得到紅外探測器散熱結構的熱仿真結果，對比不同結構的溫度場分布和氣體流場分布。兩者相比，風道散熱結構效果優于翅片散熱結構，實際使用中需對鋁合金散熱材料表面進行氧化發黑處理，增強輻射散熱效果，同時在壓縮機表面與散熱結構之間涂抹導熱硅脂以減小熱阻。另外，應首先測得系統阻力特性，再根據阻力特性曲線正確選擇風扇[9]，本文選擇的ebmpapst 514F-RS0軸流風扇能夠滿足散熱要求。通過ANSYS Icepak仿真，可以在設計初期對多種方案進行分析比較，有效提高系統設計質量，降低研發成本。

[1]劉興明，韓琳，劉理天. 室溫紅外探測器研究與進展[J]. 電子器件，2005，28（2）：415-420.

[2]張雪，梁曉庚. 紅外探測器發展需求[J]. 電光與控制，2013，20（2）：41-45.

[3]潘雨. 相控陣天線熱仿真與熱設計[D]. 成都：電子科技大學，2016.

[4]郭亮，吳清文，顏昌翔. 空間光譜成像儀熱設計及其分析與驗證[J]. 光學精密工程，2011，19（6）：1272-1280.

[5]全偉，李光慧，陳熙，劉峰. 一體化半導體激光器的ANSYS熱仿真及結構設計[J]. 光學精密工程，2016，24（5）：1080-1086.

[6]王永康. ANSYS Icepak電子散熱基礎教程[M]. 北京：國防工業出版社，2015.

[7]曹紅，呂倩，韓寧. 強迫風冷電子設備的熱仿真與熱測試數據對比分析[J]. 電視技術，2008，48（7）：109-112.

[8]李承隆. 電子產品熱設計及熱仿真技術應用的研究[D]. 成都：電子科技大學，2010.

[9]郁圣杰，李維忠. 密閉機箱的熱仿真分析[J]. 雷達與對抗，2008，（4）：56-62.

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，四川威遠人，碩士，工程師，主要從事結構設計工作。