紅外相機三態隔熱冷卻裝置的設計及分析

王棟棟，劉復興，張榮，楊金堂

(1.武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學機械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，湖北武漢 430081；3.寶武集團鄂城鋼鐵有限公司煉鋼廠，湖北鄂州 436099；4.武漢東湖學院機電工程學院，湖北武漢 430212)

0 前言

紅外相機是一種運用光學成像物鏡接收物體的紅外輻射能量分布，反映到光敏元件上，獲得可見的紅外熱圖像采集的電子設備。紅外相機在夜場監控、高溫測量等領域有著廣泛的應用，但是其正常工作的環境溫度為-10～50 ℃，為了在某些高溫環境場合能夠使用，需要針對性地設計紅外相機的冷卻方式及裝置。

目前，國內外對這類電子設備的冷卻研究并不多。湯魁利用熱電冷卻效應設計了一個監控攝像機散熱裝置，能夠保持攝像機防護罩內部的溫度在一定范圍內，在室外40 ℃高溫環境下，保護罩內部平均溫度達到27 ℃，在70 ℃高溫環境下，保護罩內部平均溫度達到約50 ℃。張平和唐良寶研發出一種實現空空熱交換的裝置，能夠讓電子設備在地劣環境中穩定并持久地工作。楊祺等人對紅外窗口進行了主動冷卻和被動熱防護的數值模擬，驗證了主動冷卻技術在紅外窗口應用的可行性。韓海銀等表明在發熱功率增大的情況下，大功率電子器件的散熱器溫度下降趨勢隨著入口流量的增大而減小。包冰國利用高效逆流冷卻塔技術保證了冷卻塔長期穩定可靠、高效運行。STAFFORD和FORTUNE通過研究軸流風扇的氣流動力特性，推斷出散熱出口形狀可以影響風扇氣流以及散熱量的結論。NARCY等研究兩相散熱器在電子冷卻中的應用，發現在散熱器內部，由于流體被限制引起了受限的沸騰現象。ARANZABAL等提出了一個比較傳統的單相水/乙二醇液體和創新兩相冷卻技術，用于汽車領域。

基于以上研究，針對某型號紅外相機設計一種三態隔熱冷卻裝置的結構。區別于常用的單一冷卻方式，其創新點在于結合了隔熱材料、水冷卻、空氣冷卻三層措施，并且設計特定的流體通道，增大換熱面積，從而使裝置更好地起到隔熱降溫的作用。除此之外，該裝置還具有一定的自潔功能，能夠代替普通人工清潔石英玻璃。對冷卻裝置的隔熱冷卻效果進行傳熱仿真分析，驗證是否能滿足內部空間溫度在50 ℃以下。

1 三態隔熱冷卻裝置的設計

在沒有隔熱冷卻裝置時，相機直接暴露在環境溫度下工作時，如圖1(a)所示。紅外相機產生的熱量與周圍環境的熱量進行交換，最終達到平衡。當環境溫度高于50 ℃時，平衡點所對應的溫度過高，會造成相機性能嚴重下降甚至燒毀相機。本文作者認為，高溫環境下相機的冷卻首先要隔絕外部環境的熱量，原理如圖1(b)所示，通過端蓋開合將紅外相機放入三態隔熱冷卻裝置內部，隔絕外界高溫環境的熱量。

圖1 原理示意

本文作者設計了一套符合圖1(b)示意的三態隔熱冷卻裝置。圖2所示為針對某型號的紅外相機而設計的帶有支架的三態隔熱冷卻裝置外觀，該裝置呈圓筒形，內部結構為對稱形式。

圖2 三態隔熱冷卻裝置外觀

圖3所示為三態隔熱冷卻裝置中隔熱冷卻結構的半剖面圖。該裝置主要特點：

(1)按照先阻滯熱量傳遞再進行冷卻降溫的思路，該裝置由外到內依次是隔熱材料層、水冷卻層、空氣冷卻層，隔熱材料層通過RFC異型隔熱件極低的導熱系數能夠阻滯外界高溫環境的熱量傳遞；

(2)水冷卻層是該裝置的核心冷卻層，通過設計好的特殊水流通道，讓冷卻水能夠環繞地往返流動，最大限度地帶走部分外界環境傳遞進來的熱量；

(3)單一方向的空氣流動，能帶走少部分熱量，同時，通過環形分布的出氣口，能對石英玻璃起到清潔的作用。

圖3 隔熱冷卻結構

該裝置中的線路通孔是套有隔熱管的數據線和電源線連接內部設備和外部設備的通道，三態隔熱冷卻裝置的內部空間基本可以視為相對封閉。為了在300 ℃的工作環境中把裝置相對封閉的內部空間溫度降低到50 ℃以下并保持玻璃的潔凈度，使紅外相機正常工作，環形隔熱層材料由RFC異型隔熱件造型而來，在零件連接過程中安裝在隔熱材料層；RFC異型隔熱件由玻璃纖維和高溫樹脂復合，經過特殊發泡工藝形成，是一種新型的高溫隔熱異型制品，其導熱系數非常低，為29～32 mW/(m·K)，可任意造型，按照需求做成復雜結構的隔熱件，非常符合復雜結構以及較薄的隔熱場合。

流體流動的過程具體如下：

(1)冷卻水從進水口流入，流進環形的冷卻水第一層通道，經冷卻水第一層通道與冷卻水第二層通道之間的鍵形孔，流入環形的冷卻水第二層通道中，冷卻水再經過出水口流出；

(2)空氣由進氣口進入，流經環形的空氣冷卻層，再由石英玻璃附近的多個出氣口流出;當裝置未工作時，可單獨將壓縮空氣的氣管與進氣口連接并增大進氣壓力，通過石英玻璃旁的出氣口流出的空氣會對玻璃表面進行清潔。

2 數值計算理論及湍流模型選擇

2.1 流體控制方程

三態隔熱冷卻裝置內水、空氣的流動情況和傳熱模擬計算是個很復雜的問題，需通過CFD進行計算驗證。傳熱模擬計算遵循流體三大方程，具體如下所示：

(1)質量守恒方程(連續性方程)：

(1)

式(1)為質量守恒方程的一般形式，可用于可壓縮流體和不可壓縮流體的計算。式中：為流體微元的密度；為時間；為流體速度；源項為分散的從第二相中或者任何其他定義的源添加到連續相的質量。

(2)動量守恒方程：

(2)

此動量守恒方程是在慣性系中的動量守恒描述，式中：為靜態壓力；為應力張量；為物理模型中其他源項。

(3)能量守恒方程:

(3)

自然界目前只存在3種基本的傳熱方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。熱傳導和熱對流是該裝置存在的主要傳熱現象。式中：為流體微元溫度；為流體傳熱系數；為定壓比熱容；為黏性耗散源。

2.2 湍流模型

湍流模型經過長期的發展，已具有一定的預測能力，但是至今沒有得到有效的、統一的湍流模型。標準-模型自從被LAUNDER和SPALDING提出后，就成為工程流體計算的主要工具，適用于邊界層、射流、尾跡流等的模擬，對強分離流、強壓力梯度和大曲率的流動、缸內湍流等的預測能力較弱。Rerlizable-模型是在標準-模型基礎上經過完善和提升得到的，該模型為湍流黏性增加了一個可用公式并且為耗散率提供了新的傳輸方程；Rerlizable-模型對圓柱射流、旋轉流動、二次流等的預測更精確。利用Rerlizable-模型可更好地描述文中所述裝置中水和空氣的旋轉流動。

3 CFD傳熱數值仿真

3.1 三維計算域模型處理

三態隔熱冷卻裝置整體結構較為復雜，在數值仿真計算中會增加很多不規則網格的數量，導致計算量大大增加。文中的研究核心是三態隔熱冷卻裝置中內部空間的溫度分布，檢測內部空間溫度是否滿足紅外相機工作溫度低于50 ℃的要求。因此，必須對原裝置模型按照研究核心的方向進行必要的結構簡化，同時忽略對流體流動和傳熱影響較小的結構，以減少計算量，得到所需要的數據。用COMSOL自帶的穩態傳熱模塊中的Rerlizable-模型模塊導入簡化后的模型，其半截面如圖4所示。

圖4 計算模型半截面簡化圖

由于內部空間的紅外相機以及對應的安裝支架對內部空間的溫度幾乎沒影響，在圖4所示的計算模型中選擇去掉以減少計算時間。在簡化后的計算模型中，流體區域有空氣域和水域，由圓筒固體區域限制而成，裝置底部有一個進氣口，石英玻璃附近有9個出氣口，呈圓形分布相互錯開；進水口和出水口則分別位于裝置后端的底部和頂部。

3.2 網格劃分

圖5所示為整個裝置計算域的網格劃分，固體域采用常規大小的網格，在其他區域以及流體域相關的邊界進行網格細化，以提高仿真計算的準確性。

圖5 計算模型網格

3.3 邊界條件

進水口流速為3 m/s、進氣口流速為1 m/s，9個小出氣口和出水口為壓力出口，出口壓力為一個標準大氣壓，進口流體的溫度都為20 ℃。

表1所示為設置的普通鋼、隔熱材料、石英材料的導熱系數。水、空氣的導熱系數則選用COMSOL材料庫自帶的隨溫度壓力變化的導熱系數表達方式。

表1 相關材料導熱系數

裝置壁面以及石英玻璃壁面設置為wall，COMSOL傳熱模塊系統有自帶的環境與圓筒薄面自然對流換熱的選項，設置圓筒長高度為0.243 m、圓柱直徑為0.136 m，在環境熱屬性參數中，環境溫度設置為300 ℃，整個計算模型涉及的邊界條件具體如表2所示。

表2 邊界條件名稱及類型

4 實驗結果分析

4.1 流體的流速對內部空間平均溫度的影響

在圓筒結構參數以及材料不變的情況下，進口的流體速度是影響內部空間溫度的最主要因素。由于冷卻水是最常用的冷卻方式，以冷卻水的進口流速為例，在進氣口流速為1 m/s的條件下，取內部空間的平均溫度為參考對象，研究進水口速度對內部空間平均溫度的影響，結果如圖6所示。

圖6 內部空間平均溫度變化曲線

由圖6可知：當進水口流速增大，內部空間的平均溫度變小；當進水口流速約小于3 m/s時，內部空間平均溫度下降幅度較大；當進水口流速約大于3 m/s時，內部空間平均溫度下降幅度趨向于平緩。適當增大進水口流速可提高裝置的隔熱冷卻效果，根據圖6可取進水口流速為3 m/s、進氣口流速為1 m/s來研究內部空間具體的溫度分布。

4.2 不同冷卻措施對內部空間平均溫度的影響

在不改變第4.1節結論的情況下，以存在的措施對內部空間平均溫度的影響作比較，結果如表3所示。

表3 不同措施對內部空間平均溫度的影響

當只有隔熱材料層時，由于隔熱材料層只起阻滯熱量傳遞的作用，隨著時間的推移，其內部空間的溫度最后會達到與環境溫度一樣的300 ℃。在冷卻性能方面，冷卻水層是冷卻效果最好的一層，空氣冷卻層除了承擔部分冷卻作用，還起到非常重要的自潔石英玻璃的作用。因此，結合3種方式對紅外相機所處的內部空間進行降溫。

4.3 特殊設計的水通道中湍流狀態

為最大化提高裝置的冷卻效果，本文作者針對水冷卻層設計了特殊通道，不但可以使水流由裝置尾部進入，流經裝置頭部后再流回裝置尾部流出，盡可能地多帶走熱量，而且可以讓水流在通道內形成環形繞流，從而達到破壞邊界層、增加湍流度、提高換熱效率的作用。對照圖3所示的冷卻結構，當進水口流速為3 m/s時，水通道中部分流線如圖7所示。

圖7 水通道流線

由圖7可看到：進水口進入的水流在通道里做非常明顯的環流運動；在水流通道內，距離進水口越遠，環流的狀態越不明顯且流速就越小；同時間段內，水流在通道前半段的換熱效果優于在通道后半段的換熱效果。

4.4 內部空間溫度分布

經過上述研究，本文作者在結合3種隔熱冷卻方式基礎上，確定以水流速3 m/s、空氣流速1 m/s作為起始條件，分析內部空間表面以及內部的溫度分布云圖是驗證裝置隔熱冷卻效果最直接、有效的方式。內部空間邊界溫度的分布如圖8所示。

圖8 內部空間邊界溫度的分布

由于隔熱材料的導熱系數低，隔熱效果好，水和空氣與裝置發生較大的熱量交換，導致內部空間的溫度較低，內部空間的邊界溫度分布呈中間低、兩端略高的分布狀態。其中，最高溫度出現在接觸端蓋壁面的前端表面，可達到48 ℃。這是由于中間部分的空氣完全處于環形的隔熱材料層、水冷層和風冷層的三層冷卻作用下，而兩端的空氣則是直接與石英玻璃以及端蓋接觸，其溫度必然會高于內部空間中間的溫度。即導致內部空間的空氣溫度升高的熱量主要來源于兩端的石英玻璃壁面和端蓋壁面傳遞的熱量。

圖9所示為內部空間截面的溫度分布云圖。可知：最高溫度出現在靠近石英玻璃的球形局部空間，可達48.8 ℃，但是并未出現在紅外相機的主要位置范圍內，參照圖3紅外相機的位置可知，這對紅外相機的正常工作不會產生影響。其余空間溫度低于50 ℃，最低溫度出現在內部空間的中心處，低至33.4 ℃，完全滿足紅外相機正常工作的條件。

圖9 內部空間溫度的ZX截面

5 結論

(1)從紅外相機應用場合的需求出發，相比于傳統單一方式的冷卻裝置，本文作者結合隔熱材料、水冷、風冷3種方式，設計了一款適用某型號紅外相機的三態隔熱冷卻裝置。其中，特殊設計了水通道，與傳統S形分布的圓形管道相比，它極大地增強了換熱效果，空氣通道的設計不但能夠起到相應的冷卻作用，還能夠起到石英玻璃自潔的作用。

(2)通過CFD軟件進行驗證，在300 ℃的外部環境溫度下，以進水口流速為3 m/s、進氣口流速為1 m/s以及流體溫度20 ℃為條件，詳細分析了影響換熱效果的各個因素，并通過裝置外表面和內部空間的溫度分布情況，得出紅外相機所在的內部空間溫度最高點為48.8 ℃、最低點為33.4 ℃，在紅外相機正常工作的溫度條件內。

(3)在實際應用中，如果隔熱冷卻裝置外部環境低于300 ℃，可適當降低進水口流速和進氣口流速，以間接調節三態隔熱冷卻裝置的隔熱冷卻效果，在保證紅外相機正常的工作環境溫度前提下，節約水電資源。