１　引　言

隨著紅外探測設備的發(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，整體設備內部的熱流密度也在上升。為保 障紅外探測設備可以穩(wěn)定運行，需要將設備內部的 各個發(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流、強迫風冷、強 迫液冷三類。其中自然對流適合的熱流密度較 低，散熱能力較差，液冷系統復雜、成本較高，往往選 擇強迫風冷對設備進行散熱。強迫風冷主要可以通 過優(yōu)化風道結構、更改風機選型和優(yōu)化散熱翅片結構的方式提升散熱性能。 本文針對紅外熱像儀內部熱源發(fā)熱問題，通過 建模仿真的方式對可能存在的散熱問題進行研究， 并對設備結構進行優(yōu)化，盡可能將熱源的溫度降低 到最佳工作范圍內，最終通過樣機測試驗證仿真結 果的準確性。

２　仿真計算與理論基礎

當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構散熱分析，能夠從各個層級層面進行散熱問題的分析計算。在Icepak與Ansys合并后，通過Workbench平臺獲得了更便捷的操作性，且大幅度的擴展了其使用范圍，故本文使用Icepak軟件對紅外熱像儀進行仿真計算。

２.１　產品結構組成

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

熱源包括探測器組件以及多個控制電路板，探測器組件由探測器、探測器底板、探測器驅動板、散熱片等零件組成，其中探測器包括膨脹機與壓縮機，是設備內部的主要熱源之一。紅外熱像儀有特定的工作溫度范圍，如果熱源溫度過高，會產生電子元器件失效、圖像失真、分辨率降低等問題，所以需要創(chuàng)建散熱組件并對其進行優(yōu)化，以滿足設備的工作溫
度需求。

２.２　模型簡化與網格劃分

為了對紅外熱像儀進行仿真計算，需要簡化設備模型，具體為保留內部熱源、散熱翅片和風扇等。刪除對散熱影響較小的非熱源部件，并簡化密閉機箱殼體形狀，不規(guī)則的回轉體簡化為圓柱體，不規(guī)則立方體模型簡化為規(guī)則立方體，簡化后模型內部如圖３所示。

根據簡化模型的最大尺寸設置運算區(qū)域，在非重力方向運算區(qū)域向外擴大一倍模型尺寸，重力方向運算區(qū)域擴大兩倍模型尺寸，并將計算區(qū)域的外
面設置為開放，設置后如圖４所示。

網格劃分對仿真結果的準確性有較大的影響，本文使用Mesher HD六面體占優(yōu)網格結構對模型進行網格劃分。每級的網格尺寸為前級的一半，使用不同尺寸的網格進行劃分可以在保證網格質量的同時降低網格數量。形狀規(guī)則的零件使用較低的網格等級，而翅片等形狀較為復雜的零件使用較高的網格等級，劃分后檢查網格是否完整，并根據情況調整劃分等級，部分部件最終網格劃分情況如圖５所示。

２.３　邊界條件

運算空間內環(huán)境氣壓設置為標準大氣壓，環(huán)境溫度６０℃，并在所有與熱源接觸的工件表面設置導熱墊，參數為５Ｗ／Ｋ－ｍ２。設備內發(fā)熱功耗主要在膨脹機、壓縮機以及各個電路板，各熱源功率如表１所示。

根據經驗在不同的熱源處選擇了兩種不同規(guī)格的風扇，風機曲線如圖６、圖７所示。

２.４　優(yōu)化前仿真結果

對優(yōu)化前的設備散熱情況進行仿真，設備內部設置風扇對翅片進行強制散熱，設備外部通過自然對流換熱的方法對設備進行散熱。仿真結果如圖８所示，各熱源溫度如表２所示。

表２　優(yōu)化前仿真結果

由表２可知，壓縮機溫度為８９.０５℃，膨脹機溫度為１１６.２１℃，要求穩(wěn)態(tài)度不超過環(huán)境溫度的１５℃，即小于等于７５℃，仿真結果不滿足要求。由圖６可知，內部空間僅風扇附近存在流動，外部殼體幾乎不存在空氣流動，從而無法對外部翅片進行散熱，導致設備內部溫度較高。