３　結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真結(jié)果分析

３.１　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由２.３分析可知，設(shè)備內(nèi)外部散熱都存在問題，主要包括外部熱交換效率差，內(nèi)部環(huán)境封閉且熱源集中，熱源散熱翅片與外部翅片之間的接觸熱傳遞效率差等。為了改善設(shè)備散熱性能，分別提出了三種優(yōu)化方法。

優(yōu)化方法１：在外側(cè)翅片 上增加蓋板形成風(fēng)道，并添加風(fēng)扇使得風(fēng)僅從翅片風(fēng)道通過，增加外部翅片散熱效率。在風(fēng)機(jī)選型上需要通過計算確定所需的通風(fēng)量，熱平衡公式如下：

備內(nèi)所有熱源功率的總和，在這里Φ＝１５５Ｗ；ρ為空氣密度，在這里ρ＝１.０９３ｋｇ／ｍ３；ｃｐ為空氣的質(zhì)量定壓熱熔，在這里 ｃｐ＝１００５Ｊ／（ｋｇ·℃）；Δｔ為冷卻空氣進(jìn)口和出口的溫差，根據(jù)經(jīng)驗取Δｔ＝１０℃；Ｑｆ為整機(jī)通風(fēng)量。根據(jù)公式計算Ｑｆ＝０.０１４１（ｍ３／ｓ），按照兩倍冗余進(jìn)行設(shè)計，需要風(fēng)量為０.０２８２（ｍ３／ｓ），考慮到空間仍有剩余最終選擇４個６０２５風(fēng)扇并聯(lián)的方式對外部翅片進(jìn)行散熱。風(fēng)機(jī)曲線如圖９所示。優(yōu)化方法２：在優(yōu)化方 法１的基礎(chǔ)上修改翅片風(fēng)道以及蓋板形狀的方式控制風(fēng)的走向，修改前后如圖１０所示。優(yōu)化方法３：在優(yōu)化方法２的基礎(chǔ)上修改翅片結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)從熱源到外部翅片之間的熱傳導(dǎo)性能，修改前后如圖１１所 示。優(yōu) 化方法１仿真結(jié)果如圖１２所示。相較于優(yōu)化前，所有熱源溫度都有所下降，但部分器件溫度仍較高。內(nèi)部熱源多以接觸散熱的方式逐步將熱量從熱源傳遞到散熱翅片再傳遞到側(cè)蓋翅片上，而當(dāng)前風(fēng)道未考慮到膨脹機(jī) 、壓縮機(jī)、電源等? ? 熱源接觸位置的翅片的凹槽，對該器件的散熱效果較差。

３.２　優(yōu)化仿真結(jié)果

優(yōu)化后的仿真結(jié)果如表３所示。

優(yōu)化方法２仿真結(jié)果如圖１３所示。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各熱源溫度相較于優(yōu)化前有不同程度下降，可見修改風(fēng)道可以有效的增強(qiáng)散熱效果。優(yōu)化方法３仿真結(jié)果如圖１４所示。壓縮機(jī)與膨脹機(jī)溫度皆有所下降，修改下部分翅片后，溫度可以更均勻的從熱源傳遞到設(shè)備外殼，進(jìn)而通過空氣對流將熱量帶出設(shè)備。除膨脹機(jī)和電源１溫度超過最佳工作溫度２℃以內(nèi)，其余器件溫度已經(jīng)符合設(shè)計要求。

４　樣機(jī)驗證結(jié)果

在優(yōu)化方案中，方案１、２添加了風(fēng)機(jī)并修改了風(fēng)道結(jié)構(gòu)，對熱像儀整體進(jìn)行了散熱優(yōu)化，溫度相較于優(yōu)化前，各熱源溫度都有大幅度下降，仿真溫度已接近實際要求最佳工作溫度，處于熱像儀可工作溫度范圍。方案３主要針對細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，修改了膨脹機(jī)散熱翅片形狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低了膨脹機(jī)的溫度，但下降幅度遠(yuǎn)小于優(yōu)化方案１、２的下降幅度。項目進(jìn)程中仿真實驗與機(jī)械加工同時進(jìn)行，優(yōu)化方法３提出時間在加工之后，考慮到工期以及針對性方面，最終樣機(jī)未使用優(yōu)化方案３內(nèi)容進(jìn)行實驗，僅參考優(yōu)化方法１、２內(nèi)容。樣機(jī)在散熱優(yōu)化設(shè)計方面結(jié)構(gòu)如圖１５所示。方案３在仿真中可以有效的將膨脹機(jī)的溫度控制在最佳工作溫度范圍內(nèi)，考慮在后續(xù)投產(chǎn)中使用方案３中的翅片結(jié)構(gòu)。

將設(shè)備放置在６０℃高溫箱內(nèi)工作，并對設(shè)備內(nèi)部多點(diǎn)進(jìn)行溫度檢測，每半小時記錄一次數(shù)據(jù)，三小時后溫度趨于穩(wěn)定。主要檢測溫度點(diǎn)共有五處：光模塊處，對應(yīng)仿真中系統(tǒng)光纖溫度；制冷機(jī)處，對應(yīng)仿真中壓縮機(jī)溫度；ＦＰＧＡ溫度，對應(yīng)仿真中主板ＦＰＧＡ溫度；近光模塊－殼外壁，近制冷機(jī)－殼外壁，用于檢測熱源與外殼的溫度傳遞情況。樣機(jī)實驗升溫結(jié)果與優(yōu)化方法２對比如表４所示。

樣機(jī)實驗中，近光模塊－殼外壁低于內(nèi)部熱源溫度５℃，近制冷機(jī)－殼外壁低于內(nèi)部熱源溫度４.５℃，可見通過接觸的熱傳導(dǎo)效果較好，壓縮機(jī)、膨脹機(jī)部分凹陷面積較大，優(yōu)化效果較好，真實值與仿真值較為接近，系統(tǒng)光纖與主板ＦＰＧＡ溫度監(jiān)測點(diǎn)可能存在一定的誤差導(dǎo)致真實值與仿真值差別較大，但真實值已基本滿足升溫不超過１５℃要求，誤差處于可接受范圍。通過對比結(jié)果數(shù)據(jù)，可知對結(jié)構(gòu)與風(fēng)道的優(yōu)化，可以有效地控制熱源的溫升。

５　結(jié)　論

為解決紅外熱像儀散熱問題，通過Ｉｃｅｐａｋ軟件仿真和實際測試驗證仿真結(jié)果。樣機(jī)測試熱源平均溫升１３.８℃，溫升相較于仿真的溫升平均高２.７２℃，準(zhǔn)確度較好，該偏差值可作為參考應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計及方案優(yōu)化。
利用Ｉｃｅｐａｋ對不同結(jié)構(gòu)的設(shè)備進(jìn)行仿真對比散熱情況，可以看出翅片配合風(fēng)扇強(qiáng)制散熱的形式可以更好地對設(shè)備外殼進(jìn)行散熱，進(jìn)而控制熱源的溫升。相較于改進(jìn)前的僅接觸風(fēng)道的兩個側(cè)面，凹槽風(fēng)道還可以使風(fēng)接觸風(fēng)道的底面，增加熱交換效率，提升散熱性能。從仿真結(jié)果可知，設(shè)備內(nèi)部熱源的翅片結(jié)構(gòu)，可以更均勻的將熱量傳遞到設(shè)備外部翅片上，文中提到的優(yōu)化方法３在樣機(jī)上的散熱優(yōu)化表現(xiàn)需要通過加工替換對應(yīng)零件并測試驗證。后續(xù)批量生產(chǎn)時考慮優(yōu)化該零件并驗證。通過Ｉｃｅｐａｋ仿真，可以在設(shè)計初期對多種方案進(jìn)行分析比較，有效提高系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量，降低研發(fā)成本。