基于ANSYS Icepak的制冷型红外探测器散热结构优化设计

华海宇



基于ANSYS Icepak的制冷型红外探测器散热结构优化设计

华海宇

（四川长虹电子科技有限公司，四川 绵阳 621000）

针对制冷型红外探测器制冷机工作时压缩机对温升的要求，设计一种用于压缩机的散热结构。采用有限元分析法，利用ANSYS Icepak对散热结构进行了热分析建模，同时得到了压缩机在稳定工作状态时的温度分布和气体流场分布，根据热仿真结果结合温升要求对散热结构进行了优化，设计了一种风道形式的散热结构，分析结果表明，在相同的边界条件下风道结构有更好的散热效果，能够更有效地控制压缩机的温升。

制冷型红外探测器；散热；ANSYS Icepak；热仿真

红外探测器是一种能对外界红外辐射产生响应的光电传感器，应用于医疗检测、装备制造、工业控制等领域，其工作原理是敏感材料受到红外辐射后产生各种效应对红外辐射进行探测，可分为制冷型和非制冷型[1]。

制冷型红外探测器具有成像质量好、探测灵敏度高的优点，其分辨率主要取决于背景温度与探测温度之间的对比度，降低背景温度可以抑制探测器的暗电流和噪声以此提高探测器的精度，需要依靠制冷机对其进行制冷[2]。由于制冷过程中压缩机要发出大量热量，需要控制其温升，否则会对探测器性能产生不良影响，基于此，需要设计能够有效将压缩机产生的热量排出的散热结构。

1 散热结构设计

散热结构设计前需要结合散热对象的使用环境、热源发热量、空间尺寸等因素选择散热方式。目前常用的散热方式主要有以下三种[3]。

（1）自然冷却。设计简单，利用冷热空气温度不同导致密度不同使空气相互流动进行散热。常见为翅片结构，常用于小功率电子模块散热。

（2）强迫风冷。需要外界提供动力加速空气流动提高散热效果。最常用的是风扇，设计时需考虑整机结构尺寸、风扇尺寸和安装形式等问题。

（3）强迫液冷。使用液体对热源进行冷却，冷却工质的传热系数是空气传热系数的20倍以上，常用于大热流密度的情况，但结构复杂。

可参考图1进行选择。

红外探测器正常工作时制冷机热功耗20 W，压缩机温升应控制在20℃内，根据安装结构尺寸要求，选择强迫风冷。对制冷机中的压缩机设计了一种翅片散热结构，如图2所示。

①自然对流冷却；②强迫风冷；③浸没自然对流（碳氟有机液）；④浸没沸腾（碳氟有机液）；⑤强迫水冷

2 散热结构热仿真分析

热仿真分析软件ANSYS Icepak用于电子设备电路板级、系统级热仿真，与主流CAD软件有接口，通过Design Modeler可以将三维实体转化为ANSYS Icepak能够识别的特征，导入后设置环境参数和边界条件。在ANSYS Icepak的网格划分功能中提供了Hexa Unstructured（非结构化网格）、Hexa Cartesian（结构化网格）、Mesher-HD（六面体占优网格）三种网格类型[4]，通过对局部网格进行加密，划分连续与非连续网格控制网格质量，准确得到与模型本身几何贴体的网格，通过设置边界条件和求解参数，用Fluent求解器进行求解。

图2 翅片结构模型

2.1 模型网格划分

ANSYS Icepak热仿真过程，网格的划分质量决定了求解计算的结果是否可以收敛。由于是包含圆弧特征的几何体，采用Mesher-HD划分[5]，由于包含散热翅片，为减少网格数量，使用非连续性网格，模型与背景网格分别设置不同的网格参数。网格划分结果如图3所示，均为六面体网格（仅显示散热结构网格），翅片模型网格总数458217，节点总数473948。

在ANSYS Icepak网格质量检查面板中模型的面对齐率、扭曲比、网格偏斜度均达到网格划分要求，划分的网格能够贴体反映模型特征。由于在质量检查面板中的网格体积值小于1E-15，因此需要在Advanced中设置计算精度为double，在网格质量检查面板中各项得到的数值越大表明网格质量越好[6]。

2.2 仿真参数的设定

在进行热仿真分析前需要准确设定仿真参数，ANSYS Icepak中相关参数设置如下：

（1）求解类型：稳态；

（2）环境温度：50 ℃（该温度为红外探测器的工作环境温度）；

（3）流态：湍流；

（4）环境压力：101325 Pa；

（5）迭代步数：200；

（6）重力方向：由于为强迫空气冷却，不考虑重力的影响[7]；

（7）辐射：虽然该分析中是使用风扇进行的强迫冷却，辐射换热影响较小，但为了准确反映结果，需要将辐射换热选项打开，由于模型为复杂CAD，故选择DO（Discrete Ordinates）辐射换热模型。

常用金属材料的导热系数如表1所示，可知，金银铜导热系数比较高。金银成本高，此设计中不予考虑。电子产品散热结构材料普遍使用铝合金，虽然其热传导率在金属中不是最好的，但价廉、质轻、易成型，所以应用广泛，因此选铝合金材料，如有特殊需要，可以选用铜铝合金等其它材料[8]。

表1 常见金属材料导热系数

由于安装结构尺寸限制，暂选用ebmpapst 514F-RS0轴流风扇，从整体考虑，探测器后端有较大空间，若风扇采用吹气则吹出的热空气会对安装在红外探测器上的电路板造成影响，因此采用抽气形式。在ANSYS Icepak中设置风扇特性的fan type为exhaust。风扇技术参数如表2、风量风压曲线如图4所示。

表2 风扇参数

图4 风扇特性曲线

对热仿真分析作以下假设：

（1）忽略安装底座的热传导；

（2）结构物理参数不随温度变化而变化；

（3）工作时压缩机发热均匀，处于热平衡状态。

2.3 计算结果

完成以上边界条件的设置后，就可以进行仿真分析。首先进行初始化，查看是否有错误信息，如有就应当按照提示进行修改，若没有则将自动开启残差监视，经过数值计算，各个变量的残差达到收敛标准后计算结束。翅片结构热仿真分析的温度结果如图5所示。

图5 翅片结构温度

图5中，压缩机的最高温度为69.4℃，从结果得知翅片结构能够控制温升，但效果不佳，理论上可通过增大翅片面积提高散热效果，或者选用风量更大的风扇，但由于结构尺寸的限制，上述方法不可行，同时由于翅片加工难度大、工艺成本高，因此需对散热结构进行优化。

2.4 优化设计

为解决翅片结构对压缩机散热效果不佳的问题，设计了如图6的风道结构，该结构由三部分组成，形成一个周围封闭只存在一个进气口和一个排气口的风道形式，风扇由于采用抽风方式，可以设计安装在风道结构的排气口处，风道模型网格总数255251，节点总数267883，网格划分如图7所示（仅显示散热结构网格）。

图6 风道结构模型

风道结构热仿真分析的温度结果如图8所示，压缩机最高温度为65.4℃，比翅片结构仿真结果降低了4℃，散热效果明显，说明风道结构比翅片结构对压缩机有更好的散热效果。

图9和图10显示了风扇对外抽气过程中的气体流场分布。翅片结构中气体流场分散，与压缩机表面贴合性差，受翅片影响，风阻较大，同时探测器周围其他器件会对气流造成扰动；风道结构相对封闭，气流集中分布于压缩机周围，不会受到周围结构的影响，产生的热量能有效地被带出，因此散热效果更好。

图7 风道模型网格

图8 风道结构温度

图9 翅片结构气体流场

图10 风道结构气体流场

3 结束语

利用ANSYS Icepak得到红外探测器散热结构的热仿真结果，对比不同结构的温度场分布和气体流场分布。两者相比，风道散热结构效果优于翅片散热结构，实际使用中需对铝合金散热材料表面进行氧化发黑处理，增强辐射散热效果，同时在压缩机表面与散热结构之间涂抹导热硅脂以减小热阻。另外，应首先测得系统阻力特性，再根据阻力特性曲线正确选择风扇[9]，本文选择的ebmpapst 514F-RS0轴流风扇能够满足散热要求。通过ANSYS Icepak仿真，可以在设计初期对多种方案进行分析比较，有效提高系统设计质量，降低研发成本。

[1]刘兴明，韩琳，刘理天. 室温红外探测器研究与进展[J]. 电子器件，2005，28（2）：415-420.

[2]张雪，梁晓庚. 红外探测器发展需求[J]. 电光与控制，2013，20（2）：41-45.

[3]潘雨. 相控阵天线热仿真与热设计[D]. 成都：电子科技大学，2016.

[4]郭亮，吴清文，颜昌翔. 空间光谱成像仪热设计及其分析与验证[J]. 光学精密工程，2011，19（6）：1272-1280.

[5]全伟，李光慧，陈熙，刘峰. 一体化半导体激光器的ANSYS热仿真及结构设计[J]. 光学精密工程，2016，24（5）：1080-1086.

[6]王永康. ANSYS Icepak电子散热基础教程[M]. 北京：国防工业出版社，2015.

[7]曹红，吕倩，韩宁. 强迫风冷电子设备的热仿真与热测试数据对比分析[J]. 电视技术，2008，48（7）：109-112.

[8]李承隆. 电子产品热设计及热仿真技术应用的研究[D]. 成都：电子科技大学，2010.

[9]郁圣杰，李维忠. 密闭机箱的热仿真分析[J]. 雷达与对抗，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

华海宇（1988－），男，四川威远人，硕士，工程师，主要从事结构设计工作。