红外相机三态隔热冷却装置的设计及分析

王栋栋，刘复兴，张荣，杨金堂

(1.武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉 430081；2.武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，湖北武汉 430081；3.宝武集团鄂城钢铁有限公司炼钢厂，湖北鄂州 436099；4.武汉东湖学院机电工程学院，湖北武汉 430212)

0 前言

红外相机是一种运用光学成像物镜接收物体的红外辐射能量分布，反映到光敏元件上，获得可见的红外热图像采集的电子设备。红外相机在夜场监控、高温测量等领域有着广泛的应用，但是其正常工作的环境温度为-10～50 ℃，为了在某些高温环境场合能够使用，需要针对性地设计红外相机的冷却方式及装置。

目前，国内外对这类电子设备的冷却研究并不多。汤魁利用热电冷却效应设计了一个监控摄像机散热装置，能够保持摄像机防护罩内部的温度在一定范围内，在室外40 ℃高温环境下，保护罩内部平均温度达到27 ℃，在70 ℃高温环境下，保护罩内部平均温度达到约50 ℃。张平和唐良宝研发出一种实现空空热交换的装置，能够让电子设备在地劣环境中稳定并持久地工作。杨祺等人对红外窗口进行了主动冷却和被动热防护的数值模拟，验证了主动冷却技术在红外窗口应用的可行性。韩海银等表明在发热功率增大的情况下，大功率电子器件的散热器温度下降趋势随着入口流量的增大而减小。包冰国利用高效逆流冷却塔技术保证了冷却塔长期稳定可靠、高效运行。STAFFORD和FORTUNE通过研究轴流风扇的气流动力特性，推断出散热出口形状可以影响风扇气流以及散热量的结论。NARCY等研究两相散热器在电子冷却中的应用，发现在散热器内部，由于流体被限制引起了受限的沸腾现象。ARANZABAL等提出了一个比较传统的单相水/乙二醇液体和创新两相冷却技术，用于汽车领域。

基于以上研究，针对某型号红外相机设计一种三态隔热冷却装置的结构。区别于常用的单一冷却方式，其创新点在于结合了隔热材料、水冷却、空气冷却三层措施，并且设计特定的流体通道，增大换热面积，从而使装置更好地起到隔热降温的作用。除此之外，该装置还具有一定的自洁功能，能够代替普通人工清洁石英玻璃。对冷却装置的隔热冷却效果进行传热仿真分析，验证是否能满足内部空间温度在50 ℃以下。

1 三态隔热冷却装置的设计

在没有隔热冷却装置时，相机直接暴露在环境温度下工作时，如图1(a)所示。红外相机产生的热量与周围环境的热量进行交换，最终达到平衡。当环境温度高于50 ℃时，平衡点所对应的温度过高，会造成相机性能严重下降甚至烧毁相机。本文作者认为，高温环境下相机的冷却首先要隔绝外部环境的热量，原理如图1(b)所示，通过端盖开合将红外相机放入三态隔热冷却装置内部，隔绝外界高温环境的热量。

图1 原理示意

本文作者设计了一套符合图1(b)示意的三态隔热冷却装置。图2所示为针对某型号的红外相机而设计的带有支架的三态隔热冷却装置外观，该装置呈圆筒形，内部结构为对称形式。

图2 三态隔热冷却装置外观

图3所示为三态隔热冷却装置中隔热冷却结构的半剖面图。该装置主要特点：

(1)按照先阻滞热量传递再进行冷却降温的思路，该装置由外到内依次是隔热材料层、水冷却层、空气冷却层，隔热材料层通过RFC异型隔热件极低的导热系数能够阻滞外界高温环境的热量传递；

(2)水冷却层是该装置的核心冷却层，通过设计好的特殊水流通道，让冷却水能够环绕地往返流动，最大限度地带走部分外界环境传递进来的热量；

(3)单一方向的空气流动，能带走少部分热量，同时，通过环形分布的出气口，能对石英玻璃起到清洁的作用。

图3 隔热冷却结构

该装置中的线路通孔是套有隔热管的数据线和电源线连接内部设备和外部设备的通道，三态隔热冷却装置的内部空间基本可以视为相对封闭。为了在300 ℃的工作环境中把装置相对封闭的内部空间温度降低到50 ℃以下并保持玻璃的洁净度，使红外相机正常工作，环形隔热层材料由RFC异型隔热件造型而来，在零件连接过程中安装在隔热材料层；RFC异型隔热件由玻璃纤维和高温树脂复合，经过特殊发泡工艺形成，是一种新型的高温隔热异型制品，其导热系数非常低，为29～32 mW/(m·K)，可任意造型，按照需求做成复杂结构的隔热件，非常符合复杂结构以及较薄的隔热场合。

流体流动的过程具体如下：

(1)冷却水从进水口流入，流进环形的冷却水第一层通道，经冷却水第一层通道与冷却水第二层通道之间的键形孔，流入环形的冷却水第二层通道中，冷却水再经过出水口流出；

(2)空气由进气口进入，流经环形的空气冷却层，再由石英玻璃附近的多个出气口流出;当装置未工作时，可单独将压缩空气的气管与进气口连接并增大进气压力，通过石英玻璃旁的出气口流出的空气会对玻璃表面进行清洁。

2 数值计算理论及湍流模型选择

2.1 流体控制方程

三态隔热冷却装置内水、空气的流动情况和传热模拟计算是个很复杂的问题，需通过CFD进行计算验证。传热模拟计算遵循流体三大方程，具体如下所示：

(1)质量守恒方程(连续性方程)：

(1)

式(1)为质量守恒方程的一般形式，可用于可压缩流体和不可压缩流体的计算。式中：为流体微元的密度；为时间；为流体速度；源项为分散的从第二相中或者任何其他定义的源添加到连续相的质量。

(2)动量守恒方程：

(2)

此动量守恒方程是在惯性系中的动量守恒描述，式中：为静态压力；为应力张量；为物理模型中其他源项。

(3)能量守恒方程:

(3)

自然界目前只存在3种基本的传热方式：热传导、热对流、热辐射。热传导和热对流是该装置存在的主要传热现象。式中：为流体微元温度；为流体传热系数；为定压比热容；为黏性耗散源。

2.2 湍流模型

湍流模型经过长期的发展，已具有一定的预测能力，但是至今没有得到有效的、统一的湍流模型。标准-模型自从被LAUNDER和SPALDING提出后，就成为工程流体计算的主要工具，适用于边界层、射流、尾迹流等的模拟，对强分离流、强压力梯度和大曲率的流动、缸内湍流等的预测能力较弱。Rerlizable-模型是在标准-模型基础上经过完善和提升得到的，该模型为湍流黏性增加了一个可用公式并且为耗散率提供了新的传输方程；Rerlizable-模型对圆柱射流、旋转流动、二次流等的预测更精确。利用Rerlizable-模型可更好地描述文中所述装置中水和空气的旋转流动。

3 CFD传热数值仿真

3.1 三维计算域模型处理

三态隔热冷却装置整体结构较为复杂，在数值仿真计算中会增加很多不规则网格的数量，导致计算量大大增加。文中的研究核心是三态隔热冷却装置中内部空间的温度分布，检测内部空间温度是否满足红外相机工作温度低于50 ℃的要求。因此，必须对原装置模型按照研究核心的方向进行必要的结构简化，同时忽略对流体流动和传热影响较小的结构，以减少计算量，得到所需要的数据。用COMSOL自带的稳态传热模块中的Rerlizable-模型模块导入简化后的模型，其半截面如图4所示。

图4 计算模型半截面简化图

由于内部空间的红外相机以及对应的安装支架对内部空间的温度几乎没影响，在图4所示的计算模型中选择去掉以减少计算时间。在简化后的计算模型中，流体区域有空气域和水域，由圆筒固体区域限制而成，装置底部有一个进气口，石英玻璃附近有9个出气口，呈圆形分布相互错开；进水口和出水口则分别位于装置后端的底部和顶部。

3.2 网格划分

图5所示为整个装置计算域的网格划分，固体域采用常规大小的网格，在其他区域以及流体域相关的边界进行网格细化，以提高仿真计算的准确性。

图5 计算模型网格

3.3 边界条件

进水口流速为3 m/s、进气口流速为1 m/s，9个小出气口和出水口为压力出口，出口压力为一个标准大气压，进口流体的温度都为20 ℃。

表1所示为设置的普通钢、隔热材料、石英材料的导热系数。水、空气的导热系数则选用COMSOL材料库自带的随温度压力变化的导热系数表达方式。

表1 相关材料导热系数

装置壁面以及石英玻璃壁面设置为wall，COMSOL传热模块系统有自带的环境与圆筒薄面自然对流换热的选项，设置圆筒长高度为0.243 m、圆柱直径为0.136 m，在环境热属性参数中，环境温度设置为300 ℃，整个计算模型涉及的边界条件具体如表2所示。

表2 边界条件名称及类型

4 实验结果分析

4.1 流体的流速对内部空间平均温度的影响

在圆筒结构参数以及材料不变的情况下，进口的流体速度是影响内部空间温度的最主要因素。由于冷却水是最常用的冷却方式，以冷却水的进口流速为例，在进气口流速为1 m/s的条件下，取内部空间的平均温度为参考对象，研究进水口速度对内部空间平均温度的影响，结果如图6所示。

图6 内部空间平均温度变化曲线

由图6可知：当进水口流速增大，内部空间的平均温度变小；当进水口流速约小于3 m/s时，内部空间平均温度下降幅度较大；当进水口流速约大于3 m/s时，内部空间平均温度下降幅度趋向于平缓。适当增大进水口流速可提高装置的隔热冷却效果，根据图6可取进水口流速为3 m/s、进气口流速为1 m/s来研究内部空间具体的温度分布。

4.2 不同冷却措施对内部空间平均温度的影响

在不改变第4.1节结论的情况下，以存在的措施对内部空间平均温度的影响作比较，结果如表3所示。

表3 不同措施对内部空间平均温度的影响

当只有隔热材料层时，由于隔热材料层只起阻滞热量传递的作用，随着时间的推移，其内部空间的温度最后会达到与环境温度一样的300 ℃。在冷却性能方面，冷却水层是冷却效果最好的一层，空气冷却层除了承担部分冷却作用，还起到非常重要的自洁石英玻璃的作用。因此，结合3种方式对红外相机所处的内部空间进行降温。

4.3 特殊设计的水通道中湍流状态

为最大化提高装置的冷却效果，本文作者针对水冷却层设计了特殊通道，不但可以使水流由装置尾部进入，流经装置头部后再流回装置尾部流出，尽可能地多带走热量，而且可以让水流在通道内形成环形绕流，从而达到破坏边界层、增加湍流度、提高换热效率的作用。对照图3所示的冷却结构，当进水口流速为3 m/s时，水通道中部分流线如图7所示。

图7 水通道流线

由图7可看到：进水口进入的水流在通道里做非常明显的环流运动；在水流通道内，距离进水口越远，环流的状态越不明显且流速就越小；同时间段内，水流在通道前半段的换热效果优于在通道后半段的换热效果。

4.4 内部空间温度分布

经过上述研究，本文作者在结合3种隔热冷却方式基础上，确定以水流速3 m/s、空气流速1 m/s作为起始条件，分析内部空间表面以及内部的温度分布云图是验证装置隔热冷却效果最直接、有效的方式。内部空间边界温度的分布如图8所示。

图8 内部空间边界温度的分布

由于隔热材料的导热系数低，隔热效果好，水和空气与装置发生较大的热量交换，导致内部空间的温度较低，内部空间的边界温度分布呈中间低、两端略高的分布状态。其中，最高温度出现在接触端盖壁面的前端表面，可达到48 ℃。这是由于中间部分的空气完全处于环形的隔热材料层、水冷层和风冷层的三层冷却作用下，而两端的空气则是直接与石英玻璃以及端盖接触，其温度必然会高于内部空间中间的温度。即导致内部空间的空气温度升高的热量主要来源于两端的石英玻璃壁面和端盖壁面传递的热量。

图9所示为内部空间截面的温度分布云图。可知：最高温度出现在靠近石英玻璃的球形局部空间，可达48.8 ℃，但是并未出现在红外相机的主要位置范围内，参照图3红外相机的位置可知，这对红外相机的正常工作不会产生影响。其余空间温度低于50 ℃，最低温度出现在内部空间的中心处，低至33.4 ℃，完全满足红外相机正常工作的条件。

图9 内部空间温度的ZX截面

5 结论

(1)从红外相机应用场合的需求出发，相比于传统单一方式的冷却装置，本文作者结合隔热材料、水冷、风冷3种方式，设计了一款适用某型号红外相机的三态隔热冷却装置。其中，特殊设计了水通道，与传统S形分布的圆形管道相比，它极大地增强了换热效果，空气通道的设计不但能够起到相应的冷却作用，还能够起到石英玻璃自洁的作用。

(2)通过CFD软件进行验证，在300 ℃的外部环境温度下，以进水口流速为3 m/s、进气口流速为1 m/s以及流体温度20 ℃为条件，详细分析了影响换热效果的各个因素，并通过装置外表面和内部空间的温度分布情况，得出红外相机所在的内部空间温度最高点为48.8 ℃、最低点为33.4 ℃，在红外相机正常工作的温度条件内。

(3)在实际应用中，如果隔热冷却装置外部环境低于300 ℃，可适当降低进水口流速和进气口流速，以间接调节三态隔热冷却装置的隔热冷却效果，在保证红外相机正常的工作环境温度前提下，节约水电资源。