１　引　言

随着红外探测设备的发展以及电子元器件集成 化程度的提高，不仅单位体积的电子元件功率在不 断增加，整体设备内部的热流密度也在上升。为保 障红外探测设备可以稳定运行，需要将设备内部的 各个发热器件控制在合理的温度范围以减少电子元 器件失效等情况的发生。

常用的散热方式主要有自然对流、强迫风冷、强 迫液冷三类。其中自然对流适合的热流密度较 低，散热能力较差，液冷系统复杂、成本较高，往往选 择强迫风冷对设备进行散热。强迫风冷主要可以通 过优化风道结构、更改风机选型和优化散热翅片结构的方式提升散热性能。 本文针对红外热像仪内部热源发热问题，通过 建模仿真的方式对可能存在的散热问题进行研究， 并对设备结构进行优化，尽可能将热源的温度降低 到最佳工作范围内，最终通过样机测试验证仿真结 果的准确性。

２　仿真计算与理论基础

当前常用的热分析软件有Flotm、Algor和Ice-pak等，,其中Icepak使用的Flunt 求解器能更好地作用于结构散热分析，能够从各个层级层面进行散热问题的分析计算。在Icepak与Ansys合并后，通过Workbench平台获得了更便捷的操作性，且大幅度的扩展了其使用范围，故本文使用Icepak软件对红外热像仪进行仿真计算。

２.１　产品结构组成

该热像仪各组件均置于封闭机箱内部，主要由物镜组件、连续变焦组件、反射回扫调焦组件、固定透镜组件、变Ｆ数组件、探测器组件、主壳体及各个电路板组件等零部件组成，如图１、图２所示。

热源包括探测器组件以及多个控制电路板，探测器组件由探测器、探测器底板、探测器驱动板、散热片等零件组成，其中探测器包括膨胀机与压缩机，是设备内部的主要热源之一。红外热像仪有特定的工作温度范围，如果热源温度过高，会产生电子元器件失效、图像失真、分辨率降低等问题，所以需要创建散热组件并对其进行优化，以满足设备的工作温
度需求。

２.２　模型简化与网格划分

为了对红外热像仪进行仿真计算，需要简化设备模型，具体为保留内部热源、散热翅片和风扇等。删除对散热影响较小的非热源部件，并简化密闭机箱壳体形状，不规则的回转体简化为圆柱体，不规则立方体模型简化为规则立方体，简化后模型内部如图３所示。

根据简化模型的最大尺寸设置运算区域，在非重力方向运算区域向外扩大一倍模型尺寸，重力方向运算区域扩大两倍模型尺寸，并将计算区域的外
面设置为开放，设置后如图４所示。

网格划分对仿真结果的准确性有较大的影响，本文使用Mesher HD六面体占优网格结构对模型进行网格划分。每级的网格尺寸为前级的一半，使用不同尺寸的网格进行划分可以在保证网格质量的同时降低网格数量。形状规则的零件使用较低的网格等级，而翅片等形状较为复杂的零件使用较高的网格等级，划分后检查网格是否完整，并根据情况调整划分等级，部分部件最终网格划分情况如图５所示。

２.３　边界条件

运算空间内环境气压设置为标准大气压，环境温度６０℃，并在所有与热源接触的工件表面设置导热垫，参数为５Ｗ／Ｋ－ｍ２。设备内发热功耗主要在膨胀机、压缩机以及各个电路板，各热源功率如表１所示。

根据经验在不同的热源处选择了两种不同规格的风扇，风机曲线如图６、图７所示。

２.４　优化前仿真结果

对优化前的设备散热情况进行仿真，设备内部设置风扇对翅片进行强制散热，设备外部通过自然对流换热的方法对设备进行散热。仿真结果如图８所示，各热源温度如表２所示。

表２　优化前仿真结果

由表２可知，压缩机温度为８９.０５℃，膨胀机温度为１１６.２１℃，要求稳态度不超过环境温度的１５℃，即小于等于７５℃，仿真结果不满足要求。由图６可知，内部空间仅风扇附近存在流动，外部壳体几乎不存在空气流动，从而无法对外部翅片进行散热，导致设备内部温度较高。