利用芯片廢熱加熱鏡頭玻璃除霧的技術(shù)研究

肖偉，侍書(shū)成，張?jiān)?，章鋼，袁瑞明，賴學(xué)華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 310012）

引言

安裝在室外環(huán)境下的攝像機(jī)，攝像機(jī)的鏡頭區(qū)域內(nèi)外呈現(xiàn)很小的溫度梯度。外部環(huán)境溫度下降時(shí)，攝像機(jī)內(nèi)的溫度隨之下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)機(jī)內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度時(shí)，空氣中的水汽容易在玻璃上進(jìn)行凝結(jié)，形成霧，造成影像模糊。目前常用的解決方案：①增加干燥劑[2]吸附攝像機(jī)里的水分，缺點(diǎn)是時(shí)間長(zhǎng)干燥劑容易失效，同時(shí)也沒(méi)辦法完全吸收水汽；而在振動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生粉末小顆粒，污染鏡頭；②在玻璃上進(jìn)行噴涂防止凝結(jié)涂層[3]，缺點(diǎn)是不耐有機(jī)溶劑，時(shí)間長(zhǎng)容易失效；③在設(shè)備安裝時(shí)充氮?dú)?，排空設(shè)備里的水蒸氣，缺點(diǎn)是需在特定的環(huán)境下裝配，對(duì)設(shè)備的密封要求高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高；④ITO加熱玻璃，通過(guò)對(duì)玻璃進(jìn)行加熱，達(dá)到去除霧氣的目的，缺點(diǎn)是需要提供額外的能量[4]；⑤玻璃吹風(fēng)[5]，通過(guò)風(fēng)扇對(duì)玻璃吹風(fēng)，達(dá)到去除霧氣目的，缺點(diǎn)是風(fēng)扇壽命和需提供額外的能量；⑥雨刷，通過(guò)在玻璃上安裝雨刷，起霧時(shí)啟動(dòng)雨刷進(jìn)行除霧，缺點(diǎn)是可靠性不高，額外增加能量，對(duì)設(shè)備的尺寸有一定的要求。本文創(chuàng)新性地研究對(duì)芯片產(chǎn)生的廢熱進(jìn)行有效利用。通過(guò)柔性熱管，使芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至鏡頭玻璃處并對(duì)其加熱，到達(dá)除霧的目的。同時(shí)也可以為節(jié)能減排，綠色產(chǎn)業(yè)提供一點(diǎn)參考。

1 除霧理論分析

1.1 起霧機(jī)理

設(shè)備裝配是在恒定的環(huán)境溫度和濕度條件下進(jìn)行的，當(dāng)裝配完畢，設(shè)備內(nèi)腔的環(huán)境基本比較穩(wěn)定，內(nèi)腔空氣中的含水量，凝結(jié)核的含量基本穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)沒(méi)有急劇的溫度變化時(shí)，內(nèi)腔空氣中的水蒸氣達(dá)不到飽和狀態(tài)，不會(huì)有霧氣產(chǎn)生，而該設(shè)備處于室外時(shí)，外界的環(huán)境溫度急劇下降，設(shè)備內(nèi)和設(shè)備外產(chǎn)生溫度差，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)熱量流失到外部，當(dāng)熱量交換處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，此時(shí)內(nèi)外溫度相對(duì)穩(wěn)定，處于這個(gè)溫度下的內(nèi)腔空氣假若處于過(guò)飽和狀態(tài)，空氣中的水蒸氣就會(huì)在凝結(jié)核的作用下進(jìn)行凝結(jié)。參考圖1說(shuō)明攝像機(jī)內(nèi)起霧的全過(guò)程。黑色框代表攝像機(jī)壁面，綠色框代表靠近壁面的微薄空氣層，黃色為鏡頭玻璃，內(nèi)腔溫度T1；外界環(huán)境溫度T0；空氣薄層溫度T2。腔內(nèi)空氣溫度處于T1時(shí)，空氣水蒸氣未飽和，不會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)現(xiàn)象。當(dāng)外界環(huán)境溫度為T(mén)0時(shí)，假設(shè)總熱量均勻的從四周傳導(dǎo)到外部環(huán)境，分析兩種狀況；

圖1 攝像機(jī)內(nèi)起霧機(jī)理示意圖

狀況一：當(dāng)T0＜T1時(shí)，熱量Q將從腔體內(nèi)部向外界環(huán)境進(jìn)行傳導(dǎo)，在傳導(dǎo)過(guò)程中，由于壁面，空氣，鏡頭玻璃的熱阻存在。在壁面處的熱量傳導(dǎo)方程：

在鏡頭玻璃處的熱量傳導(dǎo)方程：

比較上述兩個(gè)方程，不同點(diǎn)是熱阻R鏡頭玻璃和R壁面，這里分兩種情況，當(dāng)R鏡頭玻璃＜R壁面，很容易求出T3小于T2，假設(shè)T2處的空氣薄層剛剛處于飽和蒸氣的露點(diǎn)溫度，則鏡頭處的玻璃開(kāi)始起霧；當(dāng)R鏡頭玻璃＞R壁面，很容易求出T3＞于T2，假如T2處的空氣薄層剛剛處于飽和蒸氣的露點(diǎn)，則鏡頭處的玻璃不會(huì)起霧。由于T1大于T2；同時(shí)T1大于T3，所以不靠近壁面的空氣不會(huì)產(chǎn)生起霧現(xiàn)象。

狀況二：當(dāng)T0＞T1時(shí)，熱量Q將從腔體外部向內(nèi)部進(jìn)行傳導(dǎo)，在傳導(dǎo)過(guò)程中，由于壁面，空氣，鏡頭玻璃的熱阻存在。根據(jù)上述分析，很容易獲取在鏡頭外側(cè)的微薄空氣層的溫度T3外側(cè)和壁面微薄空氣層T2外側(cè)的關(guān)系。想要在鏡頭玻璃處不起霧，需要確保此處的微薄空氣層溫度處于未飽和蒸氣狀態(tài)即可。此種狀況不在本文研究范圍內(nèi)。

1.2 解決思路

從上面分析了起霧機(jī)理得知，只要把靠近鏡頭玻璃的空氣薄層的溫度保持在未飽和蒸氣狀態(tài)即可，通過(guò)上面方程可知，有兩種方式，第一種增加傳輸熱量Q鏡頭玻璃；第二種是增加熱阻R鏡頭玻璃，第二種不在本文研究范圍內(nèi)，重點(diǎn)研究第一種情況。設(shè)備的發(fā)熱功率是恒定了，但是設(shè)備的散熱途徑是不同的，導(dǎo)致熱量的在各個(gè)方向的傳輸有很大差異。該設(shè)備的的主要發(fā)熱部件為相關(guān)芯片，目前通過(guò)冷板把熱量傳導(dǎo)到外界環(huán)境中，降低芯片溫度保持設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，此部分的芯片發(fā)出的熱量沒(méi)有利用價(jià)值。

現(xiàn)在需要考慮將此處的熱量利用起來(lái)，給鏡頭玻璃處加熱，增加Q鏡頭玻璃，既要維持鏡頭玻璃處于不飽和空氣溫度，又要保持芯片處于安全許可溫度。圖2芯片兩種熱量流動(dòng)示意圖。

圖2 攝像機(jī)內(nèi)芯片2種熱量流動(dòng)示意圖

1.3 鏡頭玻璃溫度設(shè)定

鏡頭玻璃溫度的邊界條件設(shè)定原則：先假設(shè)鏡頭玻璃空氣薄層溫度和鏡頭玻璃溫度大約相等。

1）處于鏡頭玻璃處的空氣薄層溫度T3始終處于未飽和狀態(tài)。設(shè)備的裝配環(huán)境一般為溫度25 ℃，相對(duì)濕度70 %HR。設(shè)備使用的外界環(huán)境為（-40～60）℃。理論上上只要T3＞25 ℃即可。表1為不同溫度下飽和空氣含濕量。

表1 飽和空氣物理性質(zhì)

考慮相同體積空氣下25 ℃飽和空氣濕量20.356 g/kg，相對(duì)濕度為70 %，濕度波動(dòng)范圍按±10 %，計(jì)算出空氣含水量為（12.82～15.67）g，對(duì)應(yīng)的溫度范圍（18～21）℃，T3近似取值為21 ℃。

2）鏡頭玻璃的溫度T3下流出的熱量小于芯片產(chǎn)生的熱量。假設(shè)玻璃鏡片的面積為S，攝像機(jī)與外界環(huán)境換熱以強(qiáng)迫對(duì)流的方式進(jìn)行。

把式（4）、（5）代入式（3）得：

本文攝像機(jī)鏡頭玻璃厚度t為0.001 5 m；鏡頭玻璃面積S為0.000 390 m2；玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)為1.03 W/m*K；對(duì)流換熱系數(shù)h取值30 W/m2*K；外界環(huán)境溫度T0為-40 ℃，T3為21 ℃，把數(shù)值代入上式解得Q需求鏡頭玻璃=0.525 W，本文所用的芯片為Hi3516EV300查資料可知，此芯片的發(fā)熱功耗QTDP為1.5 W，熱阻Rjc為12.3 ℃/W，熱阻Rjb為20.3 ℃/W，柔性熱管熱阻R柔性熱管為0.01 ℃/W，通過(guò)芯片頂部傳導(dǎo)的熱量Qc為：

由于熱管的熱阻R柔性熱管小于一般散熱器熱阻R散熱器2個(gè)數(shù)量級(jí)，熱量基本上都是從熱管流走，Q鏡頭約等于Qc滿足Q需求鏡頭玻璃0.525 W＜Q鏡頭0.934 W。圖3為芯片熱阻網(wǎng)絡(luò)圖。從圖中很容易看出熱流走向。

圖3 芯片熱阻網(wǎng)絡(luò)圖

上述描述是單個(gè)芯片提供功耗給鏡頭玻璃，當(dāng)單個(gè)芯片功耗不足以維持鏡頭玻璃溫度時(shí)，可以多芯片提供功耗。

由于設(shè)備工作的范圍在（-40～60）℃，要保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)備里的零件溫度不能超過(guò)許用極限溫度，表2為小型攝像機(jī)關(guān)鍵零件許用溫度。

表2 零件許用溫度值

2 方案分析

從上節(jié)理論分析得出芯片加熱玻璃可行，本節(jié)討論具體的設(shè)計(jì)方案。

2.1 小型攝像機(jī)布局方案

原始攝像機(jī)采取雙攝像頭的布局方案比較復(fù)雜，在本文的模型分析中，我們需要去除其他部件對(duì)芯片加熱玻璃的影響，需要對(duì)模型進(jìn)行等效的簡(jiǎn)化，僅僅保留外殼，PCB，芯片，熱管，鏡頭玻璃，玻璃金屬環(huán)。此方案的關(guān)鍵點(diǎn)為鏡頭玻璃由金屬環(huán)沿著玻璃四周包裹，用高導(dǎo)熱膠進(jìn)行粘貼固定。金屬圓環(huán)和柔性熱管焊接，用于把芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到鏡頭玻璃處。圖4設(shè)備簡(jiǎn)化前后和鏡頭玻璃和柔性熱管導(dǎo)熱模組的安裝示意圖。

圖4 設(shè)備簡(jiǎn)化前后和鏡頭玻璃和柔性熱管導(dǎo)熱模組的安裝示意圖

3 熱分析

3.1 模型設(shè)置

1）邊界條件

通過(guò)FloTHERM熱仿真軟件對(duì)上述攝影機(jī)利用自身廢熱除霧技術(shù)進(jìn)行模型搭建及分析，攝像機(jī)與外界環(huán)境換熱以對(duì)流的方式進(jìn)行，對(duì)于對(duì)流情況，考慮熱空氣向上流動(dòng)，求解域在重力的反方向上需比系統(tǒng)尺寸的放大兩倍，其余方向的尺寸則同系統(tǒng)的大小相等即可，具體邊界條件設(shè)置，求解類(lèi)型為對(duì)流熱傳導(dǎo)；輻射設(shè)置成打開(kāi)狀態(tài)；焦耳熱關(guān)掉；重力方向?yàn)?Y；湍流類(lèi)型；壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，后續(xù)仿真將環(huán)境溫度分別設(shè)置為-40 ℃、20 ℃以及60 ℃。

2）仿真建模

通過(guò)外部建模軟件對(duì)攝像機(jī)建模再導(dǎo)入熱仿真軟件，忽略對(duì)仿真結(jié)果沒(méi)有明顯影響的結(jié)構(gòu)部分。

3）物理屬性

對(duì)設(shè)備的部件進(jìn)行設(shè)當(dāng)?shù)奈锢韺傩缘馁x予是熱仿真的一個(gè)重要步驟。如表3。

表3 設(shè)備部件的物性參數(shù)

4）網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用智能劃分與局部網(wǎng)格相結(jié)合方式，對(duì)發(fā)熱芯片等熱源集中的導(dǎo)熱面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化及局域化處理，整機(jī)網(wǎng)格數(shù)量及網(wǎng)格劃分情況如圖10所示，網(wǎng)格長(zhǎng)寬比最大為16.75，按照網(wǎng)格劃分原則，網(wǎng)格長(zhǎng)寬比大于200，會(huì)有收斂問(wèn)題。小于20，基本滿足網(wǎng)格劃分需求，最優(yōu)為1。

5）結(jié)果分析

殘差收斂曲線和溫度曲線來(lái)看，溫度取向平穩(wěn)，殘差收斂至1，后續(xù)的分析結(jié)果在理論上是可靠的。鏡頭玻璃的監(jiān)控點(diǎn)為中間點(diǎn)，由于鏡頭玻璃存在溫度梯度，整個(gè)表面溫度分布是不均的，圖5為殘差曲線和鏡頭玻璃溫度分布。本文只分析鏡頭玻璃的平均溫度。

從表4中可以看出，總功耗為1.5 W，從芯片節(jié)點(diǎn)到芯片頂部流出的熱流量為1.003 2 W，占總功耗66.88 %，從芯片節(jié)點(diǎn)到芯片低部流出的熱流量為0.496 81 W，占33.12 %。芯片的節(jié)溫為19.364 ℃，處于芯片的許用范圍內(nèi)。

表4 芯片溫度和功耗數(shù)據(jù)

表3芯片熱阻設(shè)置中為Rjb為20.3 K/W，占總熱阻的62.26 %，Rjc為12.3 K/W，占總熱阻的37.73 %。熱量從芯片節(jié)點(diǎn)流到頂部理論和實(shí)際相差4.62 %，此差距的來(lái)源為芯片底部到環(huán)境和芯片頂部到環(huán)境的熱流路徑不同導(dǎo)致。上表4中鏡頭玻璃獲得的熱流量0.442 89 W，參考上面的芯片從頂部流出的熱流量1.003 2 W相比，其中0.560 31 W在傳熱路徑中損失掉了。仿真的玻璃溫度5.36小于參考計(jì)算出玻璃露點(diǎn)溫度為21 ℃，此處玻璃起霧。

3.2 不同工況下熱模擬分析

主要分析不同芯片個(gè)數(shù)以及單芯片的熱阻對(duì)結(jié)果的影響。具體位置如圖6所示

圖6 芯片熱管玻璃結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

1）單芯片1.5 W；Jc：12.3 ℃/W；Jb：20.3 ℃/W熱阻條件下，H-K9L玻璃，芯片溫度仿真結(jié)果具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 元器件溫度數(shù)據(jù)

從圖7可以看出，在環(huán)境溫度（-20～60）℃時(shí)，芯片溫度在（40.2～122）℃，在許用范圍內(nèi)；玻璃溫度為（25.9～106）℃，大于設(shè)備內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度21 ℃，不會(huì)起霧。

圖7 元器件溫度趨勢(shì)圖

2）單芯片1.5 W在不同熱阻條件下，H-K9L玻璃，芯片溫度仿真結(jié)果具體數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 元器件溫度數(shù)據(jù) 環(huán)境溫度：-40 ℃

從圖8中可以看出，在環(huán)境溫度-40 ℃時(shí)，隨著芯片Rjc：Rjb逐漸變小，芯片溫度逐漸下降。玻璃溫度逐漸升高（5.6～10.16）℃，趨勢(shì)趨穩(wěn)，玻璃溫度小于設(shè)備內(nèi)的空氣露點(diǎn)溫度21 ℃，有起霧現(xiàn)象。對(duì)比第一種工況，起霧時(shí)的環(huán)境溫度呈下降趨勢(shì)。

圖8 元器件溫度趨勢(shì)圖

3）兩個(gè)芯片每個(gè)功耗設(shè)置0.75 W，總功耗為1.5 W，熱阻不變的條件下，H-K9L玻璃，芯片溫度仿真結(jié)果如表7。

表7 元器件溫度數(shù)據(jù)

表8 元器件溫度數(shù)據(jù)

從圖9可以看出，在環(huán)境溫度（-20～60）℃時(shí)，兩個(gè)芯片進(jìn)行加熱鏡頭玻璃時(shí)，芯片溫度為（14.1～114）℃，在許用范圍內(nèi)；玻璃溫度為（25.9～106）℃，大于設(shè)備內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度21 ℃不會(huì)起霧，對(duì)比工況1，芯片溫度下降了8.2 ℃。玻璃的溫度提高了1.3 ℃左右。

圖9 元器件溫度趨勢(shì)圖

3）三個(gè)芯片每個(gè)功耗設(shè)置0.5 W，總功耗為1.5 W，熱阻不變的條件下，H-K9L玻璃，芯片溫度仿真結(jié)果如圖8。

從圖10可以看出，在環(huán)境溫度（-20～60）℃時(shí)，兩個(gè)芯片進(jìn)行加熱鏡頭玻璃時(shí)，芯片溫度為（31.1～111.3）℃，在許用范圍內(nèi)；玻璃溫度為（26.2～106.2）℃，大于設(shè)備內(nèi)空氣的露點(diǎn)溫度21 ℃，不會(huì)起霧，對(duì)比工況1，芯片溫度下降了11.2 ℃。玻璃的溫度提高了0.4 ℃左右。

圖10 元器件溫度趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

1）需設(shè)計(jì)出合理熱流量來(lái)維持低溫時(shí)的鏡頭玻璃溫度，同時(shí)要防止高溫時(shí)出現(xiàn)芯片溫度超過(guò)許用溫度，需合理分配芯片的熱流方向。

2）當(dāng)芯片節(jié)溫相同，多芯片支持的發(fā)熱總功耗大于單芯片發(fā)熱總功耗，進(jìn)而用來(lái)提高加熱玻璃薄層內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度來(lái)適應(yīng)更低的環(huán)境溫度。

3）芯片的內(nèi)部熱阻RJc，RJb的比值對(duì)加熱玻璃影響較大。二者比值越大，當(dāng)芯片發(fā)熱功率一定時(shí)，可獲得較高玻璃溫度，較低的芯片節(jié)溫。當(dāng)比值超過(guò)20倍時(shí)，二者溫度變化趨于平穩(wěn)。

5 展望

1）本文只考慮一種H-K9L玻璃加熱除霧，在實(shí)際當(dāng)中可能還有其他型號(hào)玻璃，由于各種玻璃的熱膨脹系數(shù)不同，需要繼續(xù)研究不同熱膨脹系數(shù)玻璃加熱除霧的特性。

2）本文只考慮了芯片加熱鏡頭玻璃，后續(xù)要研究設(shè)備里的其他元器件產(chǎn)生熱量對(duì)鏡頭玻璃內(nèi)表面溫度影響。