Опыт применения программного обеспечения scSTREAM при разработке систем охлаждения лазерных блоков компании WayRay

Одним из основных компонентов голографических навигационных систем, разрабатываемых компанией WayRay, является лазерный блок с системой охлаждения лазеров.

Проектирование системы охлаждения лазеров – это детерминированный процесс, включающий в себя не только подбор термоэлектрических элементов, тепловых трубок и вентиляторов, обеспечивающих стабильную бесперебойную работу лазеров, но и процедуру решения сопряженной задачи вычислительной газодинамики с учетом процессов тепломассопереноса.

Для формирования качественного голографического изображения на лобовом стекле автомобиля (рис. 1) лазерные диоды должны обладать постоянной температурой.

Рис. 1. Голографическое изображение на лобовом стекле автомобиля

Элемент Пельтье функционирует как «тепловой насос» – выделяемая горячей стороной тепловая мощность превышает мощность на холодной стороне элемента Пельтье на величину Джоулева нагрева, возникающего вследствие сопротивления полупроводниковых термоэлектрических пар при протекании по ним постоянного электрического тока. Элементы Пельтье собираются легкоплавким припоем с температурой плавления около 138°С. Поэтому в случае перегрева элемент (а вместе с ним и дорогостоящий лазер) полностью придет в негодность по причине разрушения паяного соединения термоэлектрических пар.

В связи с этим лазерные блоки (рис. 2) должны иметь довольно мощную и сложную систему охлаждения, состоящую из радиаторов, вентиляторов и тепловых трубок и способную эффективно отводить и рассеивать тепло от элементов Пельтье.

Рис. 2. Модель лазерного блока

Подобный анализ позволяет оценить распределение температур по компонентам лазерного блока (рис. 3), поля температур (рис. 4) и скоростей движения (рис. 5) охлаждающего воздуха, а также определить термоэлектрические параметры (температуру горячей и холодной сторон, силу тока, напряжение, выделяемую теплоту) элементов Пельтье (рис. 6) и значение максимально допустимой температуры окружающей среды, при которой обеспечивается стабильная работа элементов Пельтье.

Рис. 3. Поля распределения температур комплектующих лазерного блока

Рис. 4. Поле распределения температур воздуха (продольный разрез)

Рис. 5. Поле распределения скоростей движения воздуха (поперечный разрез)

На рис. 3-6 представлены результаты термогазодинамических расчетов лазерного блока голографической навигационной системы, разработанной компанией WayRay для одного из японских автопроизводителей.

Рис. 6. Термоэлектрические параметры элементов Пельтье

Однако, несмотря на огромное количество сеточных элементов, время расчета в стационарной постановке составило всего 2 часа (для сравнения, длительность аналогичного расчета с неструктурированной сеткой составила 18 часов). При этом погрешность расчетов в сравнении с результатами экспериментов составила менее 3%.

По результатам расчетов была оценена теплонагруженность и эффективность системы охлаждения, определена оптимальная с точки зрения распределения температур и воздушных потоков компоновка вентиляторов, элементов Пельтье и радиаторов, были устранены застойные зоны и локальные термические очаги. Максимальная температура окружающей среды, при которой обеспечивается стабильная работа элементов Пельтье, составила 49.5°С. Температура лазерных диодов 25.2°С, температура горячей стороны элемента Пельтье 61.5°С при тепловыделении на горячей стороне 8.5 Вт. Максимальная скорость движения охлаждающего воздуха составила 7.4 м/с при частоте вращения вентиляторов 6100 об/мин.

Поля распределения температур в дальнейшем возможно экспортировать в системы прочностного анализа для определения термических напряжений и теплового расширения компонентов лазерных блоков.

В перспективе инженеры R&D центра компании WayRay планируют проводить также тепловые расчеты оптических систем, так как функционал scSTREAM позволяет учитывать отражение и преломление лучей линзами при передаче тепла излучением.

О компании MSC Software

MSC Software – одна из десяти первых компаний-разработчиков программного обеспечения и мировой лидер в области виртуального моделирования, инженерных расчётов и услуг, значительно расширяющих возможности стандартных промышленных методов и подходов. В качестве надежного партнера MSC Software помогает компаниям улучшать качество, экономить время и средства, связанные с проектированием и испытанием выпускаемой продукции. Высшие учебные заведения, научные сотрудники и студенты используют технологии MSC Software для углубления индивидуальных навыков, а также расширения кругозора в области компьютерного моделирования. В компании MSC Software работает более 1 300 специалистов в 20 странах мира. Узнать больше о продуктах и услугах MSC Software можно на сайте www.mscsoftware.ru.

MSC Software – часть компании Hexagon (Nasdaq Stockholm: HEXA B; hexagon.com), ведущего мирового поставщика решений в области информационных технологий, позволяющих повышать качество изделий и производительность предприятий в различных отраслях по всему миру.