一種高性能VR眼鏡散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

摘 要：本文針對VR眼鏡在高負(fù)載使用情況下出現(xiàn)的散熱和灰塵積累問題，提出了一種高性能散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該方案利用緊固組件、便捷防護(hù)組件、插接固定組件和冷卻組件4個模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，使VR眼鏡具備高效散熱與防塵功能。風(fēng)道設(shè)計(jì)采用冷凍金屬塊散熱技術(shù)，并將風(fēng)扇與銅管相結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化，能夠在高溫環(huán)境中將設(shè)備溫度控制在安全范圍內(nèi)，同時有效降低噪聲。該設(shè)計(jì)延長了設(shè)備的使用壽命，提升了用戶佩戴的舒適度與維護(hù)的便捷性，為VR設(shè)備的輕量化和高效散熱提供了新的解決方案，對推動VR設(shè)備的普及和用戶體驗(yàn)的提升具有重要意義。

關(guān)鍵詞：VR眼鏡；散熱結(jié)構(gòu)；散熱效率

中圖分類號：TS 959" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，VR眼鏡在游戲、教育和醫(yī)療等領(lǐng)域的需求迅速增加。但是，設(shè)備輕量化和高性能的要求導(dǎo)致散熱問題愈發(fā)凸顯。VR眼鏡內(nèi)部集成了處理器和顯示屏等發(fā)熱元件，如果在高負(fù)載條件下使用且熱量未及時散發(fā)，就可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降、壽命縮短，甚至引發(fā)用戶身體不適和安全隱患。此外，其封閉結(jié)構(gòu)和靜電效應(yīng)易使灰塵堆積，進(jìn)一步降低散熱效率，提高清理難度。為應(yīng)對這些難題，須尋求更高效的散熱結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的散熱方式（例如以散熱片和導(dǎo)熱材料為代表的被動散熱模式），雖有一定成效，但是不能滿足輕量化和高性能的雙重需求。主動散熱風(fēng)扇雖能提升散熱效果，但是噪聲和振動會影響用戶體驗(yàn)，并且空間和能耗會限制其應(yīng)用效果?；诖耍疚奶岢隽艘环N模塊化的高性能VR眼鏡散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)融合了緊固、便捷防護(hù)、插接固定和冷卻4個模塊，通過創(chuàng)新的散熱機(jī)制提升散熱效率，并方便用戶進(jìn)行灰塵清理和日常維護(hù)。該設(shè)計(jì)有效解決了VR眼鏡的散熱難題，提升了用戶體驗(yàn)，為VR眼鏡的進(jìn)一步普及和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了支撐。

1 設(shè)計(jì)思路與目標(biāo)

1.1 整體框架

本文分析現(xiàn)有VR眼鏡散熱系統(tǒng)的難點(diǎn)，優(yōu)化散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提升設(shè)備的散熱效率和可靠性。本文設(shè)計(jì)將緊固組件、便捷防護(hù)組件、插接固定組件和冷卻4個模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，能夠高效散熱，使設(shè)備具有便捷、輕量化和用戶體驗(yàn)舒適的優(yōu)點(diǎn)。緊固組件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是設(shè)備穩(wěn)定安裝與輕量化。便捷防護(hù)組件集防塵、防刮、靜音以及散熱功能于一體，保證設(shè)備長時間使用后仍然保持干凈。插接固定組件與冷卻組件結(jié)合，使散熱模塊能夠按需輕松更換，靈活適應(yīng)多元場景，進(jìn)一步提升了散熱系統(tǒng)的靈活性。本文設(shè)計(jì)的核心理念是模塊化組成，結(jié)構(gòu)部件均易拆裝、可替換，用戶可以根據(jù)具體情況快速進(jìn)行維護(hù)。本文設(shè)計(jì)優(yōu)化了維護(hù)流程，延長了設(shè)備的使用壽命[1]。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是提高VR眼鏡的散熱效率、用戶佩戴的舒適度、灰塵阻擋能力以及設(shè)備的便攜性。為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，本文引入了量化指標(biāo)，明確了VR眼鏡設(shè)計(jì)測試的技術(shù)參數(shù)，包括散熱效率、用戶舒適度、灰塵阻擋能力和操作便捷性等。具體指標(biāo)見表1。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 緊固組件的設(shè)計(jì)與作用

緊固組件是整個散熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其不僅具有設(shè)備結(jié)構(gòu)的固定功能，還利用輕量化設(shè)計(jì)減輕了設(shè)備的整體質(zhì)量，提升用戶在佩戴過程中的舒適度。本文設(shè)計(jì)采用緊固連接板和便拆螺釘?shù)慕M合方式，正視結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

本文使用高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料制成緊固連接板，保證了設(shè)備結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐用性[3]。通過便拆螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)，用戶可以在不使用專業(yè)工具的情況下輕松地拆卸設(shè)備，方便對散熱模塊進(jìn)行維護(hù)和清理。

緊固組件起到了支撐的作用，減少了額外的安裝工序，提高了散熱結(jié)構(gòu)的牢固性和設(shè)備的整體質(zhì)量，進(jìn)一步提升了用戶長時間佩戴設(shè)備的舒適度。

2.2 便捷防護(hù)組件的防塵與散熱功能

便捷防護(hù)組件具有防塵和散熱的功能。其局部立體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該組件由連接蓋、防塵板、卡接塊和緊固螺釘孔組成，能夠有效阻擋空氣中的灰塵進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部[4]，散熱效果良好。將防塵板放置在組件的前后端，在散熱風(fēng)扇工作的過程中能夠阻擋大部分灰塵，避免灰塵堆積在電子元件表面，影響散熱效果?？ń訅K的設(shè)計(jì)使用戶能夠方便、快捷地拆卸防護(hù)組件，定期進(jìn)行清潔和維護(hù)，設(shè)備保持良好的散熱性能。

2.3 插接固定組件與冷卻組件的結(jié)合

插接固定組件與冷卻組件結(jié)合是本文設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處。插接固定組件將推動塊、滑塊以及磁吸塊進(jìn)行組合設(shè)計(jì)[2]，使冷卻組件穩(wěn)固插入設(shè)備中，并與設(shè)備內(nèi)部其他元件緊密接觸，保證熱量進(jìn)行高效傳導(dǎo)。

冷卻組件將冷凍金屬塊與吸水棉套相結(jié)合，插接固定組件以及冷卻組件局部立體結(jié)構(gòu)如圖3所示。冷凍金屬塊能夠快速吸收設(shè)備內(nèi)部元件的熱量，并根據(jù)熱量守恒原理將其導(dǎo)出。吸水棉套的作用是吸收在冷卻過程中產(chǎn)生的冷凝水，避免在設(shè)備內(nèi)部形成水滴，保障設(shè)備清潔、安全。

用戶根據(jù)不同的使用需求和環(huán)境溫度將冷卻組件放入設(shè)備中，進(jìn)行靈活、高效的散熱操作。這個模塊化的設(shè)計(jì)不僅提高了散熱靈活性，還為用戶提供了便捷的使用體驗(yàn)。用戶可以根據(jù)不同的使用場景選擇更適合的冷卻模塊來提升散熱效率，無須更換或升級整個散熱系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。

2.4 散熱模組的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.4.1 散熱風(fēng)扇與風(fēng)道設(shè)計(jì)

散熱風(fēng)扇采用靜音設(shè)計(jì)，使風(fēng)扇在高速旋轉(zhuǎn)的過程中能夠保持較低的噪聲水平，用戶沉浸式體驗(yàn)不受干擾。為了進(jìn)一步提升風(fēng)扇的散熱效果，本文在風(fēng)扇與設(shè)備內(nèi)部的空氣流通路徑方面進(jìn)行了模擬，加強(qiáng)設(shè)備內(nèi)部的空氣對流，加速熱量排放。 本文設(shè)風(fēng)扇功率為2 W，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，根據(jù)設(shè)備內(nèi)部空間和風(fēng)量需求，優(yōu)化了風(fēng)道的形狀和尺寸。在風(fēng)道設(shè)計(jì)的過程中，筆者充分考慮了空氣流動的路徑，在風(fēng)道內(nèi)壁部署薄層聚氨酯泡沫，由于泡沫質(zhì)量輕并且吸音特性良好，因此有效抑制了風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的中低頻噪聲，不僅提高了風(fēng)扇的散熱性能和設(shè)備質(zhì)量，而且使空氣流動順暢。

風(fēng)道與風(fēng)扇接觸的位置采用硅膠緩沖裝置，裝置的彈性和減震性能良好，能夠減少風(fēng)扇在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中與設(shè)備接觸產(chǎn)生的共振，吸收振動噪聲，在風(fēng)扇高效工作的情況下，用戶體驗(yàn)安靜、舒適。

2.4.2 散熱銅管與鋁合金散熱鰭片的結(jié)合

為了提升熱能傳導(dǎo)效率，本文設(shè)計(jì)了散熱銅管和鋁合金散熱鰭片組成的芯片區(qū)域散熱模組。散熱銅管是一種高效的導(dǎo)熱元件，其采用液體相變技術(shù)，利用蒸發(fā)和冷凝過程傳遞熱量[5]。銅管中的工作液體在蒸發(fā)端吸收來自發(fā)熱元件（例如GPU和CPU）的熱量，并在冷凝端釋放熱量，快速傳遞熱量。由于銅管可以在設(shè)備內(nèi)部有限的空間內(nèi)高效傳導(dǎo)熱量，因此其是空間緊湊型電子設(shè)備的理想散熱方案。

鋁合金散熱鰭片與散熱銅管緊密結(jié)合，取得了熱傳導(dǎo)和散熱面積的平衡。鋁合金導(dǎo)熱性能良好，并且具有輕量化特性，能夠迅速將熱量從銅管導(dǎo)出并擴(kuò)散至設(shè)備外部。精確設(shè)定散熱鰭片的總面積，使其在有限的設(shè)備空間內(nèi)散熱效率最大，并保持設(shè)備的輕便性。

2.4.3 散熱模組與智能化組件的協(xié)同作用

本文設(shè)計(jì)提升散熱性能的關(guān)鍵是使風(fēng)扇和導(dǎo)熱材料共同發(fā)揮作用。風(fēng)扇加速了內(nèi)部空氣流動，增強(qiáng)了熱量在鰭片表面的對流散熱效果。銅管和鰭片將設(shè)備內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)至外部，風(fēng)扇加速空氣流動，將熱量迅速帶走，形成了高效的散熱回路。

為符合智能化組件的要求，本文利用設(shè)備內(nèi)部多點(diǎn)位集成溫度傳感器，實(shí)時監(jiān)控顯示芯片和處理器的溫度。當(dāng)設(shè)備溫度超過設(shè)定的安全溫度時，智能溫控系統(tǒng)會自動調(diào)整散熱模組運(yùn)行功率。用戶可以使用設(shè)備的顯示屏實(shí)時查看溫度信息，并根據(jù)需要進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。例如，在高負(fù)荷的VR游戲場景中，用戶可以選擇激活冷卻模塊，以保證設(shè)備長時間穩(wěn)定運(yùn)行。

在不同環(huán)境中，散熱模組與智能化組件共同發(fā)揮作用，使VR眼鏡的內(nèi)部溫度平衡。無論是長時間高負(fù)載的游戲場景，還是低負(fù)載的輕度使用場景，設(shè)備的散熱系統(tǒng)都能夠高效運(yùn)行，保證VR眼鏡高效、穩(wěn)定運(yùn)行，延長了設(shè)備的使用壽命，提升了用戶的佩戴體驗(yàn)。

3 設(shè)計(jì)分析與改進(jìn)

3.1 設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析

本文設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是提升散熱效率，并且設(shè)計(jì)靈活，高度模塊化，便于根據(jù)不同需求進(jìn)行調(diào)整。緊固組件、便捷防護(hù)組件、插接固定組件以及冷卻組件協(xié)同工作，散熱結(jié)構(gòu)使設(shè)備輕便，并且在設(shè)備長時間、高負(fù)載運(yùn)行的過程中可以滿足散熱需求。冷卻組件設(shè)計(jì)了冷凍金屬塊與插接結(jié)構(gòu)，使用戶可以根據(jù)不同的使用場景進(jìn)行靈活更換，保證在各種環(huán)境中設(shè)備的散熱效果都保持穩(wěn)定。便捷防護(hù)組件設(shè)計(jì)了防塵功能與卡接結(jié)構(gòu)，提升了日常清理和維護(hù)的便利性，降低了灰塵對散熱效果的影響。

本文設(shè)計(jì)也存在一些問題。設(shè)計(jì)在一定程度上依賴外部冷卻設(shè)備（例如冷凍金屬塊）進(jìn)行預(yù)冷，在沒有制冷設(shè)備的情況下，用戶不能隨時替換冷卻模塊，降低了便攜性，不能及時滿足用戶需求。此外，雖然靜音設(shè)計(jì)提升了用戶的使用體驗(yàn)，但是風(fēng)扇長時間運(yùn)行后可能仍然存在噪聲，需要在后續(xù)設(shè)計(jì)中進(jìn)一步提高風(fēng)扇的降噪能力。

3.2 改進(jìn)方向

3.2.1 納米材料的應(yīng)用

在VR眼鏡的散熱系統(tǒng)中，核心是提高導(dǎo)熱性能以有效降低設(shè)備內(nèi)部溫度。當(dāng)高負(fù)載工作時，傳統(tǒng)材料（例如鋁合金）的導(dǎo)熱效率不能夠滿足VR設(shè)備對散熱的需求。因此，使用納米材料（例如納米石墨烯或納米銅）能夠提升散熱性能。根據(jù)熱流密度對比不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)，進(jìn)一步對比其導(dǎo)熱性能，熱流密度計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：q為熱流密度；k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；ΔT為溫度差；d為材料厚度。

在材料選擇方面，試驗(yàn)選擇不同的導(dǎo)熱材料（例如鋁合金、納米石墨烯復(fù)合材料和納米銅復(fù)合材料）進(jìn)行對比。試驗(yàn)設(shè)定在室溫條件下每種材料厚度d=1 mm，溫度差ΔT=35 K，將材料參數(shù)代入公式（1），得到模擬試驗(yàn)結(jié)果，見表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，納米材料的導(dǎo)熱效率提高了25%～30%，說明在相同工作條件下，使用納米材料能夠更高效地傳導(dǎo)熱量，加速散熱，提升設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。

3.2.2 智能溫控系統(tǒng)PID控制方程

在高負(fù)載條件下，VR設(shè)備的散熱需求會迅速變化，因此溫控系統(tǒng)須具備實(shí)時調(diào)整能力。PID控制方程的作用是根據(jù)溫度誤差動態(tài)調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以精確控制設(shè)備溫度。PID控制過程如公式（2）所示。

（2）

式中：u（t）為控制信號，在該試驗(yàn)中為需要調(diào)整的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；Kp為比例增益，控制系統(tǒng)對溫度誤差的即時響應(yīng)；e（t）為設(shè)定溫度Tset與實(shí)際溫度Tactural之間的誤差；t為時間增量；Ki為積分增益，修正長期存在的累積誤差；Kd為微分增益，控制系統(tǒng)對溫度變化速率的響應(yīng)。

對當(dāng)前系統(tǒng)來說，3種增益參數(shù)的作用不同。當(dāng)設(shè)備溫度與目標(biāo)溫度差異較大時，Kp會迅速增加控制信號，加快風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，降低溫度；當(dāng)溫度誤差持續(xù)存在時，Ki會累積誤差，進(jìn)一步調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，消除穩(wěn)態(tài)偏差，保證溫度最終達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)溫度變化速率較快時，Kd會抑制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的劇烈波動，避免過沖，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

為了驗(yàn)證PID控制在溫控系統(tǒng)中的有效性，本文采用對比試驗(yàn)方法，監(jiān)測并記錄引入PID控制前后設(shè)備的溫控效果和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。在試驗(yàn)中，PID控制系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測溫度誤差，并計(jì)算調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制信號u（t）。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變化與控制信號數(shù)值的大小成正比，當(dāng)溫度誤差較大時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速加快，加速散熱；當(dāng)溫度誤差較小時，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速會逐漸變慢，以保證設(shè)備在理想溫度范圍內(nèi)。引入PID控制前后溫度控制與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對比模擬試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。由圖4可知，PID控制加快了溫控系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了穩(wěn)定性。在試驗(yàn)中，PID控制能夠在5 s內(nèi)將溫度從52 ℃降至48 ℃，并繼續(xù)降至45 ℃，溫度波動為±1 ℃。將引入 PID 前后相比，未引入 PID 控制時溫度上升迅速且波動較大，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)整不夠靈活，能耗和噪聲水平較高。

引入PID控制后，系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)穩(wěn)定溫度，有效調(diào)整了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，降低了過高轉(zhuǎn)速的無效能耗。PID控制加快了響應(yīng)速度，提高了能源使用效率，提升了溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和用戶體驗(yàn)，在高負(fù)載環(huán)境中表現(xiàn)出色，在VR等高性能設(shè)備的溫控系統(tǒng)中效果更好。

3.2.3 其他可改進(jìn)方向

為進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)，在噪聲控制方面，本文優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)和風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，避免空氣流動的湍流和渦流現(xiàn)象，降低風(fēng)扇長時間運(yùn)行后的噪聲。使用流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模型來模擬風(fēng)道內(nèi)的氣流行為，設(shè)計(jì)更有效的散熱結(jié)構(gòu)。采用k-ε湍流模型來分析風(fēng)道內(nèi)的流動特性，預(yù)測流動的動能和耗散率，進(jìn)而優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)，降低湍流和氣流阻力，提高散熱效率，降低噪聲。設(shè)置該模型的參數(shù)變量，k為湍流動能，表示在湍流流動中顆粒的動能是在流體流動中隨機(jī)、無規(guī)則運(yùn)動的能量，k值越低，湍流的強(qiáng)度越低，氣流的平穩(wěn)性提升，氣流阻力進(jìn)一步降低；ε為湍流耗散率，表示湍流能量轉(zhuǎn)化為熱能的速率，反映了湍流的能量損失，ε值越高，流動中的能量損失越大，效率越低。當(dāng)k、ε降低時，流體流動更加順暢，噪聲降低，能量損失減少，氣流效率提升。噪聲越低，散熱性能越高，用戶使用VR設(shè)備的體驗(yàn)感越好。

針對不同用戶的使用需求，本文研究更多針對特定場景（例如游戲、視頻和運(yùn)動應(yīng)用等場景）的定制化散熱方案，進(jìn)一步提升設(shè)備的可操作性和用戶體驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于模塊化設(shè)計(jì)的高性能VR眼鏡散熱結(jié)構(gòu)，將緊固組件、便捷防護(hù)組件、插接固定組件和冷卻組件進(jìn)行創(chuàng)新組合，有效提升了設(shè)備的散熱效率、用戶體驗(yàn)和便攜性，解決了現(xiàn)有VR眼鏡散熱結(jié)構(gòu)存在的散熱效率低、灰塵積聚難以清理以及噪聲大等問題。

未來，本文設(shè)計(jì)將結(jié)合智能溫控技術(shù)和新型導(dǎo)熱材料，進(jìn)一步提升散熱效率和用戶體驗(yàn)，為推動虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用和VR頭顯設(shè)備行業(yè)發(fā)展提供支持。

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