摘 要:本文針對VR眼鏡在高負載使用情況下出現(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)計方案。該方案利用緊固組件、便捷防護組件、插接固定組件和冷卻組件4個模塊化結(jié)構(gòu)進行組合,使VR眼鏡具備高效散熱與防塵功能。風(fēng)道設(shè)計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" " " " " " " 文獻標(biāo)志碼:A
隨著虛擬現(xiàn)實技術(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,并且空間和能耗會限制其應(yīng)用效果。基于此,本文提出了一種模塊化的高性能VR眼鏡散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計,該設(shè)計融合了緊固、便捷防護、插接固定和冷卻4個模塊,通過創(chuàng)新的散熱機制提升散熱效率,并方便用戶進行灰塵清理和日常維護。該設(shè)計有效解決了VR眼鏡的散熱難題,提升了用戶體驗,為VR眼鏡的進一步普及和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了支撐。
1 設(shè)計思路與目標(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,優(yōu)化散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,以提升設(shè)備的散熱效率和可靠性。本文設(shè)計將緊固組件、便捷防護組件、插接固定組件和冷卻4個模塊化結(jié)構(gòu)進行組合,能夠高效散熱,使設(shè)備具有便捷、輕量化和用戶體驗舒適的優(yōu)點。緊固組件的設(shè)計重點是設(shè)備穩(wěn)定安裝與輕量化。便捷防護組件集防塵、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,進一步提升了散熱系統(tǒng)的靈活性。本文設(shè)計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)具體情況快速進行維護。本文設(shè)計優(yōu)化了維護流程,延長了設(shè)備的使用壽命[1]。
1.2 設(shè)計目標(biāo)
本文設(shè)計的核心目標(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
2.1 緊固組件的設(shè)計與作用
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,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,方便對散熱模塊進行維護和清理。
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 便捷防護組件的防塵與散熱功能
便捷防護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)計使用戶能夠方便、快捷地拆卸防護組件,定期進行清潔和維護,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)計的創(chuàng)新之處。插接固定組件將推動塊、滑塊以及磁吸塊進行組合設(shè)計[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,進行靈活、高效的散熱操作。這個模塊化的設(shè)計不僅提高了散熱靈活性,還為用戶提供了便捷的使用體驗。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)計的優(yōu)勢。
2.4 散熱模組的設(shè)計與應(yīng)用
2.4.1 散熱風(fēng)扇與風(fēng)道設(shè)計
散熱風(fēng)扇采用靜音設(shè)計,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,用戶沉浸式體驗不受干擾。為了進一步提升風(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行了模擬,加強設(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)部多點位集成溫度傳感器,實時監(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)整散熱模組運行功率。用戶可以使用設(shè)備的顯示屏實時查看溫度信息,并根據(jù)需要進行手動調(diào)節(jié)。例如,在高負荷的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。無論是長時間高負載的游戲場景,還是低負載的輕度使用場景,設(shè)備的散熱系統(tǒng)都能夠高效運行,保證VR眼鏡高效、穩(wěn)定運行,延長了設(shè)備的使用壽命,提升了用戶的佩戴體驗。
3 設(shè)計分析與改進
3.1 設(shè)計方案的優(yōu)缺點分析
本文設(shè)計的主要優(yōu)點是提升散熱效率,并且設(shè)計靈活,高度模塊化,便于根據(jù)不同需求進行調(diào)整。緊固組件、便捷防護組件、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、高負載運行的過程中可以滿足散熱需求。冷卻組件設(shè)計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。便捷防護組件設(shè)計了防塵功能與卡接結(jié)構(gòu),提升了日常清理和維護的便利性,降低了灰塵對散熱效果的影響。
本文設(shè)計也存在一些問題。設(shè)計在一定程度上依賴外部冷卻設(shè)備(例如冷凍金屬塊)進行預(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)計提升了用戶的使用體驗,但是風(fēng)扇長時間運行后可能仍然存在噪聲,需要在后續(xù)設(shè)計中進一步提高風(fēng)扇的降噪能力。
3.2 改進方向
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),進一步對比其導(dǎo)熱性能,熱流密度計算過程如公式(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)進行對比。試驗設(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),得到模擬試驗結(jié)果,見表2。
試驗結(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。
為了驗證PID控制在溫控系統(tǒng)中的有效性,本文采用對比試驗方法,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。在試驗中,PID控制系統(tǒng)實時監(jiān)測溫度誤差,并計算調(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,在高負載環(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 其他可改進方向
為進一步提升用戶體驗,在噪聲控制方面,本文優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計和風(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,進而優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計,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、無規(guī)則運動的能量,k值越低,湍流的強度越低,氣流的平穩(wěn)性提升,氣流阻力進一步降低;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、視頻和運動應(yīng)用等場景)的定制化散熱方案,進一步提升設(shè)備的可操作性和用戶體驗。
4 結(jié)論
本文提出了一種基于模塊化設(shè)計的高性能VR眼鏡散熱結(jié)構(gòu),將緊固組件、便捷防護組件、插接固定組件和冷卻組件進行創(chuàng)新組合,有效提升了設(shè)備的散熱效率、用戶體驗和便攜性,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)計將結(jié)合智能溫控技術(shù)和新型導(dǎo)熱材料,進一步提升散熱效率和用戶體驗,為推動虛擬現(xiàn)實技術(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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