半導體自循環(huán)水冷系統在慣導設備上的應用

第22卷第1期中國慣性技術(shù)學(xué)報Vol.22 No.12014年2月.Jourmal of Chinese Inertial TechnologyFeb. 2014文章編號: 1005-6734(2014)01-0014-04doi: 10.13695/j.cnki.12- 122/03.2014.01.004半導體自循環(huán)水冷系統在慣導設備.上的應用楊盛林，馬林，張宇飛，吳春蕾，徐凱(天津航海儀器研究所，天津300131)摘要:隨著(zhù)用戶(hù)對慣導設備溫度環(huán)境適應范圍的要求越來(lái)越高，對慣導設備溫控技術(shù)水平也提出了更高要求。通過(guò)分析明確半導體自循環(huán)水冷系統是提升慣導設備溫度環(huán)境適應能力的強有力手段之- -.結合半導體制冷技術(shù)、水循環(huán)冷卻技術(shù)以及有限元溫度場(chǎng)仿真技術(shù)，給出了慣導設備半導體自循環(huán)水冷系統的結構方案形式和溫度控制方案措施。結合實(shí)際慣導設備進(jìn)行分析計算，驗證了半導體自循環(huán)水冷系統在55C的高環(huán)境溫度下能對慣導設備內部核心部位的溫度起到10C以上的降溫作用。關(guān)鍵詞:半導體制冷;水冷;慣導;溫度場(chǎng)中圖分類(lèi)號: U666.1文獻標志碼: AApplication of semiconductor self-circulation water coolingsystem in inertial navigation equipmentYANG Sheng-lin, MA Lin, ZHANG Yu-fei, WU Chun-lei, XU Kai(Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300131, China)Abstract: By the analysis of environmental adaptation extension of today's inertial navigation equipment, itis clear that the semiconductor self-circulation water cooling system is one of the most powerful means toimprove the ability of inertial navigation equipment's adapting to environment. Combined withsemiconductor technology and finite element simulation technology of temperature field, the structurescheme and temperature control program measures of inertial navigation equipment semiconductorself- circulation water cooling system are given. Combining with the analysis and calculation of the actualsystem, it is verified that the semiconductor self-circulation water cooling system can cool the equipmentinside core by >10C in high ambient temperature of55"C.Key words: semiconductor rfrigeration; water cooling; inertial navigation; temperature field慣導設備的輸出精度在很大程度上受制于溫度的狀態(tài)，這種狀態(tài)對慣性元件和電子器件的壽命和可靠影響。溫度影響因素包括:-是設備內部自身在溫度性帶來(lái)了極其有害的影響。慣性元件的工作溫度都有場(chǎng)穩定后的溫度分布要求均勻，無(wú)大的溫度梯度;二一個(gè)最大值，當應用環(huán)境的最高溫度值繼續升高，使是設備所處大環(huán)境溫度的巨大變化對設備內部溫度梯慣性元件周?chē)臏囟却笥谝蠊ぷ鳒囟壬舷迺r(shí)，器件度的影響，尤其是對溫度梯度變化率的影響。超溫而使設備處于不可控狀態(tài)。傳統風(fēng)冷設備都會(huì )對應用環(huán)境的溫度提出很高的慣導設備要求的溫度環(huán)境日益嚴酷，為了保證設要求，即要求提供一個(gè)變化帶寬很窄的環(huán)境溫度并且備的輸出精度，均勻的溫度場(chǎng)分布以及在全溫范圍內將控制溫度點(diǎn)設在一個(gè)高點(diǎn)，以便達到控溫的目的。良好的溫度梯度變化率是設備熱設計的關(guān)鍵所在。那風(fēng)冷溫控的弊端就是控制溫度點(diǎn)的設定只能以最高的么，要在高環(huán)境溫度下還能為設備提供-一個(gè) 良好的溫環(huán)境溫度來(lái)定，這會(huì )導致設備啟動(dòng)時(shí)要求有一-段不可度環(huán)境，半導體自循環(huán)水冷系統的使用和推廣在當今忽視的加溫時(shí)間;而且慣性元件工作時(shí)-直處于高溫慣導設備的研制中就顯得尤為重要。收稿日期: 2013-08-31; 修回日期: 2013-11-18基金項目:國防預研項目(51309030101)作者簡(jiǎn)介:楊盛林(1978-)，男，高級工程師，研究方向為導航、制導與控制。E-mail: holyghost707@163.com第1期楊盛林等:半導體自循環(huán)水冷系統在慣導設備上的應用5本文從有限元仿真分析入手，結合半導體技術(shù)、熱的大小由通過(guò)的電流決定。放熱和吸熱的差值為半水循環(huán)冷卻技術(shù)，對特定的慣性平臺進(jìn)行仿真分析設導體制冷片的輸入功率。半導體制冷片冷端最大吸熱計:提出水冷系統設計過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)而提出對慣量即為其最大制冷功率，它是設計時(shí)需要重點(diǎn)考慮的導設備進(jìn)行半導體自循環(huán)水冷系統設計的要求，力求一個(gè)參量。對慣導系統的熱設計與研制起到指導性的作用。在系統熱設計時(shí)，首先確認設備內部各處的熱載荷Q,所處環(huán)境的最高溫度T。以及內腔需要控制的溫1半導體自 循環(huán)水冷系統應用推廣的優(yōu)勢度Tc;然后初步估計半導體制冷片熱端的溫度Tn。如前所述，風(fēng)冷系統無(wú)法使具有內熱源的設備的根據Tc和T,值，結合半導體特性曲線(xiàn)，即可查出所選內部溫度與環(huán)境溫度相等或更低，如果不實(shí)行分段溫擇的特定半導體制冷片的工作電流Ic和制冷功率lc?？?，考慮溫度梯度的存在，設備內部的控制溫度必定3.2風(fēng)路的設計要高于最高的環(huán)境溫度值。當今軍民用設備最高環(huán)境風(fēng)路的設計是整個(gè)設備熱設計的關(guān)鍵，它是設備溫度值提到55"C或者更高已是其最基本的要求。相對內部的換熱通道。風(fēng)路設計要求風(fēng)道形狀簡(jiǎn)單，盡量以往常用的船用慣導設備，55C的環(huán)境溫度保守估計不要有突變截面，最為關(guān)鍵的是風(fēng)路要短。以便減小已能輕易使設備內腔溫度達到65'C或更高,慣性元件突變壓力損失和沿程壓力損失，獲得最大通風(fēng)量。的溫度更高，設備無(wú)法使用。對于對溫度和溫度梯度較為敏感的光學(xué)陀螺來(lái)除水泵外，半導體自循環(huán)水冷系統盡量將冷板、說(shuō)，為了提高其應用范圍，要求設備平臺:一是具備半導體制冷片和冷端散熱器集中放置在設備內部，并更加適宜的溫度值，即盡可能低的內腔溫度(比如置于設備頂部以便利用冷熱空氣的自然對流加強空氣35C~45C);二是穩態(tài)的溫度場(chǎng)各點(diǎn)溫度值盡量均的流通和熱量的交換。勻;三是在環(huán)境溫度變化時(shí)內腔具備平緩的溫度梯度3.3設備隔熱處理變化率。理想的換熱模式是除半導體制冷片處，其余的地針對上述要求可以看出半導體自循環(huán)水冷系統具方都不參與熱量的交換。但在實(shí)際的系統中不可能做備以下幾種優(yōu)點(diǎn):到處處絕熱，熱量會(huì )通過(guò)設備的外殼與環(huán)境進(jìn)行自然1)低的控制溫度可以使設備的溫度穩定時(shí)間大對流換熱,也會(huì )通過(guò)設備的安裝馬腳進(jìn)行熱量的傳導,大縮短，減小設備從啟動(dòng)到保精度工作的時(shí)間;這樣的換熱會(huì )大大增加溫控的難度，降低半導體自循2)水冷系統可以規避風(fēng)冷時(shí)熱端使用的散熱風(fēng)環(huán)水冷系統的制冷效率。機，減少風(fēng)機噪聲對設備的影響;.為提高半導體自循環(huán)水冷系統的制冷效率，需對3)半導體自循環(huán)水冷系統采用的半導體制冷片以下三方面進(jìn)行處理:為電流控制，熱慣性力小、功率范圍寬，便于實(shí)現系1)與環(huán)境有熱量交換的殼體在外側或內側做好隔統的溫度控制范圍和控制精度;熱防護:4)通過(guò)電路控制，可以控制水冷系統的冷板與2)半導體制冷片的冷端和熱端做好熱隔離，防止半導體熱端接觸面的溫度，從而輕易達到控制半導體熱短路;冷端溫度的目的。3)設備安裝馬腳處可以加裝導熱率低的金屬件以增加傳導熱阻。2慣導設備熱設計的基本要求本慣導設備對平臺熱設計的基本要求包括:一是3.4半導體制冷系統結露現象的處理結露是濕熱空氣遇到冰冷物體所形成的一種凝結環(huán)境溫度適應范圍: -20C~55"C; 二是慣性敏感元件現象?？諝庠谔囟穸认露己幸?定量的水蒸汽， 在所處的內腔空氣的控制溫度為45'C;三是內腔空氣在特定溫度下通過(guò)焓值表可查到濕空氣的結露點(diǎn)，即含控制溫度點(diǎn)處的控制精度為士0.1C。水飽和點(diǎn)溫度。當與濕空氣接觸的物體表面、空隙部3半導體自 循環(huán)水冷系統在慣導設備熱設計過(guò)程位冷卻到低于濕空氣的飽和點(diǎn)溫度時(shí)，結露就會(huì )發(fā)生。半導體制冷片在工作時(shí)因為冷面的溫度很低，如中的注意事項果熱量交換不充分，就會(huì )使冷面的溫度和設備內腔空3.1 半導體制冷片的選擇氣的溫度差值達到濕空氣的飽和點(diǎn)，從而發(fā)生結露?；谂翣栙N效應，當電流流經(jīng)兩個(gè)不同導體形成發(fā)生結露對設備會(huì )形成很不好的影響，處理不當會(huì )造的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì )產(chǎn)生放熱和吸熱現象，吸熱和放成設備積水，器件短路進(jìn)而整個(gè)系統不能正常工作。16中國慣性技術(shù)學(xué)報第22卷因此，對半導體制冷系統結露現象的處理也是設熱流場(chǎng)分析時(shí)不考慮臺體部件內部的溫度變化。將臺計的一個(gè)關(guān)鍵，需要做好下面幾個(gè)方面:體部件看著(zhù)一個(gè)熱的黑盒子，臺體部件的功耗加載在1)設備內腔要盡量完全密閉，避免與外界有空氣臺體框架和均熱罩上。交換;冷板、半導體制冷片以及冷端散熱器和攪拌用的2)設備內腔可以加裝干燥劑，降低空氣的濕度，風(fēng)機組合成一個(gè)完整的模塊集中安裝在溫控門(mén)的頂從而提高飽和點(diǎn)溫度;部。冷板通過(guò)專(zhuān)用的水冷接頭與進(jìn)出水管連接，進(jìn)出3)半導體冷端的散熱器要與內腔空氣充分接觸換水管再連接到設備外部的水泵上。水泵端要求具備良熱，避免冷端溫度太低而結露;好的散熱功能，可以根據需要耗散的熱量、環(huán)境溫度4)若以上3點(diǎn)均不能消除設備的結露現象，可以的高低、半導體制冷片的制冷效率綜合來(lái)考慮。加裝導流裝置,定時(shí)清理避免冷凝水在設備內部匯聚。通過(guò)對模型的熱流場(chǎng)仿真可以得到如圖2所示的設備流場(chǎng)模型圖。設備內部空氣的流動(dòng)是非常充分的，4半導體 自循環(huán)水冷系統的熱仿真沒(méi)有明顯的空氣死區，也不存在短路現象，基本能夠本文將以現有某型慣導設備為對象，對半導體自保證整個(gè)內腔的空氣形成一一個(gè)完整的回路。循環(huán)水冷系統在其上的應用進(jìn)行研究分析，并提出結論性的意見(jiàn)。4.1 設備發(fā)熱量的估算詳細的對設備中每-一個(gè)發(fā)熱器件進(jìn)行熱功耗的估算是系統熱仿真分析的第一一步， 作為一一種邊界條件，4838熱載荷的加載會(huì )影響設備最終達到熱平衡后的溫度梯度。因此，仿真給出一個(gè)物體的溫度梯度是基于兩方面形成的結果: - -是結構物理模型的設計，即通過(guò)對模型結構的分布與優(yōu)化來(lái)改善熱量的分布:二是仿真時(shí)各種熱載荷加載的準確性，即準確的對實(shí)際器件的熱功耗進(jìn)行估算并準確的加載在相應的部位。本設備各處器件的發(fā)熱量總值為190 W。圖2系統流場(chǎng)模型示意圖4.2設備有 限元模型的建立Fig.2 The diagram of direction flow for system model如圖1所示，為了簡(jiǎn)化計算量，突出強迫風(fēng)冷對設備的影響，將臺體部件模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即在進(jìn)行半導體制冷片冷端與散熱器要求接觸良好，導熱充分:風(fēng)機直吹散熱器以便使內腔空氣與散熱器充分半導體冷片的交換熱量，防止結露。設備選用8只414JHH風(fēng)機并聯(lián)使用，從軟件分析結果結合風(fēng)機自身的特性曲線(xiàn)可以得到單只風(fēng)機的工作點(diǎn)為(0.0056, 40)，處于風(fēng)機工作的高效區。這表明，設備的風(fēng)路設計合理可行。4.3高溫端制冷效果的估算設備制冷效果的好壞主要是看當環(huán)境溫度最高時(shí)設備內腔溫度能否滿(mǎn)足控制點(diǎn)溫度的要求。如圖3所示，當環(huán)境溫度升高到55C時(shí)，設制冷片最大功率工作。將制冷片冷端的功率設為變量,并將45C的臺體部件內腔平均溫作為目標量。計算得到制冷片冷端吸收的功率約為321 W (超出自身190 W的部分為環(huán)境通過(guò)設備殼體傳人的熱量)，此時(shí)可以得到圖1系統模型示意圖制冷片最小的制冷功率為321 w。即在此種情況下，只Fig.1 The diagram of system model要選用的制冷片制冷功率大于321 W就能實(shí)現控溫。第1期楊盛林等:半導體自循環(huán)水冷系統在慣導設備上的應用17功率為166.5 W。H3 溫度場(chǎng)模型(高溫)圖5溫度場(chǎng)模型 (外加負載)Fig3 Temperature field (high temperature)Fig.S Temperature field (plus loads)4. 4低溫端保溫工作的措施5結論如圖4所示，當環(huán)境溫度為-20C時(shí)，即使調整半通過(guò)第4節的仿真分析，可以看出: 設備自身發(fā)導體制冷片的電流使半導體制冷片冷端溫度升高到熱量雖然達到了190 w,但在加裝了半導體自循環(huán)水30'C，臺體部件內腔平均溫度仍只有32C。此時(shí)半導冷系統后，當環(huán)境溫度即使升高到55C時(shí)，設備安裝體制冷片已相當于-個(gè)熱源存在但還是不能達到內腔慣性敏感器件的內腔部位的溫度也能維持在45C以的溫度控制要求，說(shuō)明在低溫端僅以設備自身的熱量下。能較容易的實(shí)現高環(huán)境溫度下的控溫目的。不能將臺體部件內腔的溫度維持在控制溫度點(diǎn)，必須對于低環(huán)境溫度下設備的保溫可以采用傳統的兩外加熱源以便維持臺體部件的內腔溫度。級加熱的方式并結合控制半導體制冷片的電流以改變半導體冷端面的溫度的組合方式來(lái)達到，這樣既能減小外加負載又能快速使設備到達設定的工作溫度。綜上，半導體自循環(huán)水冷系統能夠大大改善慣導設備的環(huán)境溫度適應性，它對慣導設備的應用和推廣必將起到積極的作用。參考文獻(References):[] Zhang H, Fan K C, Wang J. System design and simulationof constant temperature box using semiconductor refri-geration device[]. Intermational Jourmal of ComputerApplications in Technology, 2010, 37(2): 146-152.2] Jiz, Sun W,; H, et al. Research on the cooling efetof semiconductor refigeration chip[C/2nd IntemationalConference on Artifcial Inelligence, Management Science.2011: 4272-4275.圖4溫度場(chǎng)模型(低溫)[3]楊盛林， 劉昱，劉玉峰.慣性平臺熱場(chǎng)分析及熱設計的Fig.4 Temperature field(low temperature)改進(jìn)[]中國慣性技術(shù)學(xué)報，2005， 13(1); 5-9.YANG Sheng-lin, LIU Yu, LIU Yu-feng. Ressearch on heat為了提高低溫端的加熱時(shí)間并且保證臺體內腔溫field of inertial platform and improve on heat design[J].度的控制精度，擬對設備外加兩級加熱片(兩級溫控):Jourmal of Chinese Inertial Technology, 2005, 13(1): 5-9.一級粗控加熱片 布置在外框加熱罩上，用于快速加熱:[4]楊盛林慣性平臺溫度場(chǎng)分析方法的研究[DI].天津:天津航海儀器研究所，2005.二級精控加熱片布置在內框架的加熱罩上，用于臺體YANG Sheng:lin Study on analytical method fotemperature field of nrial platform[D]. Tianin: Tajin內部的精確溫度調節。Navigation Instrument Research Institute, 2005.為減小對臺體內部溫度的擾動(dòng)并實(shí)現士0.1^C的[5] Zhang z, Hou C, Jiang Y, et al. Temperature controllaunch canister based控制精度，精控加熱片的加熱功率不能太大。在此先system design for a certain I設定精控加熱片加熱功率為100 W，此時(shí)半導體制冷on semiconductor rfigratio[] Journal of Projectiles,Rockets, Missiles and Guidance, 2011(1): 067.片停止工作。將臺體內腔控制溫度45C作為目標參[向] Changheng G Shaopan Y. Numerical methods for量，粗控加熱片的加熱功率作為變量。溫度場(chǎng)穩定后temperature field about random heat source heat pump[]的模型如圖5所示，此時(shí)計算得到的粗加熱片的加熱Nature, 2013, 1(2): 20-27.