第22卷第1期中國慣性技術(shù)學報Vol 22 No. 12014年2月Journal of Chinese Inertial TechnologyFcb,2014章編號:10056734(2014)01-001404doi:10.13695/cnk12-1222/032014.01.004半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)在慣導設(shè)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:隨著用戶對慣導設(shè)備溫度環(huán)境適應范圍的要求越來越高,對慣導設(shè)備溫控技術(shù)水平也提出了更高要求。通過分析明確半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)是提升慣導設(shè)備溫度環(huán)境適應能力的強有力手段之一結(jié)合半導體制冷技術(shù)、水循環(huán)冷卻技術(shù)以及有限元溫度場仿真技術(shù),給出了慣導設(shè)備半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案形式和溫度控制方案措施。結(jié)合實際慣導設(shè)備進行分析計算,驗證了半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)在5℃的高環(huán)境溫度下能對慣導設(shè)備內(nèi)部核心部位的溫度起到10℃以上的降溫作用關(guān)鍵詞:半導體制冷:水冷:慣導:溫度場中圖分類號:U6661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 of 55CKey words: semiconductor refrigeration; water cooling; inertial navigation; temperature field慣導設(shè)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:一是設(shè)備內(nèi)部自身在溫度性帶來了極其有害的影響。慣性元件的工作溫度都有場穩(wěn)定后的溫度分布要求均勻,無大的溫度梯度;個最大值,當應用環(huán)境的最高溫度值繼續(xù)升高,使是設(shè)備所處大環(huán)境溫度的巨大變化對設(shè)備內(nèi)部溫度梯慣性元件周圍的溫度大于要求工作溫度上限時,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(shè)備處于不可控狀態(tài)。傳統(tǒng)風冷設(shè)備都會對應用環(huán)境的溫度提出很高的慣導設(shè)備要求的溫度環(huán)境日益嚴酷,為了保證設(shè)要求,即要求提供一個變化帶寬很窄的環(huán)境溫度并且備的輸出精度,均勻的溫度場分布以及在全溫范圍內(nèi)將控制溫度點設(shè)在一個高點,以便達到控溫的目的。良好的溫度梯度變化率是設(shè)備熱設(shè)計的關(guān)鍵所在。那風冷溫控的弊端就是控制溫度點的設(shè)定只能以最高的么,要在高環(huán)境溫度下還能為設(shè)備提供一個良好的溫環(huán)境溫度來定,這會導致設(shè)備啟動時要求有一段不可度環(huán)境,半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)的使用和推廣在當今忽視的加溫時間;而且慣性元件工作時一直處于高溫慣導設(shè)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中國煤化工基金項目:國防預研項目(51309030101)CNMHG作者簡介:楊盛林(1978-),男,高級工程師,研究方向為導航、制導與控制。ma: holyghost/u7(a3com第1期楊盛林等:半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)在慣導設(shè)備上的應用本文從有限元仿真分析入手,結(jié)合半導體技術(shù)、熱的大小由通過的電流決定。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行仿真分析設(shè)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(tǒng)設(shè)計過程中的關(guān)鍵點進而提出對慣量即為其最大制冷功率,它是設(shè)計時需要重點考慮的導設(shè)備進行半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)設(shè)計的要求,力求個參量對慣導系統(tǒng)的熱設(shè)計與研制起到指導性的作用。在系統(tǒng)熱設(shè)計時,首先確認設(shè)備內(nèi)部各處的熱載荷Q,所處環(huán)境的最高溫度T。以及內(nèi)腔需要控制的溫1半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)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Tb。如前所述,風冷系統(tǒng)無法使具有內(nèi)熱源的設(shè)備的根據(jù)Tc和T值,結(jié)合半導體特性曲線,即可查出所選內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度相等或更低,如果不實行分段溫擇的特定半導體制冷片的工作電流c和制冷功率Qc?？?考慮溫度梯度的存在,設(shè)備內(nèi)部的控制溫度必定要高于最高的環(huán)境溫度值。當今軍民用設(shè)備最高環(huán)境3.2風路的設(shè)計風路的設(shè)計是整個設(shè)備熱設(shè)計的關(guān)鍵,它是設(shè)備溫度值提到55℃或者更高已是其最基本的要求。相對以往常用的船用慣導設(shè)備,55℃的環(huán)境溫度保守估計內(nèi)部的換熱通道。風路設(shè)計要求風道形狀簡單,盡量不要有突變截面,最為關(guān)鍵的是風路要短。以便減小已能輕易使設(shè)備內(nèi)腔溫度達到65℃或更高,慣性元件突變壓力損失和沿程壓力損失,獲得最大通風量。的溫度更高,設(shè)備無法使用。對于對溫度和溫度梯度較為敏感的光學陀螺來除水泵外,半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)盡量將冷板、說,為了提高其應用范圍,要求設(shè)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(shè)備內(nèi)部,并更加適宜的溫度值,即盡可能低的內(nèi)腔溫度(比如置于設(shè)備頂部以便利用冷熱空氣的自然對流加強空氣的流通和熱量的交換。35℃~45℃);二是穩(wěn)態(tài)的溫度場各點溫度值盡量均勻;三是在環(huán)境溫度變化時內(nèi)腔具備平緩的溫度梯度33設(shè)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(tǒng)具方都不參與熱量的交換。但在實際的系統(tǒng)中不可能做備以下幾種優(yōu)點:到處處絕熱,熱量會通過設(shè)備的外殼與環(huán)境進行自然1)低的控制溫度可以使設(shè)備的溫度穩(wěn)定時間大對流換熱,也會通過設(shè)備的安裝馬腳進行熱量的傳導,大縮短,減小設(shè)備從啟動到保精度工作的時間這樣的換熱會大大增加溫控的難度,降低半導體自循2)水冷系統(tǒng)可以規(guī)避風冷時熱端使用的散熱風環(huán)水冷系統(tǒng)的制冷效率機,減少風機噪聲對設(shè)備的影響;為提高半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)的制冷效率,需對3)半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)采用的半導體制冷片以下三方面進行處理:為電流控制,熱慣性力小、功率范圍寬,便于實現(xiàn)系1)與環(huán)境有熱量交換的殼體在外側(cè)或內(nèi)側(cè)做好隔統(tǒng)的溫度控制范圍和控制精度;熱防護4)通過電路控制,可以控制水冷系統(tǒng)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(shè)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(shè)備熱設(shè)計的基本要求3.4半導體制冷系統(tǒng)結(jié)露現(xiàn)象的處理本慣導設(shè)備對平臺熱設(shè)計的基本要求包括:一是結(jié)露是濕熱空氣遇到冰冷物體所形成的一種凝結(jié)環(huán)境溫度適應范圍:-20℃~55℃;二是慣性敏感元件現(xiàn)象?？諝庠谔囟穸认露己幸欢康乃羝?在所處的內(nèi)腔空氣的控制溫度為45℃;三是內(nèi)腔空氣在特定溫度下通過焓值表可查到濕空氣的結(jié)露點,即含控制溫度點處的控制精度為±0.1℃。水飽和點溫度。當與濕空氣接觸的物體表面、空隙部位冷卻到低于濕空氣的飽和點溫度時,結(jié)露就會發(fā)生。3半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)在慣導設(shè)備熱設(shè)計過程半導體制冷片在工作時因為冷面的溫度很低,如中的注意事項果熱量交換不充分,就會使冷面的溫度和設(shè)備內(nèi)腔空3.1半導體制冷片的選擇氣的溫度差值中國煤化巧發(fā)生結(jié)露?；谂翣栙N效應,當電流流經(jīng)兩個不同導體形成發(fā)生結(jié)露對設(shè)司HCNMHG理不當會造的接點時,接點處會產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象,吸熱和放成設(shè)備積水,器件短路進而整個系統(tǒng)不能正常工作中國慣性技術(shù)學報第22卷因此,對半導體制冷系統(tǒng)結(jié)露現(xiàn)象的處理也是設(shè)熱流場分析時不考慮臺體部件內(nèi)部的溫度變化。將臺計的一個關(guān)鍵,需要做好下面幾個方面:體部件看著一個熱的黑盒子,臺體部件的功耗加載在1)設(shè)備內(nèi)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(shè)備內(nèi)腔可以加裝干燥劑,降低空氣的濕度風機組合成一個完整的模塊集中安裝在溫控門的頂從而提高飽和點溫度部。冷板通過專用的水冷接頭與進出水管連接,進出3)半導體冷端的散熱器要與內(nèi)腔空氣充分接觸換水管再連接到設(shè)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(jié)露;好的散熱功能,可以根據(jù)需要耗散的熱量、環(huán)境溫度4)若以上3點均不能消除設(shè)備的結(jié)露現(xiàn)象,可以的高低、半導體制冷片的制冷效率綜合來考慮。加裝導流裝置,定時清理避免冷凝水在設(shè)備內(nèi)部匯聚通過對模型的熱流場仿真可以得到如圖2所示的設(shè)備流場模型圖。設(shè)備內(nèi)部空氣的流動是非常充分的,4半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)的熱仿真沒有明顯的空氣死區(qū),也不存在短路現(xiàn)象,基本能夠本文將以現(xiàn)有某型慣導設(shè)備為對象,對半導體自保證整個內(nèi)腔的空氣形成一個完整的回路。循環(huán)水冷系統(tǒng)在其上的應用進行研究分析,并提出結(jié)論性的意見。4.1設(shè)備發(fā)熱量的估算詳細的對設(shè)備中每一個發(fā)熱器件進行熱功耗的估算是系統(tǒng)熱仿真分析的第一步,作為一種邊界條件熱載荷的加載會影響設(shè)備最終達到熱平衡后的溫度梯度。因此,仿真給出一個物體的溫度梯度是基于兩方面形成的結(jié)果:一是結(jié)構(gòu)物理模型的設(shè)計,即通過對模型結(jié)構(gòu)的分布與優(yōu)化來改善熱量的分布;二是仿真時各種熱載荷加載的準確性,即準確的對實際器件的熱功耗進行估算并準確的加載在相應的部位。本設(shè)備各處器件的發(fā)熱量總值為190W圖2系統(tǒng)流場模型示意圖4.2設(shè)備有限元模型的建立Fig.2 The diagram of direction flow for system model如圖1所示,為了簡化計算量,突出強迫風冷對設(shè)備的影響,將臺體部件模型進行了簡化,即在進行半導體制冷片冷端與散熱器要求接觸良好,導熱充分;風機直吹散熱器以便使內(nèi)腔空氣與散熱器充分制冷片的交換熱量,防止結(jié)露。設(shè)備選用8只414JHH風機并聯(lián)使用,從軟件分析結(jié)果結(jié)合風機自身的特性曲線可以得到單只風機的工作點為(0.0056,40),處于風機工作的高效區(qū)。這表明,設(shè)備的風路設(shè)計合理可行。4.3高溫端制冷效果的估算設(shè)備制冷效果的好壞主要是看當環(huán)境溫度最高時設(shè)備內(nèi)腔溫度能否滿足控制點溫度的要求。如圖3所示,當環(huán)境溫度升高到55℃時,設(shè)制冷片最大功率工作。將制冷片冷端的功率設(shè)為變量,并將45℃的臺體部件內(nèi)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32lW(超出自身190W的部分為環(huán)境通中國煤化工此時可以得到圖1系統(tǒng)模型示意圖制冷片最小YHCNMHG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321W就能實現(xiàn)控溫。第1期楊盛林等:半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)在慣導設(shè)備上的應用功率為1665W。wiTh圖3溫度場模型(高溫)圖5溫度場模型(外加負載)Fig 3 Temperature field (high temperature)Fig5 Temperature field(plus loads)4.4低溫端保溫工作的措施5結(jié)論如圖4所示,當環(huán)境溫度為-20℃時,即使調(diào)整半通過第4節(jié)的仿真分析,可以看出:設(shè)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190W,但在加裝了半導體自循環(huán)水30℃,臺體部件內(nèi)腔平均溫度仍只有32℃。此時半導冷系統(tǒng)后,當環(huán)境溫度即使升高到5℃時,設(shè)備安裝體制冷片已相當于一個熱源存在但還是不能達到內(nèi)腔慣性敏感器件的內(nèi)腔部位的溫度也能維持在45℃以的溫度控制要求,說明在低溫端僅以設(shè)備自身的熱量下。能較容易的實現(xiàn)高環(huán)境溫度下的控溫目的。不能將臺體部件內(nèi)腔的溫度維持在控制溫度點,必須對于低環(huán)境溫度下設(shè)備的保溫可以采用傳統(tǒng)的兩外加熱源以便維持臺體部件的內(nèi)腔溫度。級加熱的方式并結(jié)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達到,這樣既能減小外加負載又能快速使設(shè)備到達設(shè)定的工作溫度綜上,半導體自循環(huán)水冷系統(tǒng)能夠大大改善慣導設(shè)備的環(huán)境溫度適應性,它對慣導設(shè)備的應用和推廣必將起到積極的作用。參考文獻( References)[1] Zhang H, Fan K C, Wang J. System design and simulationof constant temperature box using semiconductor refrigeration device[J]. International Journal of Computerpplications in Technology, 2010, 37(2): 146-152[2]Ji Z, Sun W, Wang H, et al. Research on the cooling effectof semiconductor refrigeration chip[C]/2nd InternationalConference on Artificial Intelligence, Management Science2011:4272-4275圖4溫度場模型(低溫)[3]楊盛林,劉昱,劉玉峰.慣性平臺熱場分析及熱設(shè)計的Fig 4 Temperature field(low temperature)改進中國慣性技術(shù)學報,2005,13(1):59ANG Sheng-lin, LIU Yu, LIU Yu-feng. Research on heat為了提高低溫端的加熱時間并且保證臺體內(nèi)腔溫field of inertial platform and improve on heat design[]度的控制精度,擬對設(shè)備外加兩級加熱片(兩級溫控)Journal of Chinese Inertial Tech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.慣性平臺溫度場分析方法的研究[D]天津二級精控加熱片布置在內(nèi)框架的加熱罩上,用于臺體天津航海儀器研究所,2005YANG Sheng-lin. Study on analytical method for內(nèi)部的精確溫度調(diào)節(jié)。temperature field of inertial platform[D]. Tianjin: Tianjin為減小對臺體內(nèi)部溫度的擾動并實現(xiàn)±0℃的Navigation Instrument Research Institute, 2005控制精度,精控加熱片的加熱功率不能太大。在此先5] Zhang Z,HouC, Jiang Y,etal. Temperature controlsystem design for a certain missile launch canister based設(shè)定精控加熱片加熱功率為100W,此時半導體制冷on sensyH中國煤化工 of Projectile片停止工作。將臺體內(nèi)腔控制溫度45℃作為目標參Rockets[6] ChangsheCNMHGI methods for量,粗控加熱片的加熱功率作為變量。溫度場穩(wěn)定后temperature field about random heat source heat pump[].的模型如圖5所示,此時計算得到的粗加熱片的加熱Nature,2013,1(2):20-27