半导体自循环水冷系统在惯导设备上的应用 半导体自循环水冷系统在惯导设备上的应用

半导体自循环水冷系统在惯导设备上的应用

  • 期刊名字:中国惯性技术学报
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  • 论文作者:杨盛林,马林,张宇飞,吴春蕾,徐凯
  • 作者单位:天津航海仪器研究所
  • 更新时间:2020-03-24
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第22卷第1期中国惯性技术学报Vol.22 No.12014年2月.Jourmal of Chinese Inertial TechnologyFeb. 2014文章编号: 1005-6734(2014)01-0014-04doi: 10.13695/j.cnki.12- 122/03.2014.01.004半导体自循环水冷系统在惯导设备.上的应用杨盛林,马林,张宇飞,吴春蕾,徐凯(天津航海仪器研究所,天津300131)摘要:随着用户对惯导设备温度环境适应范围的要求越来越高,对惯导设备温控技术水平也提出了更高要求。通过分析明确半导体自循环水冷系统是提升惯导设备温度环境适应能力的强有力手段之- -.结合半导体制冷技术、水循环冷却技术以及有限元温度场仿真技术,给出了惯导设备半导体自循环水冷系统的结构方案形式和温度控制方案措施。结合实际惯导设备进行分析计算,验证了半导体自循环水冷系统在55C的高环境温度下能对惯导设备内部核心部位的温度起到10C以上的降温作用。关键词:半导体制冷;水冷;惯导;温度场中图分类号: U666.1文献标志码: 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惯导设备的输出精度在很大程度上受制于温度的状态,这种状态对惯性元件和电子器件的寿命和可靠影响。温度影响因素包括:-是设备内部自身在温度性带来了极其有害的影响。惯性元件的工作温度都有场稳定后的温度分布要求均匀,无大的温度梯度;二一个最大值,当应用环境的最高温度值继续升高,使是设备所处大环境温度的巨大变化对设备内部温度梯惯性元件周围的温度大于要求工作温度上限时,器件度的影响,尤其是对温度梯度变化率的影响。超温而使设备处于不可控状态。传统风冷设备都会对应用环境的温度提出很高的惯导设备要求的温度环境日益严酷,为了保证设要求,即要求提供一个变化带宽很窄的环境温度并且备的输出精度,均匀的温度场分布以及在全温范围内将控制温度点设在一个高点,以便达到控温的目的。良好的温度梯度变化率是设备热设计的关键所在。那风冷温控的弊端就是控制温度点的设定只能以最高的么,要在高环境温度下还能为设备提供-一个 良好的温环境温度来定,这会导致设备启动时要求有一-段不可度环境,半导体自循环水冷系统的使用和推广在当今忽视的加温时间;而且惯性元件工作时-直处于高温惯导设备的研制中就显得尤为重要。收稿日期: 2013-08-31; 修回日期: 2013-11-18基金项目:国防预研项目(51309030101)作者简介:杨盛林(1978-),男,高级工程师,研究方向为导航、制导与控制。E-mail: holyghost707@163.com第1期杨盛林等:半导体自循环水冷系统在惯导设备上的应用5本文从有限元仿真分析入手,结合半导体技术、热的大小由通过的电流决定。放热和吸热的差值为半水循环冷却技术,对特定的惯性平台进行仿真分析设导体制冷片的输入功率。半导体制冷片冷端最大吸热计:提出水冷系统设计过程中的关键点进而提出对惯量即为其最大制冷功率,它是设计时需要重点考虑的导设备进行半导体自循环水冷系统设计的要求,力求一个参量。对惯导系统的热设计与研制起到指导性的作用。在系统热设计时,首先确认设备内部各处的热载荷Q,所处环境的最高温度T。以及内腔需要控制的温1半导体自 循环水冷系统应用推广的优势度Tc;然后初步估计半导体制冷片热端的温度Tn。如前所述,风冷系统无法使具有内热源的设备的根据Tc和T,值,结合半导体特性曲线,即可查出所选内部温度与环境温度相等或更低,如果不实行分段温择的特定半导体制冷片的工作电流Ic和制冷功率lc。控,考虑温度梯度的存在,设备内部的控制温度必定3.2风路的设计要高于最高的环境温度值。当今军民用设备最高环境风路的设计是整个设备热设计的关键,它是设备温度值提到55"C或者更高已是其最基本的要求。相对内部的换热通道。风路设计要求风道形状简单,尽量以往常用的船用惯导设备,55C的环境温度保守估计不要有突变截面,最为关键的是风路要短。以便减小已能轻易使设备内腔温度达到65'C或更高,惯性元件突变压力损失和沿程压力损失,获得最大通风量。的温度更高,设备无法使用。对于对温度和温度梯度较为敏感的光学陀螺来除水泵外,半导体自循环水冷系统尽量将冷板、说,为了提高其应用范围,要求设备平台:一是具备半导体制冷片和冷端散热器集中放置在设备内部,并更加适宜的温度值,即尽可能低的内腔温度(比如置于设备顶部以便利用冷热空气的自然对流加强空气35C~45C);二是稳态的温度场各点温度值尽量均的流通和热量的交换。匀;三是在环境温度变化时内腔具备平缓的温度梯度3.3设备隔热处理变化率。理想的换热模式是除半导体制冷片处,其余的地针对上述要求可以看出半导体自循环水冷系统具方都不参与热量的交换。但在实际的系统中不可能做备以下几种优点:到处处绝热,热量会通过设备的外壳与环境进行自然1)低的控制温度可以使设备的温度稳定时间大对流换热,也会通过设备的安装马脚进行热量的传导,大缩短,减小设备从启动到保精度工作的时间;这样的换热会大大增加温控的难度,降低半导体自循2)水冷系统可以规避风冷时热端使用的散热风环水冷系统的制冷效率。机,减少风机噪声对设备的影响;.为提高半导体自循环水冷系统的制冷效率,需对3)半导体自循环水冷系统采用的半导体制冷片以下三方面进行处理:为电流控制,热惯性力小、功率范围宽,便于实现系1)与环境有热量交换的壳体在外侧或内侧做好隔统的温度控制范围和控制精度;热防护:4)通过电路控制,可以控制水冷系统的冷板与2)半导体制冷片的冷端和热端做好热隔离,防止半导体热端接触面的温度,从而轻易达到控制半导体热短路;冷端温度的目的。3)设备安装马脚处可以加装导热率低的金属件以增加传导热阻。2惯导设备热设计的基本要求本惯导设备对平台热设计的基本要求包括:一是3.4半导体制冷系统结露现象的处理结露是湿热空气遇到冰冷物体所形成的一种凝结环境温度适应范围: -20C~55"C; 二是惯性敏感元件现象。空气在特定湿度下都含有一-定量的水蒸汽, 在所处的内腔空气的控制温度为45'C;三是内腔空气在特定温度下通过焓值表可查到湿空气的结露点,即含控制温度点处的控制精度为士0.1C。水饱和点温度。当与湿空气接触的物体表面、空隙部3半导体自 循环水冷系统在惯导设备热设计过程位冷却到低于湿空气的饱和点温度时,结露就会发生。半导体制冷片在工作时因为冷面的温度很低,如中的注意事项果热量交换不充分,就会使冷面的温度和设备内腔空3.1 半导体制冷片的选择气的温度差值达到湿空气的饱和点,从而发生结露。基于帕尔贴效应,当电流流经两个不同导体形成发生结露对设备会形成很不好的影响,处理不当会造的接点时,接点处会产生放热和吸热现象,吸热和放成设备积水,器件短路进而整个系统不能正常工作。16中国惯性技术学报第22卷因此,对半导体制冷系统结露现象的处理也是设热流场分析时不考虑台体部件内部的温度变化。将台计的一个关键,需要做好下面几个方面:体部件看着一个热的黑盒子,台体部件的功耗加载在1)设备内腔要尽量完全密闭,避免与外界有空气台体框架和均热罩上。交换;冷板、半导体制冷片以及冷端散热器和搅拌用的2)设备内腔可以加装干燥剂,降低空气的湿度,风机组合成一个完整的模块集中安装在温控门的顶从而提高饱和点温度;部。冷板通过专用的水冷接头与进出水管连接,进出3)半导体冷端的散热器要与内腔空气充分接触换水管再连接到设备外部的水泵上。水泵端要求具备良热,避免冷端温度太低而结露;好的散热功能,可以根据需要耗散的热量、环境温度4)若以上3点均不能消除设备的结露现象,可以的高低、半导体制冷片的制冷效率综合来考虑。加装导流装置,定时清理避免冷凝水在设备内部汇聚。通过对模型的热流场仿真可以得到如图2所示的设备流场模型图。设备内部空气的流动是非常充分的,4半导体 自循环水冷系统的热仿真没有明显的空气死区,也不存在短路现象,基本能够本文将以现有某型惯导设备为对象,对半导体自保证整个内腔的空气形成一一个完整的回路。循环水冷系统在其上的应用进行研究分析,并提出结论性的意见。4.1 设备发热量的估算详细的对设备中每-一个发热器件进行热功耗的估算是系统热仿真分析的第一一步, 作为一一种边界条件,4838热载荷的加载会影响设备最终达到热平衡后的温度梯度。因此,仿真给出一个物体的温度梯度是基于两方面形成的结果: - -是结构物理模型的设计,即通过对模型结构的分布与优化来改善热量的分布:二是仿真时各种热载荷加载的准确性,即准确的对实际器件的热功耗进行估算并准确的加载在相应的部位。本设备各处器件的发热量总值为190 W。图2系统流场模型示意图4.2设备有 限元模型的建立Fig.2 The diagram of direction flow for system model如图1所示,为了简化计算量,突出强迫风冷对设备的影响,将台体部件模型进行了简化,即在进行半导体制冷片冷端与散热器要求接触良好,导热充分:风机直吹散热器以便使内腔空气与散热器充分半导体冷片的交换热量,防止结露。设备选用8只414JHH风机并联使用,从软件分析结果结合风机自身的特性曲线可以得到单只风机的工作点为(0.0056, 40),处于风机工作的高效区。这表明,设备的风路设计合理可行。4.3高温端制冷效果的估算设备制冷效果的好坏主要是看当环境温度最高时设备内腔温度能否满足控制点温度的要求。如图3所示,当环境温度升高到55C时,设制冷片最大功率工作。将制冷片冷端的功率设为变量,并将45C的台体部件内腔平均温作为目标量。计算得到制冷片冷端吸收的功率约为321 W (超出自身190 W的部分为环境通过设备壳体传人的热量),此时可以得到图1系统模型示意图制冷片最小的制冷功率为321 w。即在此种情况下,只Fig.1 The diagram of system model要选用的制冷片制冷功率大于321 W就能实现控温。第1期杨盛林等:半导体自循环水冷系统在惯导设备上的应用17功率为166.5 W。H3 温度场模型(高温)图5温度场模型 (外加负载)Fig3 Temperature field (high temperature)Fig.S Temperature field (plus loads)4. 4低温端保温工作的措施5结论如图4所示,当环境温度为-20C时,即使调整半通过第4节的仿真分析,可以看出: 设备自身发导体制冷片的电流使半导体制冷片冷端温度升高到热量虽然达到了190 w,但在加装了半导体自循环水30'C,台体部件内腔平均温度仍只有32C。此时半导冷系统后,当环境温度即使升高到55C时,设备安装体制冷片已相当于-个热源存在但还是不能达到内腔惯性敏感器件的内腔部位的温度也能维持在45C以的温度控制要求,说明在低温端仅以设备自身的热量下。能较容易的实现高环境温度下的控温目的。不能将台体部件内腔的温度维持在控制温度点,必须对于低环境温度下设备的保温可以采用传统的两外加热源以便维持台体部件的内腔温度。级加热的方式并结合控制半导体制冷片的电流以改变半导体冷端面的温度的组合方式来达到,这样既能减小外加负载又能快速使设备到达设定的工作温度。综上,半导体自循环水冷系统能够大大改善惯导设备的环境温度适应性,它对惯导设备的应用和推广必将起到积极的作用。参考文献(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.图4温度场模型(低温)[3]杨盛林, 刘昱,刘玉峰.惯性平台热场分析及热设计的Fig.4 Temperature field(low temperature)改进[]中国惯性技术学报,2005, 13(1); 5-9.YANG Sheng-lin, LIU Yu, LIU Yu-feng. Ressearch on heat为了提高低温端的加热时间并且保证台体内腔温field of inertial platform and improve on heat design[J].度的控制精度,拟对设备外加两级加热片(两级温控):Jourmal of Chinese Inertial Technology, 2005, 13(1): 5-9.一级粗控加热片 布置在外框加热罩上,用于快速加热:[4]杨盛林惯性平台温度场分析方法的研究[DI].天津:天津航海仪器研究所,2005.二级精控加热片布置在内框架的加热罩上,用于台体YANG Sheng:lin Study on analytical method fotemperature field of nrial platform[D]. Tianin: Tajin内部的精确温度调节。Navigation Instrument Research Institute, 2005.为减小对台体内部温度的扰动并实现士0.1^C的[5] Zhang z, Hou C, Jiang Y, et al. Temperature controllaunch canister based控制精度,精控加热片的加热功率不能太大。在此先system design for a certain I设定精控加热片加热功率为100 W,此时半导体制冷on semiconductor rfigratio[] Journal of Projectiles,Rockets, Missiles and Guidance, 2011(1): 067.片停止工作。将台体内腔控制温度45C作为目标参[向] Changheng G Shaopan Y. Numerical methods for量,粗控加热片的加热功率作为变量。温度场稳定后temperature field about random heat source heat pump[]的模型如图5所示,此时计算得到的粗加热片的加热Nature, 2013, 1(2): 20-27.

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