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）

半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)在慣導(dǎo)設(shè)備上的應(yīng)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）

隨著用戶對慣導(dǎo)設(shè)備溫度環(huán)境適應(yīng)范圍的要求越來越高，對慣導(dǎo)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(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)是提升慣導(dǎo)設(shè)備溫度環(huán)境適應(yīng)能力的強(qiáng)有力手段之一。結(jié)合半導(dǎo)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(dǎo)設(shè)備半導(dǎo)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(shí)際慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證了半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)在55℃的高環(huán)境溫度下能對慣導(dǎo)設(shè)備內(nèi)部核心部位的溫度起到10℃以上的降溫作用。

半導(dǎo)體制冷；水冷；慣導(dǎo)；溫度場

慣導(dǎo)設(shè)備的輸出精度在很大程度上受制于溫度的影響。溫度影響因素包括：一是設(shè)備內(nèi)部自身在溫度場穩(wěn)定后的溫度分布要求均勻，無大的溫度梯度；二是設(shè)備所處大環(huán)境溫度的巨大變化對設(shè)備內(nèi)部溫度梯度的影響，尤其是對溫度梯度變化率的影響。

傳統(tǒng)風(fēng)冷設(shè)備都會(huì)對應(yīng)用環(huán)境的溫度提出很高的要求，即要求提供一個(gè)變化帶寬很窄的環(huán)境溫度并且將控制溫度點(diǎn)設(shè)在一個(gè)高點(diǎn)，以便達(dá)到控溫的目的。風(fēng)冷溫控的弊端就是控制溫度點(diǎn)的設(shè)定只能以最高的環(huán)境溫度來定，這會(huì)導(dǎo)致設(shè)備啟動(dòng)時(shí)要求有一段不可忽視的加溫時(shí)間；而且慣性元件工作時(shí)一直處于高溫狀態(tài)，這種狀態(tài)對慣性元件和電子器件的壽命和可靠性帶來了極其有害的影響。慣性元件的工作溫度都有一個(gè)最大值，當(dāng)應(yīng)用環(huán)境的最高溫度值繼續(xù)升高，使慣性元件周圍的溫度大于要求工作溫度上限時(shí)，器件超溫而使設(shè)備處于不可控狀態(tài)。

慣導(dǎo)設(shè)備要求的溫度環(huán)境日益嚴(yán)酷，為了保證設(shè)備的輸出精度，均勻的溫度場分布以及在全溫范圍內(nèi)良好的溫度梯度變化率是設(shè)備熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。那么，要在高環(huán)境溫度下還能為設(shè)備提供一個(gè)良好的溫度環(huán)境，半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)的使用和推廣在當(dāng)今慣導(dǎo)設(shè)備的研制中就顯得尤為重要。

本文從有限元仿真分析入手，結(jié)合半導(dǎo)體技術(shù)、水循環(huán)冷卻技術(shù)，對特定的慣性平臺(tái)進(jìn)行仿真分析設(shè)計(jì)；提出水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)而提出對慣導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，力求對慣導(dǎo)系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)與研制起到指導(dǎo)性的作用。

1 半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)應(yīng)用推廣的優(yōu)勢

如前所述，風(fēng)冷系統(tǒng)無法使具有內(nèi)熱源的設(shè)備的內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度相等或更低，如果不實(shí)行分段溫控，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(dāng)今軍民用設(shè)備最高環(huán)境溫度值提到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(dǎo)設(shè)備，55℃的環(huán)境溫度保守估計(jì)已能輕易使設(shè)備內(nèi)腔溫度達(dá)到65℃或更高，慣性元件的溫度更高，設(shè)備無法使用。

對于對溫度和溫度梯度較為敏感的光學(xué)陀螺來說，為了提高其應(yīng)用范圍，要求設(shè)備平臺(tái)：一是具備更加適宜的溫度值，即盡可能低的內(nèi)腔溫度（比如35℃~45℃）；二是穩(wěn)態(tài)的溫度場各點(diǎn)溫度值盡量均勻；三是在環(huán)境溫度變化時(shí)內(nèi)腔具備平緩的溫度梯度變化率。

針對上述要求可以看出半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)具備以下幾種優(yōu)點(diǎn)：

1） 低的控制溫度可以使設(shè)備的溫度穩(wěn)定時(shí)間大大縮短，減小設(shè)備從啟動(dòng)到保精度工作的時(shí)間；

2）水冷系統(tǒng)可以規(guī)避風(fēng)冷時(shí)熱端使用的散熱風(fēng)機(jī)，減少風(fēng)機(jī)噪聲對設(shè)備的影響；

3） 半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體制冷片為電流控制，熱慣性力小、功率范圍寬，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度控制范圍和控制精度；

4） 通過電路控制，可以控制水冷系統(tǒng)的冷板與半導(dǎo)體熱端接觸面的溫度，從而輕易達(dá)到控制半導(dǎo)體冷端溫度的目的。

2 慣導(dǎo)設(shè)備熱設(shè)計(jì)的基本要求

本慣導(dǎo)設(shè)備對平臺(tái)熱設(shè)計(jì)的基本要求包括：一是環(huán)境溫度適應(yīng)范圍：-20℃~55℃；二是慣性敏感元件所處的內(nèi)腔空氣的控制溫度為45℃；三是內(nèi)腔空氣在控制溫度點(diǎn)處的控制精度為±0.1℃。

3 半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)在慣導(dǎo)設(shè)備熱設(shè)計(jì)過程中的注意事項(xiàng)

3.1 半導(dǎo)體制冷片的選擇

基于帕爾貼效應(yīng)，當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，吸熱和放熱的大小由通過的電流決定。放熱和吸熱的差值為半導(dǎo)體制冷片的輸入功率。半導(dǎo)體制冷片冷端最大吸熱量即為其最大制冷功率，它是設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)參量。

在系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)時(shí)，首先確認(rèn)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)腔需要控制的溫度TC；然后初步估計(jì)半導(dǎo)體制冷片熱端的溫度Th。根據(jù)TC和Th值，結(jié)合半導(dǎo)體特性曲線，即可查出所選擇的特定半導(dǎo)體制冷片的工作電流IC和制冷功率QC。

3.2 風(fēng)路的設(shè)計(jì)

風(fēng)路的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)備熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它是設(shè)備內(nèi)部的換熱通道。風(fēng)路設(shè)計(jì)要求風(fēng)道形狀簡單，盡量不要有突變截面，最為關(guān)鍵的是風(fēng)路要短。以便減小突變壓力損失和沿程壓力損失，獲得最大通風(fēng)量。

除水泵外，半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)盡量將冷板、半導(dǎo)體制冷片和冷端散熱器集中放置在設(shè)備內(nèi)部，并置于設(shè)備頂部以便利用冷熱空氣的自然對流加強(qiáng)空氣的流通和熱量的交換。

3.3 設(shè)備隔熱處理

理想的換熱模式是除半導(dǎo)體制冷片處，其余的地方都不參與熱量的交換。但在實(shí)際的系統(tǒng)中不可能做到處處絕熱，熱量會(huì)通過設(shè)備的外殼與環(huán)境進(jìn)行自然對流換熱，也會(huì)通過設(shè)備的安裝馬腳進(jìn)行熱量的傳導(dǎo)，這樣的換熱會(huì)大大增加溫控的難度，降低半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)的制冷效率。

為提高半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)的制冷效率，需對以下三方面進(jìn)行處理：

1）與環(huán)境有熱量交換的殼體在外側(cè)或內(nèi)側(cè)做好隔熱防護(hù)；

2）半導(dǎo)體制冷片的冷端和熱端做好熱隔離，防止熱短路；

3）設(shè)備安裝馬腳處可以加裝導(dǎo)熱率低的金屬件以增加傳導(dǎo)熱阻。

3.4 半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)結(jié)露現(xiàn)象的處理

結(jié)露是濕熱空氣遇到冰冷物體所形成的一種凝結(jié)現(xiàn)象?？諝庠谔囟穸认露己幸欢康乃羝谔囟囟认峦ㄟ^焓值表可查到濕空氣的結(jié)露點(diǎn)，即含水飽和點(diǎn)溫度。當(dāng)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(diǎn)溫度時(shí)，結(jié)露就會(huì)發(fā)生。

半導(dǎo)體制冷片在工作時(shí)因?yàn)槔涿娴臏囟群艿?，如果熱量交換不充分，就會(huì)使冷面的溫度和設(shè)備內(nèi)腔空氣的溫度差值達(dá)到濕空氣的飽和點(diǎn)，從而發(fā)生結(jié)露。發(fā)生結(jié)露對設(shè)備會(huì)形成很不好的影響，處理不當(dāng)會(huì)造成設(shè)備積水，器件短路進(jìn)而整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。

因此，對半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)結(jié)露現(xiàn)象的處理也是設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵，需要做好下面幾個(gè)方面：

1）設(shè)備內(nèi)腔要盡量完全密閉，避免與外界有空氣交換；

2）設(shè)備內(nèi)腔可以加裝干燥劑，降低空氣的濕度，從而提高飽和點(diǎn)溫度；

3）半導(dǎo)體冷端的散熱器要與內(nèi)腔空氣充分接觸換熱，避免冷端溫度太低而結(jié)露；

4）若以上3點(diǎn)均不能消除設(shè)備的結(jié)露現(xiàn)象，可以加裝導(dǎo)流裝置，定時(shí)清理避免冷凝水在設(shè)備內(nèi)部匯聚。

4 半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)的熱仿真

本文將以現(xiàn)有某型慣導(dǎo)設(shè)備為對象，對半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)在其上的應(yīng)用進(jìn)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(xì)的對設(shè)備中每一個(gè)發(fā)熱器件進(jìn)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(huì)影響設(shè)備最終達(dá)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(jié)果：一是結(jié)構(gòu)物理模型的設(shè)計(jì)，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(shí)各種熱載荷加載的準(zhǔn)確性，即準(zhǔn)確的對實(shí)際器件的熱功耗進(jìn)行估算并準(zhǔn)確的加載在相應(yīng)的部位。

本設(shè)備各處器件的發(fā)熱量總值為190 W。

4.2 設(shè)備有限元模型的建立

如圖1所示，為了簡化計(jì)算量，突出強(qiáng)迫風(fēng)冷對設(shè)備的影響，將臺(tái)體部件模型進(jìn)行了簡化，即在進(jìn)行熱流場分析時(shí)不考慮臺(tái)體部件內(nèi)部的溫度變化。將臺(tái)體部件看著一個(gè)熱的黑盒子，臺(tái)體部件的功耗加載在臺(tái)體框架和均熱罩上。

圖1 系統(tǒng)模型示意圖Fig.1 The diagram of system model

冷板、半導(dǎo)體制冷片以及冷端散熱器和攪拌用的風(fēng)機(jī)組合成一個(gè)完整的模塊集中安裝在溫控門的頂部。冷板通過專用的水冷接頭與進(jìn)出水管連接，進(jìn)出水管再連接到設(shè)備外部的水泵上。水泵端要求具備良好的散熱功能，可以根據(jù)需要耗散的熱量、環(huán)境溫度的高低、半導(dǎo)體制冷片的制冷效率綜合來考慮。

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(dòng)是非常充分的，沒有明顯的空氣死區(qū)，也不存在短路現(xiàn)象，基本能夠保證整個(gè)內(nèi)腔的空氣形成一個(gè)完整的回路。

圖2 系統(tǒng)流場模型示意圖Fig.2 The diagram of direction flow for system model

半導(dǎo)體制冷片冷端與散熱器要求接觸良好，導(dǎo)熱充分；風(fēng)機(jī)直吹散熱器以便使內(nèi)腔空氣與散熱器充分的交換熱量，防止結(jié)露。

設(shè)備選用8只414JHH風(fēng)機(jī)并聯(lián)使用，從軟件分析結(jié)果結(jié)合風(fēng)機(jī)自身的特性曲線可以得到單只風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)為（0.0056,40），處于風(fēng)機(jī)工作的高效區(qū)。這表明，設(shè)備的風(fēng)路設(shè)計(jì)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(dāng)環(huán)境溫度最高時(shí)設(shè)備內(nèi)腔溫度能否滿足控制點(diǎn)溫度的要求。

如圖3所示，當(dāng)環(huán)境溫度升高到55℃時(shí)，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(tái)體部件內(nèi)腔平均溫作為目標(biāo)量。計(jì)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)境通過設(shè)備殼體傳人的熱量），此時(shí)可以得到制冷片最小的制冷功率為321 W。即在此種情況下，只要選用的制冷片制冷功率大于321 W就能實(shí)現(xiàn)控溫。

圖3 溫度場模型（高溫）Fig.3 Temperature field（high temperature）

4.4 低溫端保溫工作的措施

如圖4所示，當(dāng)環(huán)境溫度為-20℃時(shí)，即使調(diào)整半導(dǎo)體制冷片的電流使半導(dǎo)體制冷片冷端溫度升高到30℃，臺(tái)體部件內(nèi)腔平均溫度仍只有32℃。此時(shí)半導(dǎo)體制冷片已相當(dāng)于一個(gè)熱源存在但還是不能達(dá)到內(nèi)腔的溫度控制要求，說明在低溫端僅以設(shè)備自身的熱量不能將臺(tái)體部件內(nèi)腔的溫度維持在控制溫度點(diǎn)，必須外加熱源以便維持臺(tái)體部件的內(nèi)腔溫度。

圖4 溫度場模型（低溫）Fig.4 Temperature field(low temperature)

為了提高低溫端的加熱時(shí)間并且保證臺(tái)體內(nèi)腔溫度的控制精度，擬對設(shè)備外加兩級加熱片（兩級溫控）：一級粗控加熱片布置在外框加熱罩上，用于快速加熱；二級精控加熱片布置在內(nèi)框架的加熱罩上，用于臺(tái)體內(nèi)部的精確溫度調(diào)節(jié)。

為減小對臺(tái)體內(nèi)部溫度的擾動(dòng)并實(shí)現(xiàn)±0.1℃的控制精度，精控加熱片的加熱功率不能太大。在此先設(shè)定精控加熱片加熱功率為100 W，此時(shí)半導(dǎo)體制冷片停止工作。將臺(tái)體內(nèi)腔控制溫度 45℃作為目標(biāo)參量，粗控加熱片的加熱功率作為變量。溫度場穩(wěn)定后的模型如圖5所示，此時(shí)計(jì)算得到的粗加熱片的加熱功率為166.5 W。

圖5 溫度場模型（外加負(fù)載）Fig.5 Temperature field（plus loads）

5 結(jié) 論

通過第4節(jié)的仿真分析，可以看出：設(shè)備自身發(fā)熱量雖然達(dá)到了190 W，但在加裝了半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)后，當(dāng)環(huán)境溫度即使升高到55℃時(shí)，設(shè)備安裝慣性敏感器件的內(nèi)腔部位的溫度也能維持在 45℃以下。能較容易的實(shí)現(xiàn)高環(huán)境溫度下的控溫目的。

對于低環(huán)境溫度下設(shè)備的保溫可以采用傳統(tǒng)的兩級加熱的方式并結(jié)合控制半導(dǎo)體制冷片的電流以改變半導(dǎo)體冷端面的溫度的組合方式來達(dá)到，這樣既能減小外加負(fù)載又能快速使設(shè)備到達(dá)設(shè)定的工作溫度。

綜上，半導(dǎo)體自循環(huán)水冷系統(tǒng)能夠大大改善慣導(dǎo)設(shè)備的環(huán)境溫度適應(yīng)性，它對慣導(dǎo)設(shè)備的應(yīng)用和推廣必將起到積極的作用。

（References）：

[1]Zhang H,Fan K C,Wang J.System design and simulation of constant temperature box using semiconductor refrigeration device[J].International Journal of Computer Applications in Technology,2010,37(2):146-152.

[2]Ji Z,Sun W,Wang H,et al.Research on the cooling effect of semiconductor refrigeration chip[C]//2nd International Conference on Artificial Intelligence,Management Science.2011:4272-4275.

[3]楊盛林，劉昱，劉玉峰.慣性平臺(tái)熱場分析及熱設(shè)計(jì)的改進(jìn)[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，13(1)：5-9.YANG Sheng-lin,LIU Yu,LIU Yu-feng.Research on heat field of inertial platform and improve on heat design[J].Journal of Chinese Inertial Technology,2005,13(1):5-9.

[4]楊盛林.慣性平臺(tái)溫度場分析方法的研究[D].天津：天津航海儀器研究所，2005.YANG Sheng-lin.Study on analytical method for temperature field of inertial platform[D].Tianjin:Tianjin Navigation Instrument Research Institute,2005.

[5]Zhang Z,Hou C,Jiang Y,et al.Temperature control system design for a certain missile launch canister based on semiconductor refrigeration[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2011(1):067.

[6]Changsheng G,Shaopan Y.Numerical methods for temperature field about random heat source heat pump[J].Nature,2013,1(2):20-27.

Application of semiconductor self-circulation water cooling system in inertial navigation equipment

YANG Sheng-lin,MA Lin,ZHANG Yu-fei,WU Chun-lei,XU Kai
(Tianjin Navigation Instrument Research Institute,Tianjin 300131,China)

By the analysis of environmental adaptation extension of today's inertial navigation equipment,it is clear that the semiconductor self-circulation water cooling system is one of the most powerful means to improve the ability of inertial navigation equipment’s adapting to environment.Combined with semiconductor technology and finite element simulation technology of temperature field,the structure scheme and temperature control program measures of inertial navigation equipment semiconductor self-circulation water cooling system are given.Combining with the analysis and calculation of the actual system,it is verified that the semiconductor self-circulation water cooling system can cool the equipment inside core by >10℃ in high ambient temperature of 55℃.

semiconductor refrigeration;water cooling;inertial navigation;temperature field

U666.1

：A

1005-6734(2014)01-0014-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.01.004

2013-08-31；

：2013-11-18

國防預(yù)研項(xiàng)目（51309030101）

楊盛林（1978—），男，高級工程師，研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制。E-mail：holyghost707@163.com