半導體自循環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）

半導體自循環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）

隨著用戶對慣導設備溫度環境適應范圍的要求越來越高，對慣導設備溫控技術水平也提出了更高要求。通過分析明確半導體自循環水冷系統是提升慣導設備溫度環境適應能力的強有力手段之一。結合半導體制冷技術、水循環冷卻技術以及有限元溫度場仿真技術，給出了慣導設備半導體自循環水冷系統的結構方案形式和溫度控制方案措施。結合實際慣導設備進行分析計算，驗證了半導體自循環水冷系統在55℃的高環境溫度下能對慣導設備內部核心部位的溫度起到10℃以上的降溫作用。

半導體制冷；水冷；慣導；溫度場

慣導設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：一是設備內部自身在溫度場穩定后的溫度分布要求均勻，無大的溫度梯度；二是設備所處大環境溫度的巨大變化對設備內部溫度梯度的影響，尤其是對溫度梯度變化率的影響。

傳統風冷設備都會對應用環境的溫度提出很高的要求，即要求提供一個變化帶寬很窄的環境溫度并且將控制溫度點設在一個高點，以便達到控溫的目的。風冷溫控的弊端就是控制溫度點的設定只能以最高的環境溫度來定，這會導致設備啟動時要求有一段不可忽視的加溫時間；而且慣性元件工作時一直處于高溫狀態，這種狀態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最大值，當應用環境的最高溫度值繼續升高，使慣性元件周圍的溫度大于要求工作溫度上限時，器件超溫而使設備處于不可控狀態。

慣導設備要求的溫度環境日益嚴酷，為了保證設備的輸出精度，均勻的溫度場分布以及在全溫范圍內良好的溫度梯度變化率是設備熱設計的關鍵所在。那么，要在高環境溫度下還能為設備提供一個良好的溫度環境，半導體自循環水冷系統的使用和推廣在當今慣導設備的研制中就顯得尤為重要。

本文從有限元仿真分析入手，結合半導體技術、水循環冷卻技術，對特定的慣性平臺進行仿真分析設計；提出水冷系統設計過程中的關鍵點進而提出對慣導設備進行半導體自循環水冷系統設計的要求，力求對慣導系統的熱設計與研制起到指導性的作用。

1 半導體自循環水冷系統應用推廣的優勢

如前所述，風冷系統無法使具有內熱源的設備的內部溫度與環境溫度相等或更低，如果不實行分段溫控，考慮溫度梯度的存在，設備內部的控制溫度必定要高于最高的環境溫度值。當今軍民用設備最高環境溫度值提到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設備，55℃的環境溫度保守估計已能輕易使設備內腔溫度達到65℃或更高，慣性元件的溫度更高，設備無法使用。

對于對溫度和溫度梯度較為敏感的光學陀螺來說，為了提高其應用范圍，要求設備平臺：一是具備更加適宜的溫度值，即盡可能低的內腔溫度（比如35℃~45℃）；二是穩態的溫度場各點溫度值盡量均勻；三是在環境溫度變化時內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體自循環水冷系統具備以下幾種優點：

1） 低的控制溫度可以使設備的溫度穩定時間大大縮短，減小設備從啟動到保精度工作的時間；

2）水冷系統可以規避風冷時熱端使用的散熱風機，減少風機噪聲對設備的影響；

3） 半導體自循環水冷系統采用的半導體制冷片為電流控制，熱慣性力小、功率范圍寬，便于實現系統的溫度控制范圍和控制精度；

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

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：一是環境溫度適應范圍：-20℃~55℃；二是慣性敏感元件所處的內腔空氣的控制溫度為45℃；三是內腔空氣在控制溫度點處的控制精度為±0.1℃。

3 半導體自循環水冷系統在慣導設備熱設計過程中的注意事項

3.1 半導體制冷片的選擇

基于帕爾貼效應，當電流流經兩個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象，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體制冷片的輸入功率。半導體制冷片冷端最大吸熱量即為其最大制冷功率，它是設計時需要重點考慮的一個參量。

在系統熱設計時，首先確認設備內部各處的熱載荷Q，所處環境的最高溫度T∞以及內腔需要控制的溫度TC；然后初步估計半導體制冷片熱端的溫度Th。根據TC和Th值，結合半導體特性曲線，即可查出所選擇的特定半導體制冷片的工作電流IC和制冷功率QC。

3.2 風路的設計

風路的設計是整個設備熱設計的關鍵，它是設備內部的換熱通道。風路設計要求風道形狀簡單，盡量不要有突變截面，最為關鍵的是風路要短。以便減小突變壓力損失和沿程壓力損失，獲得最大通風量。

除水泵外，半導體自循環水冷系統盡量將冷板、半導體制冷片和冷端散熱器集中放置在設備內部，并置于設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。

3.3 設備隔熱處理

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

為提高半導體自循環水冷系統的制冷效率，需對以下三方面進行處理：

1）與環境有熱量交換的殼體在外側或內側做好隔熱防護；

2）半導體制冷片的冷端和熱端做好熱隔離，防止熱短路；

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。

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現象。空氣在特定濕度下都含有一定量的水蒸汽，在特定溫度下通過焓值表可查到濕空氣的結露點，即含水飽和點溫度。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，結露就會發生。

半導體制冷片在工作時因為冷面的溫度很低，如果熱量交換不充分，就會使冷面的溫度和設備內腔空氣的溫度差值達到濕空氣的飽和點，從而發生結露。發生結露對設備會形成很不好的影響，處理不當會造成設備積水，器件短路進而整個系統不能正常工作。

因此，對半導體制冷系統結露現象的處理也是設計的一個關鍵，需要做好下面幾個方面：

1）設備內腔要盡量完全密閉，避免與外界有空氣交換；

2）設備內腔可以加裝干燥劑，降低空氣的濕度，從而提高飽和點溫度；

3）半導體冷端的散熱器要與內腔空氣充分接觸換熱，避免冷端溫度太低而結露；

4）若以上3點均不能消除設備的結露現象，可以加裝導流裝置，定時清理避免冷凝水在設備內部匯聚。

4 半導體自循環水冷系統的熱仿真

本文將以現有某型慣導設備為對象，對半導體自循環水冷系統在其上的應用進行研究分析，并提出結論性的意見。

4.1 設備發熱量的估算

詳細的對設備中每一個發熱器件進行熱功耗的估算是系統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果：一是結構物理模型的設計，即通過對模型結構的分布與優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。

本設備各處器件的發熱量總值為190 W。

4.2 設備有限元模型的建立

如圖1所示，為了簡化計算量，突出強迫風冷對設備的影響，將臺體部件模型進行了簡化，即在進行熱流場分析時不考慮臺體部件內部的溫度變化。將臺體部件看著一個熱的黑盒子，臺體部件的功耗加載在臺體框架和均熱罩上。

圖1 系統模型示意圖Fig.1 The diagram of system model

冷板、半導體制冷片以及冷端散熱器和攪拌用的風機組合成一個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出水管連接，進出水管再連接到設備外部的水泵上。水泵端要求具備良好的散熱功能，可以根據需要耗散的熱量、環境溫度的高低、半導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所示的設備流場模型圖。設備內部空氣的流動是非常充分的，沒有明顯的空氣死區，也不存在短路現象，基本能夠保證整個內腔的空氣形成一個完整的回路。

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

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腔空氣與散熱器充分的交換熱量，防止結露。

設備選用8只414JHH風機并聯使用，從軟件分析結果結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。這表明，設備的風路設計合理可行。

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境溫度最高時設備內腔溫度能否滿足控制點溫度的要求。

如圖3所示，當環境溫度升高到55℃時，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45℃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的部分為環境通過設備殼體傳人的熱量），此時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就能實現控溫。

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，當環境溫度為-20℃時，即使調整半導體制冷片的電流使半導體制冷片冷端溫度升高到30℃，臺體部件內腔平均溫度仍只有32℃。此時半導體制冷片已相當于一個熱源存在但還是不能達到內腔的溫度控制要求，說明在低溫端僅以設備自身的熱量不能將臺體部件內腔的溫度維持在控制溫度點，必須外加熱源以便維持臺體部件的內腔溫度。

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間并且保證臺體內腔溫度的控制精度，擬對設備外加兩級加熱片（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框架的加熱罩上，用于臺體內部的精確溫度調節。

為減小對臺體內部溫度的擾動并實現±0.1℃的控制精度，精控加熱片的加熱功率不能太大。在此先設定精控加熱片加熱功率為100 W，此時半導體制冷片停止工作。將臺體內腔控制溫度 45℃作為目標參量，粗控加熱片的加熱功率作為變量。溫度場穩定后的模型如圖5所示，此時計算得到的粗加熱片的加熱功率為166.5 W。

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

5 結 論

通過第4節的仿真分析，可以看出：設備自身發熱量雖然達到了190 W，但在加裝了半導體自循環水冷系統后，當環境溫度即使升高到55℃時，設備安裝慣性敏感器件的內腔部位的溫度也能維持在 45℃以下。能較容易的實現高環境溫度下的控溫目的。

對于低環境溫度下設備的保溫可以采用傳統的兩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，半導體自循環水冷系統能夠大大改善慣導設備的環境溫度適應性，它對慣導設備的應用和推廣必將起到積極的作用。

（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.慣性平臺熱場分析及熱設計的改進[J].中國慣性技術學報，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

國防預研項目（51309030101）

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