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）

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）

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一。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55℃的高环境温度下能对惯导设备内部核心部位的温度起到10℃以上的降温作用。

半导体制冷；水冷；惯导；温度场

惯导设备的输出精度在很大程度上受制于温度的影响。温度影响因素包括：一是设备内部自身在温度场稳定后的温度分布要求均匀，无大的温度梯度；二是设备所处大环境温度的巨大变化对设备内部温度梯度的影响，尤其是对温度梯度变化率的影响。

传统风冷设备都会对应用环境的温度提出很高的要求，即要求提供一个变化带宽很窄的环境温度并且将控制温度点设在一个高点，以便达到控温的目的。风冷温控的弊端就是控制温度点的设定只能以最高的环境温度来定，这会导致设备启动时要求有一段不可忽视的加温时间；而且惯性元件工作时一直处于高温状态，这种状态对惯性元件和电子器件的寿命和可靠性带来了极其有害的影响。惯性元件的工作温度都有一个最大值，当应用环境的最高温度值继续升高，使惯性元件周围的温度大于要求工作温度上限时，器件超温而使设备处于不可控状态。

惯导设备要求的温度环境日益严酷，为了保证设备的输出精度，均匀的温度场分布以及在全温范围内良好的温度梯度变化率是设备热设计的关键所在。那么，要在高环境温度下还能为设备提供一个良好的温度环境，半导体自循环水冷系统的使用和推广在当今惯导设备的研制中就显得尤为重要。

本文从有限元仿真分析入手，结合半导体技术、水循环冷却技术，对特定的惯性平台进行仿真分析设计；提出水冷系统设计过程中的关键点进而提出对惯导设备进行半导体自循环水冷系统设计的要求，力求对惯导系统的热设计与研制起到指导性的作用。

1 半导体自循环水冷系统应用推广的优势

如前所述，风冷系统无法使具有内热源的设备的内部温度与环境温度相等或更低，如果不实行分段温控，考虑温度梯度的存在，设备内部的控制温度必定要高于最高的环境温度值。当今军民用设备最高环境温度值提到55℃或者更高已是其最基本的要求。相对以往常用的船用惯导设备，55℃的环境温度保守估计已能轻易使设备内腔温度达到65℃或更高，惯性元件的温度更高，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说，为了提高其应用范围，要求设备平台：一是具备更加适宜的温度值，即尽可能低的内腔温度（比如35℃~45℃）；二是稳态的温度场各点温度值尽量均匀；三是在环境温度变化时内腔具备平缓的温度梯度变化率。

针对上述要求可以看出半导体自循环水冷系统具备以下几种优点：

1） 低的控制温度可以使设备的温度稳定时间大大缩短，减小设备从启动到保精度工作的时间；

2）水冷系统可以规避风冷时热端使用的散热风机，减少风机噪声对设备的影响；

3） 半导体自循环水冷系统采用的半导体制冷片为电流控制，热惯性力小、功率范围宽，便于实现系统的温度控制范围和控制精度；

4） 通过电路控制，可以控制水冷系统的冷板与半导体热端接触面的温度，从而轻易达到控制半导体冷端温度的目的。

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：一是环境温度适应范围：-20℃~55℃；二是惯性敏感元件所处的内腔空气的控制温度为45℃；三是内腔空气在控制温度点处的控制精度为±0.1℃。

3 半导体自循环水冷系统在惯导设备热设计过程中的注意事项

3.1 半导体制冷片的选择

基于帕尔贴效应，当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，吸热和放热的大小由通过的电流决定。放热和吸热的差值为半导体制冷片的输入功率。半导体制冷片冷端最大吸热量即为其最大制冷功率，它是设计时需要重点考虑的一个参量。

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度TC；然后初步估计半导体制冷片热端的温度Th。根据TC和Th值，结合半导体特性曲线，即可查出所选择的特定半导体制冷片的工作电流IC和制冷功率QC。

3.2 风路的设计

风路的设计是整个设备热设计的关键，它是设备内部的换热通道。风路设计要求风道形状简单，尽量不要有突变截面，最为关键的是风路要短。以便减小突变压力损失和沿程压力损失，获得最大通风量。

除水泵外，半导体自循环水冷系统尽量将冷板、半导体制冷片和冷端散热器集中放置在设备内部，并置于设备顶部以便利用冷热空气的自然对流加强空气的流通和热量的交换。

3.3 设备隔热处理

理想的换热模式是除半导体制冷片处，其余的地方都不参与热量的交换。但在实际的系统中不可能做到处处绝热，热量会通过设备的外壳与环境进行自然对流换热，也会通过设备的安装马脚进行热量的传导，这样的换热会大大增加温控的难度，降低半导体自循环水冷系统的制冷效率。

为提高半导体自循环水冷系统的制冷效率，需对以下三方面进行处理：

1）与环境有热量交换的壳体在外侧或内侧做好隔热防护；

2）半导体制冷片的冷端和热端做好热隔离，防止热短路；

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。

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现象。空气在特定湿度下都含有一定量的水蒸汽，在特定温度下通过焓值表可查到湿空气的结露点，即含水饱和点温度。当与湿空气接触的物体表面、空隙部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，如果热量交换不充分，就会使冷面的温度和设备内腔空气的温度差值达到湿空气的饱和点，从而发生结露。发生结露对设备会形成很不好的影响，处理不当会造成设备积水，器件短路进而整个系统不能正常工作。

因此，对半导体制冷系统结露现象的处理也是设计的一个关键，需要做好下面几个方面：

1）设备内腔要尽量完全密闭，避免与外界有空气交换；

2）设备内腔可以加装干燥剂，降低空气的湿度，从而提高饱和点温度；

3）半导体冷端的散热器要与内腔空气充分接触换热，避免冷端温度太低而结露；

4）若以上3点均不能消除设备的结露现象，可以加装导流装置，定时清理避免冷凝水在设备内部汇聚。

4 半导体自循环水冷系统的热仿真

本文将以现有某型惯导设备为对象，对半导体自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步，作为一种边界条件，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：一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。

4.2 设备有限元模型的建立

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，即在进行热流场分析时不考虑台体部件内部的温度变化。将台体部件看着一个热的黑盒子，台体部件的功耗加载在台体框架和均热罩上。

图1 系统模型示意图Fig.1 The diagram of system model

冷板、半导体制冷片以及冷端散热器和搅拌用的风机组合成一个完整的模块集中安装在温控门的顶部。冷板通过专用的水冷接头与进出水管连接，进出水管再连接到设备外部的水泵上。水泵端要求具备良好的散热功能，可以根据需要耗散的热量、环境温度的高低、半导体制冷片的制冷效率综合来考虑。

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，没有明显的空气死区，也不存在短路现象，基本能够保证整个内腔的空气形成一个完整的回路。

图2 系统流场模型示意图Fig.2 The diagram of direction flow for system model

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55℃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45℃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），此时可以得到制冷片最小的制冷功率为321 W。即在此种情况下，只要选用的制冷片制冷功率大于321 W就能实现控温。

图3 温度场模型（高温）Fig.3 Temperature field（high temperature）

4.4 低温端保温工作的措施

如图4所示，当环境温度为-20℃时，即使调整半导体制冷片的电流使半导体制冷片冷端温度升高到30℃，台体部件内腔平均温度仍只有32℃。此时半导体制冷片已相当于一个热源存在但还是不能达到内腔的温度控制要求，说明在低温端仅以设备自身的热量不能将台体部件内腔的温度维持在控制温度点，必须外加热源以便维持台体部件的内腔温度。

图4 温度场模型（低温）Fig.4 Temperature field(low temperature)

为了提高低温端的加热时间并且保证台体内腔温度的控制精度，拟对设备外加两级加热片（两级温控）：一级粗控加热片布置在外框加热罩上，用于快速加热；二级精控加热片布置在内框架的加热罩上，用于台体内部的精确温度调节。

为减小对台体内部温度的扰动并实现±0.1℃的控制精度，精控加热片的加热功率不能太大。在此先设定精控加热片加热功率为100 W，此时半导体制冷片停止工作。将台体内腔控制温度 45℃作为目标参量，粗控加热片的加热功率作为变量。温度场稳定后的模型如图5所示，此时计算得到的粗加热片的加热功率为166.5 W。

图5 温度场模型（外加负载）Fig.5 Temperature field（plus loads）

5 结 论

通过第4节的仿真分析，可以看出：设备自身发热量虽然达到了190 W，但在加装了半导体自循环水冷系统后，当环境温度即使升高到55℃时，设备安装惯性敏感器件的内腔部位的温度也能维持在 45℃以下。能较容易的实现高环境温度下的控温目的。

对于低环境温度下设备的保温可以采用传统的两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。

（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]杨盛林，刘昱，刘玉峰.惯性平台热场分析及热设计的改进[J].中国惯性技术学报，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.

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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

国防预研项目（51309030101）

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