一种精密温控恒温箱研制
2017-12-19王甜刘鲁军丁飞胡城镇叶诚
王甜+刘鲁军+丁飞+胡城镇+叶诚
摘 要:文章介绍的是一种在户外环境工作且需精密温控的恒温箱。该恒温箱安装有两台热电制冷设备,其中一台与均温板相连,恒温箱设计为两级降温模式,通过一台热电制冷设备调节箱体内的空气温度,另一台与均温板相连并且将需精密温控的模块安装于均温板上部,对其进行温度的紧密控制。箱体选用铝材,箱体内壁及顶部都黏贴有保温材料,对箱体进行全面保温。另外,箱体整体考虑了密封设计、散热设计、减震设计及加工工艺。
关键词:恒温;密封;温控;保温
中图分类号:TB657 文献标志码:A 文章编号:2095-2945(2017)35-0016-02
1 恒温箱概述
恒温箱使用的环境温度为-40℃~50℃,箱体设计为矩形,尺寸为460×570×240mm,顶部有可拆卸盖板,材料选用铝板,箱体底部四角有固定安装孔。箱体总重量为25kg,两侧设计有把手,便于箱体的搬移及安装。箱体顶部和底部各有一台热电制冷模组,采用两级降温模式,一台用于降低箱体内部空气温度,另一台在次基础上控制对温度精度要求较高的设备温度的恒定。箱体内壁、底部及顶盖使用20mm隔热材料聚氨酯硬质泡棉进行隔热保温,保温材料表面黏贴铝制金属膜,利于内部冷风均匀传导。箱体设计为户外型,其连接器及热电制冷模组选用户外型产品,在对外接口位置设计有密封槽,密封槽内黏贴管型橡胶条,可有效密封防水,箱体外部设计有防雨罩,可有效防止雨水直接冲刷设备。
2 密封设计
恒温箱使用环境为户外,安装于车载式雷达天线转台外壁上,箱体在设计时考虑了整体密封防水性,防护等级可达到IP55。箱体对外的开口有四处,分别是顶部热电制冷模组,底部热电制冷模组、右侧连接器开孔和盖板开口处。顶部及底部热电制冷模组为户外型,防护性能为IP55,同时在热电制冷模组与箱体连接的位置设计密封槽,内置密封条,使用螺钉压紧橡胶条对箱体进行密封。箱体顶部盖板位置也设计有密封槽,通过盖板螺装压紧以达到防水目的。对外连接器选用气密型连接器,连接器法兰设计有密封圈,可有效防止雨水进入箱体。同时箱体外部制冷器设计有防雨罩,可防止大雨的直接冲刷,解决了制冷单元外部防雨的问题;恒温箱内壁安装有多个模块,内壁设计为7mm,分布有多个盲孔,模块使用螺钉固定于內壁上,盲孔的设计可以方便设备的安装,也能够保证箱体内部的密封性。
3 热设计
3.1 方案概述
为保证系统能正常工作,系统采用两级恒温措施。第一级通过一个AA型(Air-to-Air Systems)热电制冷模组控制盒体内部温度在40℃±10℃范围内,第二级把几个需要恒温的模块固定在均温板上,通过一个DA型(Direct-to-Air Systems)热电制冷模组控制均温板的温度在35℃±0.5℃。
3.2 热电制冷模组选型
盒体内部总发热量共计90W,盒体与外界环境在温差20℃时的热泄漏,ΔT=30W,因此需要选择一款内外温差≤20℃时制冷量≥120W的热电制冷器来调节盒体内部空气的温度。
AA型热电制冷模组是一款户外产品,ΔT在20℃时,制冷量达到130W,因此它能够满足恒温箱所需的温度要求。它可以根据温度的变化来转换冷暖,调节温度,它的TEC两端各放置一块翅片,在翅片顶端各有一片风扇,通过风扇把翅片的热量或者冷量带走,从而对周围的环境进行加热或者冷却。它的最大制冷量达到244W,最大制热量达到250W,采用24V直流电,最大电流12.1A,重量6.3kg。
壳体内安装有均温板且装配了四个需要恒温的模块,其总发热量共计21.9W,因此需要选择一款内外温差≤20℃时制冷量≥22W的热电制冷器来调节均温板的温度。根据效率曲线图, DA型热电制冷模组,ΔT在20℃时,制冷量可达到36W,它能够满足恒温模块所需的温度要求。DA型热电制冷模组只有热端装有翅片和风扇,冷端直接紧贴发热元件并对其进行冷却。它的最大制冷量达到71W,采用24V直流电,最大电流4.6A,重量1.7kg。
3.3 均温板选型
均温板结构如图1所示,主要由密封容器腔、支撑柱、毛细结构及工作流体组成。腔体通过填充工作流体并抽真空的方式给予腔体内一低压真空环境后进行密封,其中腔体受热部分称为蒸发区,与热沉进行热交换的部分称为冷凝区。工作流体蒸发区吸收热量汽化并迅速扩张至整个腔体,在冷凝区放出热量冷凝成液态,液态工质通过毛细结构返回蒸发区,如此循环实现热量的快速传递。
均温板性能指标如下,导热系数≥5000W/mk,最大热流密度:150W/cm2,最小厚为1.5mm。壳体材料选用铝合金。其工作温度范围为-60~150℃。受恒温箱的结构形态和布局影响,选用L型均温板,均温板一面放置需要恒温的四个模块,另一面紧贴TEC制冷单元冷面。
3.4 泡棉的选择
恒温箱内能否达到温度范围要求,保温材料有着关键的作用。保温材料的材质、使用温度、导热系数等都需要进行严格的筛选。
表1给出一些隔热材料的特性。
根据到上述条件,考虑到恒温箱的实际使用条件,决定选择聚氨酯硬质泡沫作为恒温控制系统的隔热材料,厚度选用20mm,它的导热系数小,使用温度范围广,抗压强度适中,能起到很好的隔热保温效果。恒温箱内的隔热泡沫紧贴于箱体内壁,泡沫上有很多形状不同的安装孔,为了保证安装精度,泡沫的加工也需要精度的保证。选用的泡沫材质较为紧密,硬度较强,可以进行机械加工成各种形状,并且精度能够达到所需要求。另外为防止热泄露,在泡沫挖孔面积较大处,在设备安装后根据空缺的形态,加工合适的泡沫进行填补,同时在泡沫连接处有缝隙的位置,使用铝制胶黏贴,基本对箱体内部保温的做到完全的防护。
4 加工工艺
恒温箱在材料选择上选用铝板,箱体尺寸较大,传统铝块机械加工方式费用偏高,效率极低,不适合该箱体的加工,因此考虑选用搅拌摩擦焊的加工方式。它是一种新型的但较为成熟的焊接方式其主要有以下优点残余应力低、不易变形、操作简单、能耗抵且效率高,焊接处的强度可达到母材的85%以上。
矩形箱体的焊接,首先需要对箱体进行拆分,将箱体拆分为五个零件,即左壁、右壁、上壁、下壁、底部,首先将五个零件进行机械加工成型,再将壳体的四壁焊接成型,最后将壳体底部与四壁焊接,焊接完成后再对局部进行加工最终完成壳体的焊接。箱体选用搅拌摩擦焊透率较高、焊缝强度高,加工效率高,成本适中,焊接成型后箱体的平面度能够控制在0.1mm以下,而且焊缝成形美观、能够达到设计的技术要求。
5 温度控制设计
箱体内部装配有温度控制模块,该模块与两个热电制冷器以及箱体内部的四个温度传感器相连。温度传感器对箱体内部各个点的温度进行监测,将温度回传至温控模块,根据反馈结果来控制热电制冷器对温度进行适宜的调节。
6 结束语
本文分别从密封设计、热设计、工艺及温度控制这几个方面对雷达接收系统恒温箱进行综合设计。恒温箱的关键指标在于温度的恒定精度,本文的创新性在于通过两级温控的模式对箱体进行综合降温,分别通过使用不同功能的热电制冷器,并配合均温板,来实现温度的高精度恒定控制。接收系统恒温箱在加工工艺上创新性的使用搅拌摩擦焊的方式进行加工,在保证强度和密封性的条件下提高了加工效率、节省了成本,同时也更加环保。在温度控制设计上,采用模糊PID控制算法来实现温度的恒定。
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