高温水环境下摄像头机芯的半导体冷却结构和实验研究

刘芙蓉 盘潇潇 李宜全 袁显宝 胡 涛 李 响 陈保家

(1.三峡大学 湖北省水电机械设备设计与维护重点实验室,湖北 宜昌 443002;2.三峡大学 机械与动力学院,湖北 宜昌 443002;3.中核武汉核电运行技术股份有限公司,武汉 430223)

核电厂换料水池水温高达(55±3)℃,且具有强辐射性,属于人员不可达区域,只能通过视频检查技术进行检测.但在视频检查时,摄像头机芯会产生热量,若热量不能及时传到外界会使机芯工作环境温度过高,信噪比和灵敏度降低,图像的画质变差,甚至会停机.为了使机芯能在正常温度下工作,满足现场使用要求,本文对相机制冷进行了研究,为其加装制冷装置.

目前,可见光相机多采用半导体制冷技术进行制冷,具有代表性的设备厂商主要有意大利DTA公司和美国ROPER公司,国内的浙江大学、中科院长春光机所等单位在这方面也有相应的研究,但均处于试验阶段,市场尚无成熟的国产制冷相机产品出现.张超[1]等提出了制冷型低照度CMOS相机的各项设计要求,确定了成像系统整体结构;王兵等[2]对基于半导体制冷的CCD相机硬件进行了设计,设计了半导体制冷器的传热和散热结构;颜玲等[3]利用半导体制冷原理设计了CCD天文相机制冷腔的机械结构.刘鹏[4]利用肋片风扇散热器对LED汽车前照灯进行扇热设计等.由前人研究可知,半导体制冷片在电子元器件的制冷方面应用广泛,尤其在体积小、结构简单的设备中更具有优势.本文在前人对散热器研究的基础上选用热管散热器和铝制散热器进行试验研究.虽然已有诸多学者对制冷相机进行了研究,但这些相机大都应用在空气中,还未曾涉及到在高温水下利用半导体对相机进行制冷,也没有为高温水下半导体制冷片的散热选择合适的散热器.

因此,本文针对核电厂的实际检查环境,利用半导体制冷片对机芯的制冷结构进行了实验研究,并在室温空气中和高温水环境下对热管散热器和铝制散热器进行散热效果对比,在模拟现场机芯发热的条件下研究半导体制冷片的制冷效果.试验表明半导体制冷片和散热器的使用能够使机芯的工作温度维持在正常温度范围内,从而解决了核电厂换料水池高温区域视频检查摄像头的停机问题,为核电厂高温水下视频检查提供可靠的技术支持.

1 半导体制冷原理

半导体制冷又指温差制冷,是帕尔贴效应在制冷技术的应用.如图1所示,将N型和P型半导体材料连接组成热电偶对,每一对热电偶之间通过金属电极相互串联,再在上下电极外侧增加陶瓷基片即构成热电制冷器.当接通直流电后,电荷从P型材料移动到N型材料时从外界吸收能量,在接头处形成冷端;反之,便释放能量,形成热端.该制冷方式简单可靠,体积小、重量轻,没有机械运动部件[5],非常适合水下摄像头的应用.

图1 半导体制冷原理图

若设Qc为冷端制冷量,半导体制冷片工作电流为I,半导体温差电动势率为S,半导体热端温度为Th,冷端温度为Tc,冷热端温差ΔT,电偶对总电阻为R,半导体的总热导为K,热电偶对数为N,αP为P型材料的温差电动势率,αN为N型材料的温差电动势率,半导体制冷片两端电压为V,Qh为热端的散热量[6],则有如下半导体冷端热量和热端热量公式:

从上述公式,接通电源后冷热面出现温差,热量会不断从冷端传送到热端.本文利用该原理,使半导体制冷片的冷面靠近机芯,热面与散热器接触,只要热量能通过散热器有效散发掉就能降低机芯工作环境温度.

2 试验装置与方法

2.1 室温空气中试验

试验装置如图2所示,主要包括热管散热器、铝制散热器、保温棉、半导体制冷片、直流调压电源、铜制蓄冷盒、SIN-T6温度计、3M8810双面导热胶纸、不锈钢密闭容器(起装置防进水和导热作用).其中铝制散热器采用铝合金材料制成,这种散热器具有重量轻、散热效果好、节能、耐用、成本低的特点,其实用性和经济性都超过铜散热器.

图2 试验装置布局

图2中散热器与不锈钢密闭容器外壁紧密贴合,半导体制冷片的热端与不锈钢密闭容器内壁紧密贴合,半导体制冷片的冷端与铜制蓄冷盒外壁紧密贴合,所有贴合处均通过导热胶纸粘接,保温棉填充在不锈钢密闭容器与蓄冷盒空隙中,SIN-T6温度计探头位于铜制蓄冷盒内,并用固定弹簧保证温度探头与铜质蓄冷盒不直接接触.用SIN-T6温度计记录温度试验数据,每隔60 s采样一次,绘制温度曲线图.

本阶段试验在空气中室温条件下进行,分别将半导体制冷片工作电压设为8、7、6、5、4、3 V,得到制冷片工作电压与制冷效果的关系,在制冷效果较佳的工作电压的基础上对比铝制散热器和热管散热器的散热效果,为后续试验做准备.

2.1.1 工作电压与制冷效果试验

由图3可知,在3～8 V电压对比试验中,4、5 V电压的温度曲线都是先下降后趋于平稳,电压为4 V时降温幅度最大、效果最好,其他电压的温度曲线很快就出现明显的上升趋势,这说明半导体制冷片的工作电压并不是越大越好,当采用同一种散热器(散热强度不变)时,增大电压,电偶臂产生的焦耳热也更多,热量不能及时散发出去使局部温度上升,热量会从半导体制冷片热端传递到冷端,反而使得制冷片冷端温度升高[7].

图3 工作电压与制冷效果试验

2.1.2 铝制散热器和热管散热器对比试验

将工作电压分别设为4、5、6 V,比较室温空气中的铝制散热器和热管散热器散热效果,并绘制温度曲线如图4所示.由图4可知,在这3种工作电压条件下热管散热器温度曲线逐渐下降并趋于平缓,铝制散热器温度曲线先下降后上升,说明热管散热器散热效果远超过铝制散热器,其中4 V时半导体制冷片制冷效果最好.

图4 空气中铝制散热器和热管散热器对比试验

室温中实验确定了文中半导体制冷片的较佳工作电压,为后续实验提供了依据.实验还验证了室温空气条件下,热管散热器散热效果优于铝制散热器.

2.2 高温水中试验

该阶段试验装置比上一阶段增加了塑料水箱、电加热器、EB-302多功能潜水泵和一个SIN-T6温度计,装置如图5所示.

图5 高温水中实验装置图

在一个长480 cm、宽400 cm、高350 cm的塑料箱中装进大约250 cm高的水,将第一阶段的实验装置浸没在水箱内,用电加热器加热水箱内的水且控制水温在(55±3)℃,在水箱内放置一个EB-302型号的多功能潜水泵模拟核电厂水下区域的水流环境,用SIN-T6温度计1和SIN-T6温度计2分别记录塑料箱内的水温和铜制蓄冷盒内温度,每隔60 s记录一次,并绘制温度曲线.本阶段试验将半导体制冷片电压设为4、5和6 V,对比(55±3)℃热水中的热管散热器和铝制散热器的散热效果,温度曲线如图6所示.

由图6可知,在3种供电电压条件下,(55±3)℃热水中采用铝制散热器时的温度曲线下降速度更快、幅度更大,说明其散热效果均优于热管散热器.半导体制冷片在5 V时制冷效果最佳,能使机芯内工作环境温度由(55±3)℃降至37℃左右,满足机芯的正常工作条件.因此,下一阶段试验优选铝制散热器,半导体制冷片选用5 V供电电压.

2.3 高温水中模拟发热实验

如图7所示,在高温水中实验装置的基础中,在蓄冷盒内增加水泥发热电阻模拟机芯发热,并增加一个直流调压电源为电阻供电,其他实验装置不变.由于工程实践中使用的相机的发热功率大约为2 W,故采用4个0.25Ω的水泥发热电阻串联(1Ω的电阻),电源电压设为2 V,电流设为1.17 A,则电阻产热功率约为2 W,由此模拟机芯工作发热量.

图7 增加发热电阻装置图

本阶段试验增加机芯发热模拟件,选用铝制散热器,半导体制冷片供电电压为5 V,为了验证半导体制冷片的应用可以有效控制高温(55±3)℃水中摄像头工作环境温度.

本阶段试验1是当铜制蓄冷盒内温度约为21.4℃时将不锈钢容器内的装置连同铝制散热器一并放入(55±3)℃热水中,同时给机芯模拟件提供2 V的电压,由SIN-T6温度计记录蓄冷盒内温度,可验证在(55±3)℃水环境中,只有机芯模拟件工作时蓄冷盒内的最高温度.

本阶段试验2是当铜制蓄冷盒内温度约为21.4℃时将不锈钢容器内的试验装置连同铝制散热器一并放入(55±3)℃热水中,同时给半导体制冷片和机芯模拟件分别提供5 V和2 V的电压,由SIN-T6温度计记录蓄冷盒内温度,可验证在半导体制冷片和机芯模拟件同时工作情况下,蓄冷盒内的最高温度.

两次试验的温度曲线如图8所示,由图可知在(55±3)℃水中,两次试验的温度曲线都是先上升后趋于平稳,其中前一次试验的稳态温度约为70℃,第二次试验的稳态温度约为54℃.

图8 模拟机芯工作时半导体制冷片的制冷效果

试验说明只有机芯工作时,其工作环境温度会上升到大约70℃,在该温度下机芯会严重损坏,不能完成视频检查工作;增加半导体制冷片后,温度能有效控制在54℃左右,低于机芯的工作极限温度(60℃),能够保证机芯的正常工作.

3 结 论

通过试验验证了半导体制冷片的制冷效果并不与电压成正比,制冷片热端的散热效率越高,制冷效果越好;在空气中热管散热器的散热效果远远优于铝制散热器,但是在(55±3)℃热水中,铝制散热器的散热效果反而超过了热管散热器,这说明要根据不同的工作环境选用适合的散热器;试验验证了半导体制冷片的应用可以有效控制(55±3)℃水环境中摄像头工作温度,应用该技术可以解决核电厂换料水池高温水下区域视频检查时的停机问题.