一種四倍頻晶體溫控箱的溫度場(chǎng)分析

趙運(yùn)武，朱建平，連克難，文興全

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng) 621900）

0 引言

四倍頻晶體對(duì)溫度變化十分敏感，溫度變化0.5℃會(huì)導(dǎo)致其效率降低20%[1]，因此必須嚴(yán)格控制其溫度變化及溫度梯度分布。四倍頻晶體工作時(shí)需要置于溫控箱中，溫控箱的溫度控制精度指標(biāo)如下：1）溫度可在20～35℃之間調(diào)節(jié)，平衡時(shí)間小于12 h；2） 溫度控制精度≤±0.1℃；3）溫度的面均勻性≤±0.1℃；4）恒溫狀態(tài)下出現(xiàn)溫度擾動(dòng)時(shí)，重新平衡時(shí)間小于1 h。

溫控箱周圍的環(huán)境溫度在20～23℃之間波動(dòng)。擬采用的控溫方式為水浴控溫，利用銅管道內(nèi)循環(huán)的恒溫水調(diào)節(jié)其內(nèi)部溫度場(chǎng)，并利用隔熱材料制造的外殼減小其與外界的熱量交換，從而保證溫控箱的溫度場(chǎng)滿足穩(wěn)定性和均勻性的要求。為了在設(shè)計(jì)時(shí)分析溫控箱的控溫能力并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，利用有限元軟件ANSYS對(duì)溫控箱的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。

1 溫控箱的結(jié)構(gòu)

圖1 溫控箱結(jié)構(gòu)圖

溫控箱的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要由外殼、真空窗口、前后保溫段、晶體框和保溫管道組成。由恒溫水源產(chǎn)生的溫度變化范圍為±0.1℃的恒溫水流經(jīng)溫控箱內(nèi)的管道系統(tǒng)，通過(guò)與管道壁的對(duì)流換熱對(duì)溫控箱的溫度場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。溫控箱的傳熱方式主要有:保溫管道與前后保溫段、晶體框之間的熱傳導(dǎo)；內(nèi)部各部件之間的輻射以及與內(nèi)部空氣的對(duì)流換熱；外壁與外部空氣的對(duì)流換熱等。最終溫控箱內(nèi)部的溫度會(huì)不斷接近水溫直至平衡，通過(guò)調(diào)節(jié)水溫即能得到需要的溫度場(chǎng)。

溫控箱外殼材料由兩層1 mm厚的鋼板，中間填充厚度為20 mm的聚氨酯泡沫保溫材料構(gòu)成，晶體框和前后保溫段纏繞φ6的紫銅水管。紫銅的導(dǎo)熱系數(shù)大，能提高溫度調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度。

圖2 晶體框組件的溫升過(guò)程

2 大溫差調(diào)節(jié)的溫度場(chǎng)分析

為了保證溫控箱進(jìn)行大溫差調(diào)節(jié)的平衡時(shí)間滿足要求，計(jì)算了晶體框組件在大溫差調(diào)節(jié)時(shí)其溫度場(chǎng)的變化[2]。晶體的材料為KDP，導(dǎo)熱系數(shù)為1.1 W/(m·K)，比熱為234 J/(kg·K)，密度為2300 kg/m3；晶體框材料為鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為150 W/(m·K)，比熱為875 J/(kg·K)，密度為2770 kg/m3；管道材料為紫銅，導(dǎo)熱系數(shù)為401 W/(m·K)，比熱為385 J/(kg·K)，密度為8300 kg/m3。現(xiàn)需要將溫控箱整體的溫度從20℃調(diào)節(jié)到35℃，設(shè)定水源溫度為35℃，即水流入口溫度為35℃，而溫控箱的初始溫度為20℃,水流速度為3 m/s時(shí)其與管壁的對(duì)流換熱系數(shù)為1000 W/(m2·K)，空氣與晶體框組件的對(duì)流換熱系數(shù)為12 W/(m2·K)，并考慮前后保溫段和晶體框組件的熱輻射。計(jì)算得到晶體框組件的溫升過(guò)程如圖2所示。

圖3 360 s時(shí)晶體框組件整體的溫度

圖4 6000 s時(shí)晶體框組件整體的溫度

圖中顯示了晶體框組件溫度場(chǎng)最高溫度和最低溫度的變化過(guò)程。最高溫度在管壁上，最低溫度在晶體中心。管壁溫度上升極快，從20℃上升到35℃僅需要6 min，此時(shí)的晶體框組件的溫度場(chǎng)如圖3所示，晶體中心的最低溫度為21.14℃。

晶體中心溫度上升到34.9℃（達(dá)到控溫精度要求）所需時(shí)間約為6000 s，6000 s時(shí)的溫度云圖如圖4所示?？梢?jiàn)溫控箱進(jìn)行15℃的溫差調(diào)節(jié)所需時(shí)間不超過(guò)2 h，滿足控溫指標(biāo)要求。

3 晶體瞬時(shí)溫度波動(dòng)的調(diào)節(jié)過(guò)程分析

圖5 晶體框組件內(nèi)部生熱時(shí)的溫度調(diào)節(jié)過(guò)程

圖6 內(nèi)部生熱調(diào)節(jié)1.5 h時(shí)晶體框組件的溫度場(chǎng)

為了計(jì)算晶體發(fā)生溫度擾動(dòng)時(shí)溫控箱的平衡調(diào)節(jié)時(shí)間，分析了晶體瞬時(shí)溫度波動(dòng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，用晶體的內(nèi)部生熱作為溫度波動(dòng)的原因[3]。初始狀態(tài)為晶體框組件的平衡狀態(tài)，溫度為35℃，假設(shè)晶體內(nèi)部在第30 s時(shí)瞬時(shí)產(chǎn)生1000 J的熱量，晶體溫度突然升高，此時(shí)水管中仍然通入35℃的恒溫水，則計(jì)算得到晶體框組件的溫度調(diào)節(jié)過(guò)程如圖5所示。晶體的最高溫度上升到了41.84℃，經(jīng)過(guò)1.5 h的恒溫水調(diào)節(jié)，其最高溫度降到了35.08℃，達(dá)到溫度調(diào)節(jié)精度要求。此時(shí)晶體框組件的溫度云圖如圖6所示。

欲使溫度擾動(dòng)時(shí)其重新平衡時(shí)間小于1 h，主要有兩種方法[4]：1）減小晶體的生熱量。通過(guò)計(jì)算表明晶體的生熱量要求控制在240 J以內(nèi)才能使其在3600 s內(nèi)最高溫度下降到35.1℃以內(nèi)，該情況下晶體生熱使其最大溫度達(dá)到36.7℃。2）優(yōu)化控制策略。在晶體生熱其溫度急劇升高后，降低入水口的水流溫度，以增大水流與管壁的換熱功率，提高降溫速度，但這對(duì)恒溫水源的溫度平衡調(diào)節(jié)時(shí)間提出了較高的要求。

圖7 水溫波動(dòng)過(guò)程

4 水溫波動(dòng)對(duì)晶體框組件溫度場(chǎng)的影響

恒溫水源的水溫會(huì)在±0.1℃的范圍內(nèi)波動(dòng)，需要分析該波動(dòng)幅度對(duì)控溫精度的影響。晶體框組件的初始狀態(tài)為平衡狀態(tài)，溫度為35℃，水溫在34.9～35.1℃之間進(jìn)行波動(dòng)，水溫波動(dòng)按鋸齒狀進(jìn)行設(shè)定，如圖7所示，其變化周期為72 s，計(jì)算在此水溫變化下晶體框組件的溫度變化過(guò)程。

圖8 晶體框的溫度變化過(guò)程

圖9 晶體的溫度變化過(guò)程

晶體框和晶體的溫度變化曲線分別如圖8和圖9所示。晶體框最高溫升為0.058℃，相對(duì)于水溫的最高溫升0.1℃，其衰減了42%，晶體框的最高溫降為0.051℃，相對(duì)于水溫的最高溫降0.1℃，其衰減了49%，故取水溫波動(dòng)周期為72 s時(shí)晶體框溫度變化的衰減幅度為42%。衰減幅度越大，表明晶體框溫度的收斂性越好，越有利于晶體框的恒溫控制。

圖10 晶體框和晶體的溫度變化衰減幅度與溫度波動(dòng)周期的關(guān)系

用同樣的方法進(jìn)行分析，晶體溫度升高的衰減幅度為52%，溫度降低的衰減幅度為61%，故取晶體溫度變化的衰減幅度為52%。

繼續(xù)按以上方法進(jìn)行分析，水溫波動(dòng)幅度和形式不變，改變其波動(dòng)的周期，計(jì)算出在不同的波動(dòng)周期下，晶體框和晶體的溫度變化衰減幅度，結(jié)果如圖10所示。

從以上分析結(jié)果中可以看出，晶體框和晶體的溫度變化相對(duì)于水溫的波動(dòng)有一定的收斂性，水溫波動(dòng)周期越小，晶體框和晶體溫度變化收斂性越好。如果水溫的波動(dòng)范圍為±0.1℃，晶體框和晶體的溫度波動(dòng)必然在該范圍以內(nèi)，能滿足控溫精度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)四倍頻晶體穩(wěn)定工作對(duì)溫度的要求，利用ANSYS軟件對(duì)溫控箱的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，得到了溫控箱大溫差調(diào)節(jié)的溫度變化過(guò)程，晶體發(fā)生溫度擾動(dòng)的溫度調(diào)節(jié)過(guò)程，以及晶體框和晶體溫度變化相對(duì)于水溫波動(dòng)的收斂性。分析結(jié)果表明在水源溫度滿足要求的情況下，溫控箱能達(dá)到各項(xiàng)控溫精度指標(biāo)。

本文的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果可以為溫控箱的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。通過(guò)優(yōu)化溫控箱的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高控溫精度，保證四倍頻晶體的穩(wěn)定工作。

[1] 柯達(dá),翟蘇亞,王小蕾,等.腔內(nèi)四倍頻激光增強(qiáng)反射腔設(shè)計(jì)[J].激光技術(shù),2016,40(2):195-198.

[2] 袁征.KDP晶體離子束拋光理論與工藝研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2013.

[3] 紀(jì)良博.雙面平焊體生熱率熱源的有限元分析[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新,2016,3(1):33-37.

[4] YIANNOPOULOS A C.Thermal Stress Optimization in Metal Rolls[J].Journal of Thermal Stress,2007(18):423-435.