某觀測(cè)設(shè)備恒溫裝置及其熱設(shè)計(jì)

摘 要：當(dāng)前技術(shù)創(chuàng)新、科技進(jìn)步日新月異，恒溫技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。恒溫技術(shù)是目前研制某觀測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，恒溫指標(biāo)、恒溫精度直接影響到該觀測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)總體指標(biāo)，為此，研制了一種恒溫裝置，并對(duì)該恒溫裝置的結(jié)構(gòu)形式、熱設(shè)計(jì)、制冷單元、加熱單元、恒溫控制等作詳細(xì)闡述，給出了設(shè)定條件下制冷單元的熱力學(xué)仿真、加熱單元的熱設(shè)計(jì)分析，通過優(yōu)化相應(yīng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，優(yōu)化了總體設(shè)計(jì)，提高了恒溫裝置總體性能。

關(guān)鍵詞：恒溫；制冷單元；加熱單元；熱設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH122" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2023）18-0046-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.18.012

0" " 引言

恒溫裝置，無論外界環(huán)境溫度如何變化，其內(nèi)部空間溫度為恒定值，溫度恒定值可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定。要實(shí)現(xiàn)恒溫裝置內(nèi)部溫度恒定，就要根據(jù)實(shí)際需求采用加熱或制冷技術(shù)對(duì)恒溫裝置內(nèi)部加熱或制冷。目前，加熱技術(shù)主要有半導(dǎo)體加熱、電阻絲加熱等，半導(dǎo)體加熱效率相對(duì)較低，本次設(shè)計(jì)采用電阻絲加熱技術(shù)。制冷技術(shù)主要有半導(dǎo)體制冷、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻等[1-2]，液體冷卻和蒸發(fā)冷卻體積大，占用空間大，不適應(yīng)小型化設(shè)備；半導(dǎo)體制冷相對(duì)機(jī)械制冷有很多優(yōu)點(diǎn)，如噪聲低、維修方便、可靠性高、不需要制冷劑、環(huán)保等。半導(dǎo)體制冷技術(shù)的制冷量和冷卻速度可通過改變電流大小而隨意調(diào)節(jié)，很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，體積小、重量輕，特別適用于各種小型化器件與儀表的冷卻。本次恒溫裝置設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)。

恒溫裝置主要是針對(duì)某觀測(cè)系統(tǒng)而研發(fā)的一種新型設(shè)備，隨著我國對(duì)高空、深空探測(cè)的研究越來越深入、越來越廣泛，恒溫技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，該技術(shù)必將取得更多、更大發(fā)展。

1" " 恒溫裝置

恒溫裝置由制冷單元、加熱單元、恒溫箱體、溫度傳感器、恒溫控制單元等部分組成，如圖1所示。恒溫裝置內(nèi)部溫度恒定值為（42±0.2）℃。

制冷單元由冷端、半導(dǎo)體制冷片、熱端組成，冷端在恒溫裝置腔體內(nèi)部，熱端在恒溫裝置外部，與周圍環(huán)境相通，便于通風(fēng)散熱。

加熱單元是恒溫控制的加熱執(zhí)行單元，由電加熱絲、熱容片、風(fēng)扇等組成。

恒溫箱體主要起支撐和保溫作用，由框架和保溫材料組成。保溫材料采用EVA絕熱材料，可減少和降低恒溫裝置與外界環(huán)境的熱交換。

溫度傳感器，用來檢測(cè)恒溫箱體元件溫度和恒溫箱體內(nèi)溫度，作為恒溫控制單元控制的依據(jù)。

恒溫控制單元由DSP TMS28335及相關(guān)控制電路組成，負(fù)責(zé)溫度采集、加熱/制冷判斷、控制加熱裝置或制冷裝置工作。

2" " 制冷單元熱設(shè)計(jì)

制冷單元是恒溫裝置的核心單元，制冷效率直接影響恒溫裝置恒溫性能，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)制冷單元顯得尤為重要。

2.1" " 制冷單元結(jié)構(gòu)

制冷單元熱端和冷端都有風(fēng)道散熱系統(tǒng)，風(fēng)道散熱系統(tǒng)可以將制冷片的熱量盡快傳遞到外界環(huán)境中，減少因制冷單元熱端產(chǎn)生的熱量引起的箱體內(nèi)溫度升高，影響恒溫控制效果。冷端散熱系統(tǒng)主要包括冷端風(fēng)道、冷端風(fēng)扇、冷端散熱片，熱端散熱系統(tǒng)主要包括熱端散熱片、熱端風(fēng)扇、熱端風(fēng)道等，如圖2所示。

將半導(dǎo)體制冷片夾在冷端散熱片和熱端散熱片之間，用尼龍螺釘固定冷端散熱片和熱端散熱片。同時(shí)，在半導(dǎo)體制冷片與冷/熱端散熱片接觸面上涂抹導(dǎo)電硅膠，提高半導(dǎo)體制冷片與冷/熱端散熱片間的傳導(dǎo)性能。

冷端散熱片和熱端散熱片間的其余間隙由絕熱材料填充，防止冷端散熱片和熱端散熱片傳導(dǎo)或輻射熱量，它們間的熱量交換只能通過半導(dǎo)體制冷片。

2.2" " 冷端熱力學(xué)仿真

利用熱分析軟件FloEFD建立制冷單元冷端模型，并輸入冷端風(fēng)扇參數(shù)以及半導(dǎo)體制冷片參數(shù)，冷端風(fēng)道、冷端散熱片設(shè)為硬鋁，壁面條件為粗糙表面，初始溫度為50 ℃（夏季恒溫裝置內(nèi)部溫度可達(dá)50 ℃），冷端散熱片熱力學(xué)仿真圖如圖3所示。

可以看出，冷端散熱片最高溫度集中在熱源（半導(dǎo)體制冷片）附近，最高溫度為56.43 ℃。冷端散熱片流體出口處固體溫度為42.54 ℃，流體出口溫度最大為40.86 ℃，也就是冷端散熱片流體出口溫度最大為40.86 ℃，要使恒溫裝置內(nèi)部溫度達(dá)到（42±0.2）℃，需要制冷單元多次制冷循環(huán)。

2.3" " 熱端熱力學(xué)仿真

制冷單元熱端在恒溫箱外部，空間相當(dāng)大，而且進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口成直線或平行狀態(tài)，同時(shí)為了增加熱端風(fēng)扇流量，熱端風(fēng)扇選用3個(gè)同型號(hào)軸流風(fēng)扇，選用臺(tái)灣建準(zhǔn)集團(tuán)生產(chǎn)的風(fēng)扇。

利用熱分析軟件FloEFD建立制冷單元熱端模型，并輸入熱端風(fēng)扇參數(shù)以及熱源功率（熱源功率應(yīng)等于冷端半導(dǎo)體制冷片制冷功率），熱端風(fēng)道、熱端散熱片設(shè)為硬鋁，壁面條件為粗糙表面，初始溫度為35 ℃（夏季外界環(huán)境溫度），熱端散熱片熱力學(xué)仿真圖如圖4所示。

可以看出，熱端散熱片最高溫度集中在熱源（半導(dǎo)體制冷片）附近，最高溫度為72.13 ℃，流體出口溫度最大為40.05 ℃，流體出口處固體溫度最大為53.46 ℃。

2.4" " 制冷單元熱設(shè)計(jì)

假定夏季恒溫裝置內(nèi)部溫度可達(dá)50 ℃，要使恒溫裝置內(nèi)部溫度穩(wěn)定在42 ℃，制冷單元開始工作，制冷單元需要吸收的熱量就是恒溫裝置內(nèi)部溫度降低8 ℃時(shí)所釋放的總熱量，如表1所示。

制冷單元共有4個(gè)半導(dǎo)體制冷片，每片功率為80 W。制冷單元全功率工作，使恒溫裝置內(nèi)部溫度從50 ℃降低到42 ℃所需時(shí)間T為：

可見，當(dāng)恒溫裝置內(nèi)部溫度50 ℃與目標(biāo)溫度相差8 ℃時(shí)，制冷單元開始全功率工作，大約18 min后可使恒溫裝置內(nèi)部達(dá)到目標(biāo)溫度（42 ℃），隨后，在恒溫控制單元控制下，恒溫裝置內(nèi)部維持在（42±0.2）℃，保持恒溫裝置內(nèi)部溫度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，達(dá)到恒溫目的。

3" " 加熱單元熱設(shè)計(jì)

加熱單元是恒溫裝置的加熱執(zhí)行單元，雖然半導(dǎo)體制冷片具有加熱功能，但半導(dǎo)體制冷片加熱效果要比電加熱絲弱，因此加熱單元的加熱體選用電加熱絲。為使恒溫裝置內(nèi)部溫度穩(wěn)定、持續(xù)，加熱單元還設(shè)計(jì)有熱容片、風(fēng)扇，每個(gè)加熱單元由電加熱絲、熱容片、風(fēng)扇組成，恒溫裝置內(nèi)有兩個(gè)加熱單元。

假定冬季恒溫裝置內(nèi)部溫度為10 ℃，要使恒溫裝置內(nèi)部溫度穩(wěn)定在42 ℃，加熱單元開始工作，使恒溫裝置內(nèi)部溫度升高32 ℃，則恒溫裝置內(nèi)部達(dá)到42 ℃（溫度升高32 ℃）所需的熱量如表2所示。

兩個(gè)300 W的加熱絲，當(dāng)恒溫箱內(nèi)部溫度與目標(biāo)溫度相差32 ℃時(shí)，使其達(dá)到恒定目標(biāo)溫度工作所需時(shí)間T為：

可見，當(dāng)恒溫裝置內(nèi)部溫度與目標(biāo)溫度相差32 ℃時(shí)，加熱單元開始工作，大約38 min可使恒溫裝置內(nèi)部達(dá)到目標(biāo)溫度（42 ℃），隨后，在恒溫控制單元控制下，恒溫裝置內(nèi)部維持在（42±0.2）℃，保持恒溫裝置內(nèi)部溫度動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，達(dá)到恒溫目的。

4" " 恒溫控制單元

恒溫控制單元恒溫控制流程如圖5所示，根據(jù)加熱/制冷判斷結(jié)果，如果加熱標(biāo)志位為1則進(jìn)行加熱控制，當(dāng)目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度差超過10 ℃時(shí)，加熱單元全功率工作，當(dāng)目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度差在10 ℃內(nèi)時(shí)，利用PID算法計(jì)算出控制量。如果指令標(biāo)志位為0，啟動(dòng)制冷裝置，散熱風(fēng)扇全功率工作，制冷單元根據(jù)目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度大小進(jìn)行相應(yīng)控制，當(dāng)目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度差超過10 ℃時(shí)，制冷單元全功率工作，當(dāng)目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度差在10 ℃內(nèi)時(shí)，利用PID算法計(jì)算出控制量。

5" " 恒溫箱體結(jié)構(gòu)

恒溫箱體為一六面體結(jié)構(gòu)，由鋁材成型骨架及六面安裝板組成，六面安裝板可隨時(shí)拆卸，安裝板與鋁型材骨架間設(shè)計(jì)有密封件，以確保恒溫箱體的密閉性。其六面安裝板均由外板及內(nèi)板（保溫板）組成，其中一側(cè)安裝板安裝有電路控制所需的接插件及接地端子，此板對(duì)側(cè)的安裝板安裝有制冷單元，其余四面安裝板不安裝任何器件。恒溫箱體外形尺寸為：長420 mm，寬290 mm，高370 mm。

恒溫箱體主要起保溫和支撐作用，既要保溫效果好又要有良好的剛度與強(qiáng)度，同時(shí)由于使用環(huán)境空間限制，其體積及重量應(yīng)盡量小、輕。因此，在恒溫箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇時(shí)，應(yīng)選擇具有比重輕、強(qiáng)度與剛度高、導(dǎo)熱系數(shù)小等特點(diǎn)的材料。

恒溫箱體內(nèi)在布置加熱單元、元件、制冷單元時(shí)，應(yīng)便于恒溫箱內(nèi)空氣流動(dòng)，盡量減少流動(dòng)阻力，在容易形成流動(dòng)死角位置布置風(fēng)扇，散熱片散熱齒應(yīng)與空氣流動(dòng)方向順向[3]。

6" " 結(jié)論

在研究過程中，應(yīng)用熱力學(xué)仿真分析、熱設(shè)計(jì)以及電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等理論知識(shí)，不斷優(yōu)化、完善恒溫裝置結(jié)構(gòu)模型及相應(yīng)元件的參數(shù)，完成恒溫裝置樣機(jī)試制，并完成相關(guān)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該恒溫裝置性能穩(wěn)定可靠，恒溫精度高，體積小、重量輕，滿足某觀測(cè)設(shè)備恒溫系統(tǒng)使用要求，從而使某觀測(cè)設(shè)備總體指標(biāo)大大提高。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王健石，朱炳林.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)工程師手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

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[3] 買買提明·艾尼，陳華磊.ANSYS Workbench 18.0工程應(yīng)用與實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

收稿日期：2023-05-15

作者簡(jiǎn)介：樊愛云（1965—），女，河南內(nèi)黃人，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

牟長軍（1980—），男，黑龍江大慶人，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

彭浩宸（1988—），男，山東青州人，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。