（电路与系统专业论文）密封仪器仪表的散热研究及温控系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

谣北大学硕士学位论文 中义摘要 摘要 随羞餐缝仪器玟表不凝耱枣鍪键、轻爨凭，密骜纹嚣仪表戆热浚密菠疆豢数l 蘸逐 滤增长，大量热量聚集在密封仪表内部将赢接影响仪畿的可靠性，合理有效的散热方法 才陡从根本上解决这些问题。 本文结会簸海、靛空及靛天等军攀巍鼷领域疼枣瑟仪器纹表戆特点，对且耱斑矮在 密甜仪器仪表上的散热方法进行了分析比较，提出以半导体制冷技术与冷板技术相结合 的混合散热方法；并以单总线数字温度传感器作为温度测量单元，以半导体制冷器作为 羧露攀元，侵攒萃冀壤终梵燕控裁器设诗了湛疫搂凝控裁系统。该系统采霜熬爨潺豢l ( p w m ) 的功率控制方式。经过对系统的试验设计测试，证明半导体制冷器结合冷板 的敬热方法可以有效地解决密封仪器仪表对散热的特殊要求，实现了散热静音化，提高 了系统熬霹靠镶，延长了密封仪器纹表黪馊霸寿禽。謦慧线数字滠发媾感器获予撬麓力 强、接1 ：3 简单，从而提高了系统的铡控精度。模糊控制理论的应用傥该温度控制系统具 有较好的稳定j 隧。 笑键谣：密封；敬热；半警棒铡冷；模糊控制；溢发控铡 两北大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nv i e wo ft h er a p i di n c r e a s ei nt h e m i n i a t u r i z a t i o n ，l i g h t w e i g h to fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t i n c r e a s e dh e a t f l u x e sp o s eam a j o rc o m i n gc h a l l e n g ei ne l e c t r o n i ci n s t r u m e n te n c l o s u r e a m o t m _ io fh e a ta c c u m u l a t i o nd i r e c t l yi n f l u e n c e st h er e l i a b i l i t yo ft h ei n s t r u m e n t t om e e tt h e c h a l l e n g es i g n i f i c a n tc o o l i n gt e e l m o l o g ye n h a n c e m e n t sw i l lb en e e d e d 。 t h i sa r t i c l ef i r s t l ya n a l y z e sa n d m p a r e sd i f f e r e n tk i n d so fh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g i e s o fp r e s e n ta p p l i c a t i o n si ns e a l e de l e c t r o n i ci n s t r u m e n t c o n s i d e r i n gs p e c i a lr e q u i r e m e n to f e l e c t r o n i ce n c l o s u r e si nn a u t i c a la n da e r o n a u t i ca p p l i c a t i o na r e a s ，p e l t i e rc o o l i n gt e c h n o l o g y m i x e du pw i t hc o l dp l a t et e c h n o l o g yi s p r e s e n t e d + a l s o ，1 - w i r ed i g i t a lt h e r m o m e t e ra s t e m p e r a t u r ep r o b e , ：am i c r o p r o c e s s o rb a s e df u z z yt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d 。t h e s y s t e ma d o p t sp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) a sp o w e rc o n t r o lm e t h o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h es p e c i a lh e a td i s s i p a t i o nn e e d so fs e a l e di n s t r u m e n ta r es a t i s f i e d 。f u r t h e r m o r e i n t e r f e r e n c e - f r e ef e a t u r ea n dm e a s u r e m e n tc o n t r o lp e r f o r m a n c eh a v eb e e ne n h a n c e db y u s i n g d i g i t a lt e m p 钳a t m es e 】f l s o rt o g e t h e rw i t hf u z z yc o n t r o lt h e o r y i nc o n c l u s i o n ，t h es 弹t e mp o s e s a d v a n t a g e so fn on o i s e 、h i 痨r e l i a b i l i t ya n dl o n gl i f e 。 k e yw o r d s ：s e a l e d ；h e a tt r a n s f e r ：t h e r m o e l e 穗f i cc o o l i n g , f u z z yc o n t r o l ：t e m p e r a t u r ec o n t r o l 西曩匕大学学位论文螺识产极声瞬书 本人党龛了解学棱鸯笑僚护舞豁 产权瓣援定，辈：磅究生程梭坟读学像期阗论文王 撵熬躲谈产投肇爱属予嚣大学。擎控蠢龊傈螫辨巍溪家毒关帮露藏枫麴邀交谂文懿复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数攒麾进行糗索，可以采粥影印、缩印域掴撼等复制手段绦存和汇编本学位论 文。同蟊寸，本人傈证，毕致赢结合学位论文研究课题辫撰写的文露一律注鞠作者单位为 疆j & 大学。 保蜜耋裹篡萎磊霎蓁霎_ 三；i i ：宴l 正指捋教师签名孓i l 至：童耋主生学位论文作者签名：造童熟指捋教师签名：= ( ) 芝芷。 蚪箩年苦月鬈目 加卵舌罔6 醴 西j 艺必学肇位论文猿钢性摹鞲 零太声骥：爨呈交戆学经论文怒奉入在导爨攫导下述牙懿鹾究王俸及彀褥瓣疆究残 暴。据我艨辩，除了文孛特燃热班搽注秘致瀑懿遮蠢转，本论文不惫含其稳人溅经发袭 或撰写过的研究成果，也不包含为获得瑙北大学戚其落教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工棒的间恚对本研究所傲的任俺贡献均己在论文中作了明确豹说明并 旋示谢意。 学位论文终老签襄：逸量焘 雌r 年曩萝基 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 写l 言 第一章绪论 隧羞科学技术舱迅獯发展和应用环境的鼹趋复杂，仪器仪表精密化、岛动化、规模 化和小型忧的稷发越来越离，使得仪器仪袭的单位功率密度迅速增长。匿前鼹予仪器设 套发展有嚣大趋势，一惑功戆斡不断壤加与工传效攀麴不敝提离；二是仪器设备不甄戆 短套轻薄耽。藏增麴凌麓笱疆离芏作效率嚣富，激凌行静半导傣技术，藏必矮不赣提崮 集成嚷路翡晶髂餐密度每王终频率，这样辩魄麓凌率豹嚣求更大，撵密豹热豢也更多。 另外，短小轻薄意味者仪器内部空间会非常狭窄，散热相对更加困难。据报邋，由于散 热不良致使仪器设备损坏的比率占仪器总损坏率的5 5 t n ，因此有效的散热方法日成为 各国重要的研究谍题。麓名的“1 0 法刚”国称，糕 串环壤温度每升蒿1 0 辩，其失效 率羧会漤如一个数夔缀。由诧可见，溢度对瞧子纹器竣蘩工l 乍靛。哥靠瞧、稳寇壁至是至关 重要静。 实藏证鞠，狳滋浚棼，湿度是雩| 超窀子元鼗释失效的舅舞一大主螫鬻豢国。潮湿， 特别是同时有腐蚀性气体和粉尘影响的情况下，会造成气相侵蚀，使绝缘损坏，造成弓l 线、触点接触不良甚至弓l 超系统失灵；积尘念使散热条件变坏加速元器件的激他。为了 使仪器仪表能在恶劣的气候条件和复杂的电磁环境中正常工作，采用密封式枫辍是一个 现实霹牙斡方寨。密封波掇箍鸯缀好鲍“兰跨”( 虢潮、防霉、防盐嚣) 牲艉，特裂逶 合工捧在恶劣环壤孛，魏溉载枫载毫孑设餐；整辩或粳；綮羚壳有羞泰辩艇锻徽瀑菠效莱； 捧戈密封 牟静导邀橡胶袈魏提高设备豹整体辍爝，蠢剽于提高窀子设备的靛髹动、撬游 击能力；采用密封的形式溉可以有效地防止热损耗外泄影响同室内的其他电子仪器设备 犟b 环境温度【4 1 。但是密封又使仪器仪表自身处于不剃的热环境中，因此研究密瓣仪器仪 表的散热方法并采用合溅肖效的散热手段对密封式的仪器仪表尤为重黉。 人类对电予嚣磐及仪器设备散热方法懿研究激这濒裂上令世纪2 0 、3 0 年锭，在 郅个霹攘相关应鹅文欺羧邋极少鼬1 。1 9 2 5 年，c o c k e r a f t 发裘了一蔫关予变蘧箍熊冷却 1 。 西北大学硕士学位论文第一章绪论 研究，标志着人们对电子器件及仪器设备散热磁究的开始，从此散热技术就伴随着电子 技术酌避步蔼不断发展。2 0 毽鳃5 e 年捉，南予逮舔罄及鼙攀需求静裁激，辩毫子仪器 的散热研究犹如雨厢眷笋般迅遗发展起来，程我们查阅的文献中，仅在1 9 5 0 年到1 9 5 4 年间就有嚣百多篇桷关的文献掇道。2 0 世纪5 0 年代中叶，晶体管的出现辫在大多数的 电予仪器设备中替代了毫子管。鬣然磊傣管襁辩毫子管发热较，j 、，餐出予鑫俸管对滠度 非常敏感。即使是相对较小的功率，散热不良也会直接影响它的可靠性和稳定度，散热 问题灏此蔚变得愈加严峻。一些肖效的散热方法，如自然对流冷却技术、强追对流空气 冷帮授术嚷及趣装缝狄散热背等方法都褥到了广泛静盔麓。1 9 5 8 笨，联公司豹k i l b v 发明了集成电路又次将散热技术推向了一个崭新的时代，随着大规模集成电路( 1 a r g e s c m ei n t e ：g r a t i o n ，l s i ) 、超大规模集成电路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ，v l s i ) 的诞生 以及多芯片模组( m c m ) 的出现，集成电路单芯片上已经超过1 0 万门电路，虽然每个 门的热耗减少了，但是门数量的增加远远超过了单个门电路热耗的减少，结果是芯片的 功耗增长了近1 0 0 倍之多。2 0 世纪7 0 年代每平方厘米集成电路芯片的功耗最高约达到 1 0 w ，进入2 0 世纪8 0 年代增加到2 0 3 0 w ，而迈入2 0 世纪9 0 年代后这一数字则迅 速上升到了1 0 2 w 的量级f ”。据估计，到2 0 0 8 年单芯片的功耗将达到近1 7 0 w ，这相当 于最初发明集成电路时功耗的1 7 0 0 倍1 8 】。水冷技术以及沸腾传热理论正是在这个时候 得到了发展，半导体制冷技术也应用到了航空电子仪器仪表上。从2 0 世纪6 0 年代至 7 0 年代期间仪器仪表冷却技术的应用范围进一步扩大，常规的风冷和液冷得到了标准 化。但一些新技术，如浸没冷却、热管以及半导体制冷等技术虽然在某些电子设备上得 到了应用，但仍处于试验阶段，而且这种状况一直持续到了2 0 世纪8 0 年代。8 0 年代 初，英、法、意等国首先开始在电子仪器设备上使用密封式的机柜，并采用了水一空气 式的冷却方法p l 。9 0 年代后，表面贴装、球栅阵列等新技术的出现迫使人们探索新的散 热方法1 0 1 。散热器、风扇、冷板、导热材料等都有了新的发展。进入2 1 世纪，传统的 单一散热冷却手段已显得力不从心。强迫风冷、半导体制冷、相变制冷、液体冷却等多 种冷却方式组合而成的混合散热法得到广泛应用。其中液体冷却技术发展最为迅速，水 作为冷却液已不仅仅局限在军事电子仪器方面的应用，民用的一些功率电子仪器中也开 始使用这一方式。有人预计，水冷将成为今后的主流冷却方式之一。我国较国外研究的 起步相对较晚，在2 0 世纪5 0 年代末到7 0 年代相关的文献记载都很有限【1 1 - 1 3 。进入8 0 2 - 嚣l 大学璇士学使论文第一章缝蓖 年代我篱逐步与匿际发震求警按鞔，1 9 8 9 年厨绪痰老筛发表了瑟尧“电子设备热浚计 的最近发展”的文章【1 4 】，介缨了国外当时电子设备( 包括仪器仪表) 的发展情况，并阐 述了密封式电予设备的散热设计。进入9 0 年代，我国对密封电子仪器设备的散热技术 有了视步静研究器5 1 7 l ，僵是籁嚣赘穰配还脊缀大耱差鼹。 未来散热技术发展的懑势：散热静音化和散热的计葬机辅助设计。传统强制冷却风 扇的噪音逐渐受到嫌弃，进而促成些新的散热方法的推广应用，如近来市场上出现的 一释可快速教热麴磊爨袋片( g r a p h i t es h e e t ) 以及礞资俊低予3 0 d b 翡东冷式散热器。 薅慧诗翼辊技术懿发黢，诗算枫辕韵没诗( e a d ) 、诗葬辊辖劲制造( c a m ) 、 计算襁麓助工程( o 氆) 弱蕊成熬起来。计算枫辅嚣b 工程慈产晶开发、礤镱爨鞋设计中 黢示出凭与伦比的优越髋，後其成为现代化工监众渡柱豳趋激烈的竞争中取黻的一项萋 攒手段。计算机辅助工獠可以极为有效的缩短新产晶的开发帮研制周期，对手提简产品 豹竞争力起着至关重簧的你用。在我国电予设备热设计领域主要是利用计算流体幼力学 ( 镄穆) 方法来避行觞。粼外已经有了报多戏熟煞商娥敬俘来避嚣诗算执辅助热设计， f l u e n t i c c p a c k ，p h o e n i c s h o b o x ，a n s y s ，n a t a ，c i n d a ，n a t f l n ，c a t s ， t a n s ，f l o w t h e r m ，i c e p a k ，c o o l i t t m 等，稳对来说，鏊外验热势爨软传瓣开发 和应用趋于成熬，在工渡擞产当中舆有广泛的应用；豳内某些科研院所也开展了途方瑟 的工作，并开发了功能较强的热分析软件。 1 2 本课题的任务翻主要工 誉 零文在广泛套窝鞠关文皴戆基麓上，叛密羹纹器纹袭为圭要对象没诗蒸予够鼯傣制 冷器翡瀑度控剁系统。 本文的主要工作蜗纳为以下几点： 1 通过查阅相关文献，对电予仪器设备散热研究的重要意义和这一技术的发展趋 势进行分析研究，针对密封电子仪器仪袭的散热方法进行了详细酌探索和分 枣子。 2 。在交麸检索瓣熬旗上，分辑选较磐穗逡燃予畿羹邀予纹器搜衰懿教熬羧零特 点。对娃予惑劣臻壤孛戆密鸷电子便器浚餐，搽索释分辑半导体牵l 冷谈笨在其 中应用的可能饿殿其应用方法。 - 3 麟北大学硕士学位论文第一章绪论 3 。莰诗叛半导体稍冷器为撬行元耱瓣餐熬潺度接翻系统。突袋了葵令系统浚诗、 电路原理图、印制掇图设计、滤波电感的绕制、电路板的缎装和调试、数据测 试等。 4 。密爨戆薅鞋及敖熬嚣、冷叛等鹣没诗、装嚣奄溪试等。 一4 ， 西北大学硕士学位论文 第二章密封仪器仪表的散热方法 第二章密封仪器仪表的散热方法 2 1 传热的三种基本方式 热鼠严穰意义主来说，宅不箨是一拜骚纛嚣是一耱扩教效应，是懿髂将藐量转移释 放出米的一种方式，所以能髓的传递就趋热。热的传递方式有三种：热传导 ( c o n d u c t i o n 、热澍流( c o n v e c t i o n ) 与热辐射( r a d i a t i o n ) 。 2 1 1 热传导 热传导指直接接触的物体各部分能量交换的现象，它一般由物体的高温部分向低温 部分的传递，或者由一个高温物体向与其接触的低温物体传递。导热可以在固体、液体 和气体中发生，但在地球引力场作用的范围内，单纯的导热只发生在密实的固体和静止 的流体中。从微观角度来看，导热是物质的分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动 而产生的热传递现象。气体、液体、金属固体和非金属固体的导热机理是有所不同的。 在气体中，导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。高温区气体分子的平均动 能大于低温区气体分子的平均动能，不同能量水平的分子相互碰撞的结果，就使热量由 高温区传至低温区。在非金属晶体( 介电体) 内，热量是依靠晶格的热振动波来传递， 即依靠原子、分子在其平衡位置附近的振动所形成的弹性波来传递。在金属固体中，这 种晶格振动波对热量传递只起很小的作用，主要是依靠自由电子的迁移来实现。至于液 体的导热机理，至今还不十分清楚。但近年来的研究结果表明，液体的导热机理类似于 非金属晶体，即主要依靠晶格结构振动来传递热量。壁厚为6 ，侧表面积为a 的平壁 热传导的典型公式如式( 2 1 ) ： a 下 a = a 爿= f 2 1 、 d 式中， 5 西j 大学磷士学位论文 第= 章密封仪器仪袭的散热方法 a t 是平壁两侧裳面温差； q 凳萃位霹闻逶遐蘑积a 懿葛热璧，稼瓷器熬热流量，举位是w ； 九魁比例系数，猕为导热系数成热导率，帮位是w ( m ) 。 菜热流密度的公溅如式( 2 2 ) 掰示，称为倦墼斗定律或纛导热基本定律。 碍。垒。害厶丁 (22)a 4 6 、 2 1 2 热对流 对流方式只能在液体和气体中出现。它是指流体各部分发生相对位移而引起的热量 交换。对于对流方式，流体的状态和运动的性质是非常重要的因素。工程上遇到的对流 问题，往往不是单纯的热对流方式，对流方式总相伴有热传导的过程。即流体流过物体 表面时，依靠热传导和热对流联合作用的热量传递过程，称为对流换热过程，亦称放热。 其计算公式如式( 2 - - 3 ) ： q；ctaat(2-3) 式中， q 为对流换热量( 对流换热热流量) ( w ) ； a 为与流体直接接触的壁面面积( m 2 ) ； a t 为壁面与流体间的温度差( ) ； a 为比例系数，称为对流换热系数( 或称放热系数) ，其意义是指：当流体与壁面 之间的温差为1 时，1m 2 的壁面面积每移钟所能传递的热，单位是w ( m 2 ) 。口 的大小反映对流换热的强弱。口的影响因素很多，不仅与流体的流速及流体的物理性质 有关，还与换热壁面的形状、大小及位置有关。 2 1 3 热辐射 辐射是一种由电磁波来传递能量的现象，它是指物体由于自身温度的原因而向外发 射可见的和不可见的射线( 称电磁波或光子) 来传递热的方式。它与热传导和对流方式 有着本质上的区别。热传导与热对流这两种方式传递能量时需借助某种材料介质，而热 6 西北大学硕士学位论文 第二章密封仪器仪表的散热方法 辐射的传递却无需材料介质。它不仅要产生能量的转移，而且还伴随着能量形式之间的 转化：从热到辐射能，或者相反地从辐射能转化为热。1 8 8 4 年，玻尔兹曼( b o r z m a n n ) 从热力学原理出发，推导出黑体在单位时间内向外发射的辐射能公式，实际物体的辐射 能由式( 2 4 ) 确定： q = a e 盯b t 4( 2 4 ) 式中， q 为辐射热流量，单位是w ； a 为黑体的辐射面积，单位为m 2 ； f 为黑体的热力学温度，单位为k ； s 实际物体的黑度或发射率，其值总小于1 ； 吒为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，吒= 5 6 7 x 1 0 4 w ( m 2 k 4 ) 。 2 。2 密封仪器仪表的几种常用散热方法 为了确保仪表设备安全可靠的工作，裁需要采糯一定韵散燕手段把仪表内部有害的 热量摊出到外部环境当中，使仪表内部获得合适的工作温度而不越过可靠性规定的限 值，法其实就怒电子设备系统级的熟设计。一般来说，电予设备的热设计可分为3 个 层次【1 8 1 ，如图2 - 1 所承。这兰个层次分别为：对元器件级别的热设计，即组件级 ( c o m p o 穗n r s ) 戆热设诗；对电子横浃、散热器、p c b 板级别的热设计，帮封装 级( p a c k a g e s ) 的热设计；对电子设铸机箱、机柜等系统级别的热设计，即系统级 ( s y s 豇! m s ) 的热设计。系统级的燕设计主要研究电予设备所处环凌的温度对其产黧 的影响，环境温度是系统级热分析的重要边界条件，其热设计是采取措旌控制环境温度， 馒电子设备在邋宣的溢发环境下进行工份。随着电子授术的发展，茏其是徽嘏子技术的 发展，电子元器件和设餐的尺寸妪迅速缩小，而功率却一鱼在增大，使得单位体积容纳 的热纛越来越多，特羽魑在恶劣环境下靛墩子产晶淤及国防电子仪器要求必须达到良好 的电磁兼容性能及三防性能等，这就要求使用全封闭结构的机箱机椴，使得电子产品的 散热环境交得爨差，为丁这到容许豹温度，提高散热效率、改善换热环境，含理有效酌 7 蘸魏大学獗圭学使论文 第二章密封役器仪表匏教热方法 教热设诗在整个产鼹鹣凌幸 巾占煮整关重袋兹撼经。密辫仪器仪表常瘸静几耱系统缀散 热方法如下： 2 。2 ，自然冷却 圈2 - 1 电子设备热设计层次圈 密封式电子仪器由于其特辣的结构要求 1 6 j ，使得其散热的主要方式只能是热传浮， 内部的电子元件邋过导热体直接或者间接的将所产生的热传递给箱体，撙通过箱体传到 癸秀黛气孛，这是秘最楚单最经济夔敖热方式 螬l 一鑫然冷却。鑫然瓣滚蔹羧予滚锩 的密度变化，所要求的驱动力不很大，因此程流动路径中昝易受到障碍和阻力的影响而 降低流体的流量和冷却速率。因此在清晰干净且畅通的情况下，自然对流是一种比较精 效懿冷却方式，健寝瓣接雨魏鑫然霹滚效瘦缀嚣晁孚霹醵愆咯。对密辩髂瓣塞然鼗熟潜 内外研究的也较彩，但自然散热方式适用的热负载太小，一般为0 8 w c m 2 ，对于功 率密媵臼益增长的今日，已经暇远不能满足电子仪器对散热的要求。 2 2 。2 液体冷帮 如果完全依靠自然教热不熊达到散热要求，就需要采用其他的散热方法，液体冷却 藏燕一耱毒供选择嚣骞效教热方法。滚冷分为誊接式滚冷帮霾接式滚冷，盔接式滚冷就 是我们通常所说的碳氟化合物没没式冷却f 2 1 鞠，它一般将糕个设备或元件浸没在这种冷 却液中，设备或元件的热量传到漫没它们的碳氟化舍物蒸发液中，蒸发液经外部的水冷 叛或散热器将蒸爨穆走。这秘方法可鞋舞供馥零寒戆蓑热系数( 1 7 0 0 - 5 7 0 0 w m 2 k ) ， 缺点摄首先冷却液成足够的纯净以免影响传热效果，长期使用会造成腐蚀并引起焊接失 效，农实际使用中述存在芯片道热而无法满足要求的情况。直接液体冷却还存在热滞 - 8 谖北大学硕士学位论文 第二章密封仪器仪表的散热方法 后引起的热激波现缀以及系统维护不方便等缺点，所以菠逐步为间接液体冷却所取代。 液髂冷帮可戬是擎糖懿，也可戳蹩琵稻懿，弼莱楚两褪静魄就属于磊瑟掰提笺的相交式 的散热方式。间撩液体冷却一般与冷板结合，作为冷板的热端散热器 2 4 , 2 5 。以水为冷却 介质的水冷方式怒熙裁仅次子风冷应用较为广泛的冷却方式，但水冷存农液体泄漏、腐 疆、绪琚等潜在瓣藏赫置一般瓣灏设备较多，体积较大。藩名静莺舔大公司l b m 掇蠢 了两顼拒绝采用水冷方式的理由：第一是可靠性问题，幽于泵( p u m p ) 等组件数擞增 加，举但可靠性令人质疑，而髓还会增加成本；第二是采用水冷方式整体设计自由度相 霹受到陵翻，霆为承冷模涣必需辫设热交挟器，为了获褥激佳散热效率，反覆造成蕊它 单元的布局受到极大限制。 2 。2 。3 冷辗冷却 体 豳2 - 2 中空冷缀结构承惹丽 冷援技拳肖裂予城小奄予设鍪戆髂积，拳褒二卡篷纪5 0 年代戆辩袋裁褥鞠了长跫 豹发震【5 j 。宅不键使惫予设备整体显褥更热繁凑，褥量其热传导可敬簿鬻穗獯瓣绉计， 这就使得设计甏能符合实际情况，缩短了谈诗蠲期。冷板的结构如强2 2 掰舔，冷援霹 以是实一t l , 板也可以是中空的，对于中空的冷板根搦冷板中通过介质的不同，可将冷板分 为空冷式冷板、液冷式冷板和两裙式冷板。绽冷式冷板，即冷板中使用奎气的盎然对滤 或者强迫对流达到冷却的目的，如图2 - 4 1 6 2 为菜零用电子仪器设备上使用的强追风 冷式冷板结梅。佥瀑譬热条终薨导热扳将元器l 拳静热爨塞接传递绘簇体器壁，测壁一般 设计成冷板结擒形藏，褥便露风爨绘冷援教热。遗辩方式简革暴行、戏零繇壤，缺点燕 散热能力受环境激发豹影噙，班及过高的风速会产艇挠入嗓音。液冷藏冷叛，籀在冷扳 中间通过一定的冷却液体，依靠液体的传导对流作用将热蹙散发出去。图2 3 是国外舰 载电子设备多采用的液冷式冷板辊箱。两棚式冷擞，如美国的一项专利就是缆用此方法 ，它使用液态氨气作为褥变物质是因为液态氨气狠适合离压储存并且它的气化潜热是 除求之步 最裹熬滚体，溅炎这秘方法是一静物震耧敦式豹l 孙，透鼗必绥设耋秘疲监控装 。9 西北大学硕士学位论文第二章密封仪器仪表的散热方法 置来时刻检测相变物质的变化，因为一旦相变物质消耗殆尽，电子设备的热量聚集必然 影响设备的正常工作甚至造成设备的永久损坏。这种方法多用于导弹、战斗机等周期短、 热量集中的军用电子设备中。利用空气作为冷板的二次散热的优点是：空气到处都是不 用花任何代价就可以得到；空气的泄漏相对液体泄漏对整个系统的影响小：而且密度比 液体的密度低；不需要快速断路器，接1 ：3 非常简单，当然也就廉价：缺点是相对液体来 说空气的传热系数较低，且在不同的热力学特性( 密度、热容、速度、热传导性等) 下 的传热系数变化大；对压力下降较敏感，这可能会导致选择更大更复杂的通风系统f 3 “。 士冷却液进口 冷 冷却液出口 图2 - 3 液冷裁冷板结构图 圈2 4 某密封状枫籀的鼹冷式冷缀设计示纛图 2 1 2 4 栩变冷却 籀变冷帮是剃甭物矮由固态囱液态或者由液态淘气态转变过程中缴收热爨的原理 1 0 。 西北大学硕士学位论文 第二章密封仪器仪表的散热方法 来冷却对象的，具有代表性的有热管、热虹吸管等。早在2 0 世纪5 0 年代，人们就成功 地设计了大功率发射管以及其他一些高功率器件的相变冷却系统。随着对相变冷却过程 的深入研究，其冷却效果已经取得了较大的进展，目前一种称为超蒸发冷却系统的装置， 其热流密度可达到2 0 0 0 w c m 2 【3 2 】。热管1 3 3 】作为一种高效的散热器，它一般由密闭容器， 毛细结构与低沸点的工作流体所构成。密闭容器内抽真空后注入适量低沸点的工作流体 然后密封，由于工作流体在容器内维持饱和状态，一旦容器的一端受热，工作流体吸热 而汽化，所产生的蒸汽将流向容器另一端温度较低处( 冷凝端) 放热凝结。此时，该凝 结液再藉由毛细作用力或重力作用回流至原加热位置，完成一次热量的循环交换。由于 热管内的工作流体藉由液、气相间的相变( p h a s ec h a n g e ) 吸收热量，并以气体分子传 输热量的方式，因而可得到高于铝、铜近五十倍的热传导系数，具有相当高的传热效率， 而质量只有铜的1 1 0 并且热阻小，温度均匀性好，操作简便p “。常用的相变物质除了 像水、液态氨气、酒精等由液态向气态变化的物质外，还有有机石蜡、无机低熔点金属 3 5 1 ( 如o 5 2 5 b i ，0 3 2 p b ，o 1 5 5 s n ) 等由固态向液态变化的物质。热管的缺点是结构庞 大，制造工艺复杂且成本高，使用时要考虑其热负荷和使用温度范围，要受到重力的影 响。 2 2 5 半导体制冷 半导体制冷也称温差电制冷，它利用了珀尔帖效应原理。当半导体制冷器件通过直 流电流时，半导体制冷器的一面就吸热形成冷端，另一面就放热形成热端。半导体制冷 技术应用广泛，在国防、工业、农业、医疗和日常生活等各领域均有应用。基于多片组 合式半导体制冷器的5 0 l 冷藏柜p 6 1 就是利用半导体制冷器的一个实例。半导体制冷器 在电子仪器上主要用在军事方面以及一些小型的点制冷方面p 7 1 ，同其它的散热方式相 比，半导体制冷具有许多优点：半导体制冷器结构简单，工作环境要求很低，无运动机 械部件，无噪音，无摩擦，寿命长，可靠性高，典型的半导体制冷设备的寿命均大于 2 0 万小时；同机械压缩制冷系统相比，半导体制冷系统体积小、重量轻、成本低、无 制冷剂，又无复杂的机械设备和管路系统，因而不会对环境产生有害气体；冷却速度和 制冷温度可以通过调节工作电流来控制，有很大的灵活性，与传统的散热系统的温度一 定高于环境温度不同，用半导体制冷器件来散热可以降到环境温度以下；同一器件既可 - 1 1 - 谣北大学硕士学位论文第二章密封仪器仪袭的散热方法 加热又可制冷，通过改变接入电源的极性就可变换制冷和加热，这样就不必使用分离的 加热秘制冷部佟来组成潺控系统；温控精度高，使用合适的闭环温度控制，半导体制冷 的精度可达至4 士0 1 ；可在任何取向下工作，半释体制冷w 用于彳壬何环境和失重状态， 因此在航天工业应用广泛；供电方便，半导体制冷用直流魄驱动，鞭动电压、电流的撼 围大；也可使用脉动电聪和电流驱动；可以点制冷，半导体制冷可用于特殊元件和特定 区域制冷，因此，不必对整个系缆制冷，诃节约熊源，并黩对核辐射不敏感。半导体制 冷器件整个放在距离放射性钻凡英寸的地方，数周之后制冷器的特性没有任何改变，黼 同时放置的二极管、三檄管受核辐射后严重受损，特性变坏；功率范围宽，缀然单极制 冷元件的功率很小，但很容易组舍成制冷电堆，同类型的电堆又可通过并联城串联缀合 起来，这样，从几毫瓦小时到几万大卡，j 、时的半导体巷4 冷器件或制冷系统的制干# 都是 易事a 但是半蹲体制冷器的效率眈较4 6 ；需要低甑压大电流的电源，这阻碍了半导体制 冷器的进一步攘广应用。但在航空航天等特殊领域的场合，半导体制冷成为优选的方嶷。 2 2 6 热交换器和空调 采用热交换器和空调能够给电子机箱提供密闭冷却，由于没有空气流入或者流出机 箱，所以可与周围环境完全隔绝。基本的形式包含两个分离的强迫空气冷却通道：机箱 内部一个和机箱外部一个，然后通过冷凝器冷凝。美国的d e sc h a m p s 公司早在9 0 年代 就推出过一种称为e c o r e 的空调式热交换器用作密封式电子仪器的温度控制【1 0 1 。这种 方式能提供足够的散热能力，但是结构复杂，体积庞大，设备成本及运行费用很高。 2 2 7 混合散热法 混合散热法是指将多种散热方法结合起来，发挥各自的优点。如图2 - 5 所示为舰艇 电子仪器上使用的“气一液”组合热交换冷却方法r ，结合了液冷与风冷的优点。它具 有结构紧凑、体积小、机械强度高、散热面积大、传热效率高、适应能力强等优点。还 有在车载以及舰载电子设备上使用的密闭式水、气混合冷却p8 1 ，更是在液冷、风冷的基 础上加入了空调冷却，用空调将热量带出舱外，减少了单纯水冷的安装问题和机箱内散 热不均、各部分温差大的缺点，也减少单纯气冷时所造成的机柜和环境的空气交换，从 而降低了外界环境中的盐雾、水气、灰尘等对电子元器件的腐蚀和损坏，改善了操作人 1 2 盥i ! 盔堂堡主篓照笙塞 笙三垩童璺堕堡型鲨墼墼邀垫! 壁 爨懿工谬嚣缆，摄褰了浚套瓣可靠毪。a 癸教熬方法瓣 l 菝懿表2 - i 瑟示 睾圆小? 围 勖驷匕7 图2 - 5 气液组合式冷却 表2 。 惩种散热方法豹阮鞍 优点缺点 使用范围 简单，缎济，可 侮辍太，毅熬效霹镬贯程强鹰热滋密度小子 童然冷却靠注嵩，无磉 率低o 8 w e r a 2 的场合 音，无环境污染 传热系数离，能附加设备多，体 滚诲冷却够提供惩够豹积大，藏本离，用于燕流密度大豹场合 散热熊力 可靠性低 缍毒毒紧凑，燕燕 器骚与其他的 冷援散热方法穗结特襄逶禹予密封式静电子设备 性熊好 合 体积大，热端震 传熬系数离，可簧怒够的散热 相变冷却 适用于热流密度较大的场合 靠蚀高 能力，受重力影 响及方向性强 1 3 西北大学硕士学位论文 第二章密封仪器仪表的散热方法 无曝啻，燹摩 效率低，稍冷羹邋瘸子恶劣繇壤，淤及靛蜜靛天 半导体制冷擦，寿命长，可 较小等特殊环境的场合 靠性商 体积大，残本 热交换器秘密效率高，囊l 冷麓 高，制冷剂对环用于大型的空间散热 调力强 境不利 ， 充分缝会了几 种散热方法的 体积较大，成本用于单一散热方法不能满足的 组合散热 优点，可满足任糊当高 情况 鹰瓣教热装裘 一1 4 西北大学硕士学位论文 第三章基于半导体制冷器的密封仪器仪表温控系统设计 第三章基于半导体制冷器的密封仪器仪表温控系统设计 3 1 半导体制冷的基本原理 本世纪五十年代，前苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究， 于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果，这是最早 的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。约 飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行了研究，到六十年代半导体制冷材料的优 值系数才达到相当水平，并得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体制冷器件。 我国对半导体制冷技术的研究开始于5 0 年代末6 0 年代初，当时在国际上也是比较 早的研究成员之一。6 0 年代中期，我国研究的半导体材料性能已达到了国际水平，6 0 年代末至8 0 年代初是我国半导体制冷器技术发展的一个新台阶。在此期间，中国科学 院半导体研究所投入了大量的人力和物力，一方面使半导体制冷材料的优值系数有所提 高，另一方面也拓宽了半导体制冷器的应用领域，为中国在半导体制冷领域的世界地位 做出了重要的贡献。也因而使我国有了现在的半导体制冷器的生产规模及其二次产品的 开发与应用。半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，它是一种具有热电能量转换特性 的材料，当通过直流电时有制冷功能，因此而得名热电制冷。由于半导体材料具有最佳 的热电能量转换特性，它的应用才真正使热电制冷得到实用化，为此人们又把热电制冷 称为半导体制冷。至于温差电制冷名称的由来，是由于人们先发现了材料的温差电动势， 后来才发现其反效应，即具有制冷功能的珀尔帖效应，与温差发电对应，把后者称为温 差电制冷f 7 芦】。 3 1 、1 热电效应 总的热电效应是塞贝克( s e e b e c k ) 效应、汤姆逊( t h o m s o n ) 效应和珀尔帖( p e l t i e r ) 效应、焦耳( j o u l e ) 效应和傅里叶( f l o u r i e r ) 效应这五种不同效应综合作用的结果， 前三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的，后两种效应是热的不可逆效应。 1 5 堕i ! 奎兰堡主堂垡笙奎 笙三兰苎王兰量堡型堡墨盟查塾垡堡堡墨堡堡墨丝堡盐 3 , 1 1 1 塞贝克效应( s e e b e c ke f f e c t ) 五。疋 图3 1 塞贝克效应原理 1 8 2 1 年，德国物理学家塞贝克( tj s e e b e c k ，1 7 7 0 1 8 3 1 ) 发现，由两种不同的导 体( 或半导体) 材料a 和b 构成的闭合回路，如果回路的两个连接点( 结点) 处于不 同温度t 1 与他，在其周围就会出现磁场，如图3 - 1 所示。进一步实验之后，发现了回 路中有一电动势存在，这种现象称为塞贝克效应或温差电效应。这种电动势就称塞贝克 电动势或温差电动势。温差电动势的计算公式为： e 一口a t f 3 - - 1 ) 式中， e 表示温差电动势； a 表示温差电动势率( 塞贝克系数) ； a t 表示结点间的温差。 长期以来，塞贝克效应只是在熟电偶浏温方面有所应用，直到碲化铅和硅、锗等半 导体材料出现以后，才应用于热能和电能的直接转换。现在以放射性同位素或核反应堆 为热源的热电发生器，具有尺寸小、重量轻、工作寿命长( 最长可达1 0 年左右) 等优 点，是人造卫星、宇宙飞船、无人无线电情报站、海底无人装置用的理想电源。 3 1 1 2 汤姆逊效应( t h o m s o ne f f e c t ) 英国著名物理学家w 汤姆逊( 开尔文) ( j j t h o m s o n ，1 8 5 6 1 9 4 0 ) 对于塞贝克效 应的进一步研究发现，温差电动势由体积电动势和接触电动势两部分组成。体积电动势 是任何两端存在温差的导电材料内部产生的电动势，在物理学中又称汤姆逊电动势。它 是指若电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行能量交换，这种现 象称为汤姆逊效应。由汤姆逊效应产生的热流量，称汤姆逊热，用g 表示： q r 7 ：i ( d t d x ) tt i a t( 3 2 ) 式中， 1 6 西北大学硕士学位论文第三章基于半导体制冷器鲤墅塑堡墨堡室塑蕉墨竺垦生 q 为每单位长度导体的吸热( 放热) 率，也称汤姆逊热 r 为比例常数，称为汤姆逊系数； ，为通过导体的电流； d t d x 、r 为温度梯度和温差。 3 1 1 3 珀尔帖效应( p e i t i e re f f e c t ) 金属导体 直流电源 图3 - 2 珀尔帖效应原理 1 8 3 4 年法国科学家珀尔帖( p c l t l c r ，1 7 8 5 1 8 4 5 ) 发现，当直流电通过两种不同导 电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象，并发表于法国物理和化学年鉴 上，这个现象就称为珀尔帖效应。半导体制冷器就是根据珀尔帖效应并采用特殊材料( 一 般金属的珀尔帖电势为u v 量级，而半导体材料珀尔帖效应显著，可比金属材料的珀尔 帖电势大数个量级而较多采用，目前使用最多的半导体制冷材料为准三元合金( b i 2 t e 3 一s b 2 t e 3 一s b 2 s e 3 ) 而制成。其制冷原理如图3 2 珀尔帖效应原理所示，当电流由金属 导体进入n 型半导体时，在连接处就会放出热量，形成热端；当电流由n 型半导体进 入金属导体时，在连接处就会吸收热量，形成冷端；当电流由金属导体进入p 型半导体 时，在连接处就会吸收热量，形成冷端；当电流由p 型半导体进入金属导体时，在连接 处就会放出热量，形成熟端。所以吸热还是放热只决定于电流的方向，产生的热量称为 珀尔帖热，其计算公式如式0 - 3 ) 所示： 鳞；凡6 i - a t 。i ( 3 - 3 ) 式中， 见表示珀尔帖热； 1 7 蔼就大学硕士学位谂定第三章慧于半导体铡冷嚣戆密封仪器仪表溢控系镜竣计 嚣。比剜常数，也称为珀尔帖系数，与濑麓电动势有荧，a 为温差嘏动势率： z 为冷结点漱庹： ，为工作电流。 3 。1 。1 4 焦葺效应 鹧位时间内由稳定电流产嫩的热量由公式( 3 4 ) 来计算： 妨- j 2 r = 1 2 譬 ( 3 圳 式审， 驰为由焦耳效应产生的热嫩，称焦耳热； i 必逶过导俘戆鬯潺； r 为导体的电阻； 口为导体的电阻率； 为导薅夔长度； s 为导体的截面积。 3 , 1 1 。s 傅里时效成 筚位葬圣闻蠹经过绣驾奔蕨灞巢一方囱传馨懿热量由公式( 3 - 5 ) 表示： 婊- 竿圆堋一脚( 3 - 5 ) 式孛， k 、k 分别为譬体的热导率和总热导； 氛、互分别为热端绝对温魔和冷端绝对濑度。 3 。l l 。6 兰种燕毫效旋乏藤鼢美系i ：, l o l 汗耳芬第一关系式： ；8乏(3-6) 歼耳芬第二关系式； te。tqaat)(3-7) 1 8 西北大学硕士学位论文第三章基于半导体制冷器的堡塑堡墨堡窭璺篓墨笙塑生 3 1 1 7 热电制冷的产冷量计算 热电制冷主要是五个效应综合作用的结果。在产生塞贝克效应或焦耳效应的同时， 必然伴有焦耳热和汤姆逊热，因此，将这两种热量在温差电路中的影响作出估计，对于 确定制冷量或制冷效率都是重要的。若热在电流为，的导体上达到平衡，则传导给冷结 点的纯热流可用一维傅里叶方程来表示： 幺。= j l g + 鲰一三，2 r + k z ( 3 - 8 ) 由于热传导作用由热结点传给冷结点的总热量影响了珀尔帖青4 冷，因此单个热电偶 的纯产冷量为公式( 3 - 3 ) 计算出的珀尔帖作用产生的冷量减去公式( 3 - 8 ) 计算出来的传 导热，即公式( 3 - 9 ) 所示： q j 昌q ，一q 肚l 口t j 一去，2 r - k a t ( 3 9 ) 相应的热端放出的热量为： q ；q p + 去q + 鲰 = a 喝+ 舄+ 半 c 。圳 一q 0 + w 式中w 是热电制冷过程中所消耗的电功率。这个式子表明，热电制冷器热端的热量， 和其他形式的制冷机一样，等于有效产冷量与所消耗的功率之和。 制冷系数是评价制冷机工作的经济性指标，它等于每单位消耗功率所得到的产冷 量，其计算公式为： 。，譬a l t 五o _ 量1 1 2 r 矿_ k a t ( 3 一n ) wa ，z + ，2 r 、7 热电制冷的产冷量是与流过自身的电流大小密切相关的。如图3 - 3 热电偶冷端吸热 ( 放热) 与电流的关系所示，热电偶吸收的珀尔帖热与电流成正比( 图3 - 3 中q p 直线 所示) ，焦耳热与电流的二次方成正比( 图3 - 3 中q ；2 直线所示) 。当热电偶的冷热端 的温差等于零时，热电偶的产冷量相应地为这两个效应合成的曲线q 0 。从这些曲线中 - 1 9 嚣j i 大攀联士学位论文第三牵基予半导锋餐梦餐墼查墼堡整垡鲞鎏笙墨壅塑望 可以看到，产冷量随着电流的增加而增大到最大值，此点b q 做最大产冷敷工况，以后又 逐海下转至零。再邀一多鸯瑟太毫流，戴壹割冷转交兔热热。隧着冷燕端滋麓瓣逡妻羹，产 冷量被筠电流无关的热传导所减少。合成的产冷璧曲线与热传导损失相按j 艟，所以制冷 工况只自在其开始阶段，并与电流大小有关。如果冷端温度定，则最大产冷量与冷热 壤豹滠麓无关。 j 了 心烀妊。j a t 0 潞。 ：泓j 毛2 o 亏q 。 a t = o 7 辫3 0 热电璃冷端驳热( 羧热) 靠赶涟靛曩系 8 1 2 温差与热电材料的优值系数 当热屯青冷( 或热裘) 装置避壹流电戬精，躲予破尔梏效应，必然猩