劉芙蓉 盤(pán)瀟瀟 李宜全 袁顯寶 胡 濤 李 響 陳保家

(1.三峽大學(xué) 湖北省水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院,湖北 宜昌 443002;3.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司,武漢 430223)

核電廠換料水池水溫高達(dá)(55±3)℃,且具有強(qiáng)輻射性,屬于人員不可達(dá)區(qū)域,只能通過(guò)視頻檢查技術(shù)進(jìn)行檢測(cè).但在視頻檢查時(shí),攝像頭機(jī)芯會(huì)產(chǎn)生熱量,若熱量不能及時(shí)傳到外界會(huì)使機(jī)芯工作環(huán)境溫度過(guò)高,信噪比和靈敏度降低,圖像的畫(huà)質(zhì)變差,甚至?xí)C(jī).為了使機(jī)芯能在正常溫度下工作,滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求,本文對(duì)相機(jī)制冷進(jìn)行了研究,為其加裝制冷裝置.

目前,可見(jiàn)光相機(jī)多采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)進(jìn)行制冷,具有代表性的設(shè)備廠商主要有意大利DTA公司和美國(guó)ROPER公司,國(guó)內(nèi)的浙江大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光機(jī)所等單位在這方面也有相應(yīng)的研究,但均處于試驗(yàn)階段,市場(chǎng)尚無(wú)成熟的國(guó)產(chǎn)制冷相機(jī)產(chǎn)品出現(xiàn).張超[1]等提出了制冷型低照度CMOS相機(jī)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求,確定了成像系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu);王兵等[2]對(duì)基于半導(dǎo)體制冷的CCD相機(jī)硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體制冷器的傳熱和散熱結(jié)構(gòu);顏玲等[3]利用半導(dǎo)體制冷原理設(shè)計(jì)了CCD天文相機(jī)制冷腔的機(jī)械結(jié)構(gòu).劉鵬[4]利用肋片風(fēng)扇散熱器對(duì)LED汽車前照燈進(jìn)行扇熱設(shè)計(jì)等.由前人研究可知,半導(dǎo)體制冷片在電子元器件的制冷方面應(yīng)用廣泛,尤其在體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的設(shè)備中更具有優(yōu)勢(shì).本文在前人對(duì)散熱器研究的基礎(chǔ)上選用熱管散熱器和鋁制散熱器進(jìn)行試驗(yàn)研究.雖然已有諸多學(xué)者對(duì)制冷相機(jī)進(jìn)行了研究,但這些相機(jī)大都應(yīng)用在空氣中,還未曾涉及到在高溫水下利用半導(dǎo)體對(duì)相機(jī)進(jìn)行制冷,也沒(méi)有為高溫水下半導(dǎo)體制冷片的散熱選擇合適的散熱器.

因此,本文針對(duì)核電廠的實(shí)際檢查環(huán)境,利用半導(dǎo)體制冷片對(duì)機(jī)芯的制冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并在室溫空氣中和高溫水環(huán)境下對(duì)熱管散熱器和鋁制散熱器進(jìn)行散熱效果對(duì)比,在模擬現(xiàn)場(chǎng)機(jī)芯發(fā)熱的條件下研究半導(dǎo)體制冷片的制冷效果.試驗(yàn)表明半導(dǎo)體制冷片和散熱器的使用能夠使機(jī)芯的工作溫度維持在正常溫度范圍內(nèi),從而解決了核電廠換料水池高溫區(qū)域視頻檢查攝像頭的停機(jī)問(wèn)題,為核電廠高溫水下視頻檢查提供可靠的技術(shù)支持.

1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷又指溫差制冷,是帕爾貼效應(yīng)在制冷技術(shù)的應(yīng)用.如圖1所示,將N型和P型半導(dǎo)體材料連接組成熱電偶對(duì),每一對(duì)熱電偶之間通過(guò)金屬電極相互串聯(lián),再在上下電極外側(cè)增加陶瓷基片即構(gòu)成熱電制冷器.當(dāng)接通直流電后,電荷從P型材料移動(dòng)到N型材料時(shí)從外界吸收能量,在接頭處形成冷端;反之,便釋放能量,形成熱端.該制冷方式簡(jiǎn)單可靠,體積小、重量輕,沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件[5],非常適合水下攝像頭的應(yīng)用.

圖1 半導(dǎo)體制冷原理圖

若設(shè)Qc為冷端制冷量,半導(dǎo)體制冷片工作電流為I,半導(dǎo)體溫差電動(dòng)勢(shì)率為S,半導(dǎo)體熱端溫度為T(mén)h,冷端溫度為T(mén)c,冷熱端溫差ΔT,電偶對(duì)總電阻為R,半導(dǎo)體的總熱導(dǎo)為K,熱電偶對(duì)數(shù)為N,αP為P型材料的溫差電動(dòng)勢(shì)率,αN為N型材料的溫差電動(dòng)勢(shì)率,半導(dǎo)體制冷片兩端電壓為V,Qh為熱端的散熱量[6],則有如下半導(dǎo)體冷端熱量和熱端熱量公式:

從上述公式,接通電源后冷熱面出現(xiàn)溫差,熱量會(huì)不斷從冷端傳送到熱端.本文利用該原理,使半導(dǎo)體制冷片的冷面靠近機(jī)芯,熱面與散熱器接觸,只要熱量能通過(guò)散熱器有效散發(fā)掉就能降低機(jī)芯工作環(huán)境溫度.

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 室溫空氣中試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置如圖2所示,主要包括熱管散熱器、鋁制散熱器、保溫棉、半導(dǎo)體制冷片、直流調(diào)壓電源、銅制蓄冷盒、SIN-T6溫度計(jì)、3M8810雙面導(dǎo)熱膠紙、不銹鋼密閉容器(起裝置防進(jìn)水和導(dǎo)熱作用).其中鋁制散熱器采用鋁合金材料制成,這種散熱器具有重量輕、散熱效果好、節(jié)能、耐用、成本低的特點(diǎn),其實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性都超過(guò)銅散熱器.

圖2 試驗(yàn)裝置布局

圖2中散熱器與不銹鋼密閉容器外壁緊密貼合,半導(dǎo)體制冷片的熱端與不銹鋼密閉容器內(nèi)壁緊密貼合,半導(dǎo)體制冷片的冷端與銅制蓄冷盒外壁緊密貼合,所有貼合處均通過(guò)導(dǎo)熱膠紙粘接,保溫棉填充在不銹鋼密閉容器與蓄冷盒空隙中,SIN-T6溫度計(jì)探頭位于銅制蓄冷盒內(nèi),并用固定彈簧保證溫度探頭與銅質(zhì)蓄冷盒不直接接觸.用SIN-T6溫度計(jì)記錄溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù),每隔60 s采樣一次,繪制溫度曲線圖.

本階段試驗(yàn)在空氣中室溫條件下進(jìn)行,分別將半導(dǎo)體制冷片工作電壓設(shè)為8、7、6、5、4、3 V,得到制冷片工作電壓與制冷效果的關(guān)系,在制冷效果較佳的工作電壓的基礎(chǔ)上對(duì)比鋁制散熱器和熱管散熱器的散熱效果,為后續(xù)試驗(yàn)做準(zhǔn)備.

2.1.1 工作電壓與制冷效果試驗(yàn)

由圖3可知,在3～8 V電壓對(duì)比試驗(yàn)中,4、5 V電壓的溫度曲線都是先下降后趨于平穩(wěn),電壓為4 V時(shí)降溫幅度最大、效果最好,其他電壓的溫度曲線很快就出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì),這說(shuō)明半導(dǎo)體制冷片的工作電壓并不是越大越好,當(dāng)采用同一種散熱器(散熱強(qiáng)度不變)時(shí),增大電壓,電偶臂產(chǎn)生的焦耳熱也更多,熱量不能及時(shí)散發(fā)出去使局部溫度上升,熱量會(huì)從半導(dǎo)體制冷片熱端傳遞到冷端,反而使得制冷片冷端溫度升高[7].

圖3 工作電壓與制冷效果試驗(yàn)

2.1.2 鋁制散熱器和熱管散熱器對(duì)比試驗(yàn)

將工作電壓分別設(shè)為4、5、6 V,比較室溫空氣中的鋁制散熱器和熱管散熱器散熱效果,并繪制溫度曲線如圖4所示.由圖4可知,在這3種工作電壓條件下熱管散熱器溫度曲線逐漸下降并趨于平緩,鋁制散熱器溫度曲線先下降后上升,說(shuō)明熱管散熱器散熱效果遠(yuǎn)超過(guò)鋁制散熱器,其中4 V時(shí)半導(dǎo)體制冷片制冷效果最好.

圖4 空氣中鋁制散熱器和熱管散熱器對(duì)比試驗(yàn)

室溫中實(shí)驗(yàn)確定了文中半導(dǎo)體制冷片的較佳工作電壓,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù).實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了室溫空氣條件下,熱管散熱器散熱效果優(yōu)于鋁制散熱器.

2.2 高溫水中試驗(yàn)

該階段試驗(yàn)裝置比上一階段增加了塑料水箱、電加熱器、EB-302多功能潛水泵和一個(gè)SIN-T6溫度計(jì),裝置如圖5所示.

圖5 高溫水中實(shí)驗(yàn)裝置圖

在一個(gè)長(zhǎng)480 cm、寬400 cm、高350 cm的塑料箱中裝進(jìn)大約250 cm高的水,將第一階段的實(shí)驗(yàn)裝置浸沒(méi)在水箱內(nèi),用電加熱器加熱水箱內(nèi)的水且控制水溫在(55±3)℃,在水箱內(nèi)放置一個(gè)EB-302型號(hào)的多功能潛水泵模擬核電廠水下區(qū)域的水流環(huán)境,用SIN-T6溫度計(jì)1和SIN-T6溫度計(jì)2分別記錄塑料箱內(nèi)的水溫和銅制蓄冷盒內(nèi)溫度,每隔60 s記錄一次,并繪制溫度曲線.本階段試驗(yàn)將半導(dǎo)體制冷片電壓設(shè)為4、5和6 V,對(duì)比(55±3)℃熱水中的熱管散熱器和鋁制散熱器的散熱效果,溫度曲線如圖6所示.

由圖6可知,在3種供電電壓條件下,(55±3)℃熱水中采用鋁制散熱器時(shí)的溫度曲線下降速度更快、幅度更大,說(shuō)明其散熱效果均優(yōu)于熱管散熱器.半導(dǎo)體制冷片在5 V時(shí)制冷效果最佳,能使機(jī)芯內(nèi)工作環(huán)境溫度由(55±3)℃降至37℃左右,滿足機(jī)芯的正常工作條件.因此,下一階段試驗(yàn)優(yōu)選鋁制散熱器,半導(dǎo)體制冷片選用5 V供電電壓.

2.3 高溫水中模擬發(fā)熱實(shí)驗(yàn)

如圖7所示,在高溫水中實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)中,在蓄冷盒內(nèi)增加水泥發(fā)熱電阻模擬機(jī)芯發(fā)熱,并增加一個(gè)直流調(diào)壓電源為電阻供電,其他實(shí)驗(yàn)裝置不變.由于工程實(shí)踐中使用的相機(jī)的發(fā)熱功率大約為2 W,故采用4個(gè)0.25Ω的水泥發(fā)熱電阻串聯(lián)(1Ω的電阻),電源電壓設(shè)為2 V,電流設(shè)為1.17 A,則電阻產(chǎn)熱功率約為2 W,由此模擬機(jī)芯工作發(fā)熱量.

圖7 增加發(fā)熱電阻裝置圖

本階段試驗(yàn)增加機(jī)芯發(fā)熱模擬件,選用鋁制散熱器,半導(dǎo)體制冷片供電電壓為5 V,為了驗(yàn)證半導(dǎo)體制冷片的應(yīng)用可以有效控制高溫(55±3)℃水中攝像頭工作環(huán)境溫度.

本階段試驗(yàn)1是當(dāng)銅制蓄冷盒內(nèi)溫度約為21.4℃時(shí)將不銹鋼容器內(nèi)的裝置連同鋁制散熱器一并放入(55±3)℃熱水中,同時(shí)給機(jī)芯模擬件提供2 V的電壓,由SIN-T6溫度計(jì)記錄蓄冷盒內(nèi)溫度,可驗(yàn)證在(55±3)℃水環(huán)境中,只有機(jī)芯模擬件工作時(shí)蓄冷盒內(nèi)的最高溫度.

本階段試驗(yàn)2是當(dāng)銅制蓄冷盒內(nèi)溫度約為21.4℃時(shí)將不銹鋼容器內(nèi)的試驗(yàn)裝置連同鋁制散熱器一并放入(55±3)℃熱水中,同時(shí)給半導(dǎo)體制冷片和機(jī)芯模擬件分別提供5 V和2 V的電壓,由SIN-T6溫度計(jì)記錄蓄冷盒內(nèi)溫度,可驗(yàn)證在半導(dǎo)體制冷片和機(jī)芯模擬件同時(shí)工作情況下,蓄冷盒內(nèi)的最高溫度.

兩次試驗(yàn)的溫度曲線如圖8所示,由圖可知在(55±3)℃水中,兩次試驗(yàn)的溫度曲線都是先上升后趨于平穩(wěn),其中前一次試驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)溫度約為70℃,第二次試驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)溫度約為54℃.

圖8 模擬機(jī)芯工作時(shí)半導(dǎo)體制冷片的制冷效果

試驗(yàn)說(shuō)明只有機(jī)芯工作時(shí),其工作環(huán)境溫度會(huì)上升到大約70℃,在該溫度下機(jī)芯會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞,不能完成視頻檢查工作;增加半導(dǎo)體制冷片后,溫度能有效控制在54℃左右,低于機(jī)芯的工作極限溫度(60℃),能夠保證機(jī)芯的正常工作.

3 結(jié) 論

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了半導(dǎo)體制冷片的制冷效果并不與電壓成正比,制冷片熱端的散熱效率越高,制冷效果越好;在空氣中熱管散熱器的散熱效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋁制散熱器,但是在(55±3)℃熱水中,鋁制散熱器的散熱效果反而超過(guò)了熱管散熱器,這說(shuō)明要根據(jù)不同的工作環(huán)境選用適合的散熱器;試驗(yàn)驗(yàn)證了半導(dǎo)體制冷片的應(yīng)用可以有效控制(55±3)℃水環(huán)境中攝像頭工作溫度,應(yīng)用該技術(shù)可以解決核電廠換料水池高溫水下區(qū)域視頻檢查時(shí)的停機(jī)問(wèn)題.