高溫水環(huán)境下攝像頭機芯的半導(dǎo)體冷卻結(jié)構(gòu)和實驗研究

劉芙蓉 盤瀟瀟 李宜全 袁顯寶 胡 濤 李 響 陳保家

(1.三峽大學 湖北省水電機械設(shè)備設(shè)計與維護重點實驗室,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學 機械與動力學院,湖北 宜昌 443002;3.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司,武漢 430223)

核電廠換料水池水溫高達(55±3)℃,且具有強輻射性,屬于人員不可達區(qū)域,只能通過視頻檢查技術(shù)進行檢測.但在視頻檢查時,攝像頭機芯會產(chǎn)生熱量,若熱量不能及時傳到外界會使機芯工作環(huán)境溫度過高,信噪比和靈敏度降低,圖像的畫質(zhì)變差,甚至會停機.為了使機芯能在正常溫度下工作,滿足現(xiàn)場使用要求,本文對相機制冷進行了研究,為其加裝制冷裝置.

目前,可見光相機多采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)進行制冷,具有代表性的設(shè)備廠商主要有意大利DTA公司和美國ROPER公司,國內(nèi)的浙江大學、中科院長春光機所等單位在這方面也有相應(yīng)的研究,但均處于試驗階段,市場尚無成熟的國產(chǎn)制冷相機產(chǎn)品出現(xiàn).張超[1]等提出了制冷型低照度CMOS相機的各項設(shè)計要求,確定了成像系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu);王兵等[2]對基于半導(dǎo)體制冷的CCD相機硬件進行了設(shè)計,設(shè)計了半導(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)計了CCD天文相機制冷腔的機械結(jié)構(gòu).劉鵬[4]利用肋片風扇散熱器對LED汽車前照燈進行扇熱設(shè)計等.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)簡單的設(shè)備中更具有優(yōu)勢.本文在前人對散熱器研究的基礎(chǔ)上選用熱管散熱器和鋁制散熱器進行試驗研究.雖然已有諸多學者對制冷相機進行了研究,但這些相機大都應(yīng)用在空氣中,還未曾涉及到在高溫水下利用半導(dǎo)體對相機進行制冷,也沒有為高溫水下半導(dǎo)體制冷片的散熱選擇合適的散熱器.

因此,本文針對核電廠的實際檢查環(huán)境,利用半導(dǎo)體制冷片對機芯的制冷結(jié)構(gòu)進行了實驗研究,并在室溫空氣中和高溫水環(huán)境下對熱管散熱器和鋁制散熱器進行散熱效果對比,在模擬現(xiàn)場機芯發(fā)熱的條件下研究半導(dǎo)體制冷片的制冷效果.試驗表明半導(dǎo)體制冷片和散熱器的使用能夠使機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問題,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,每一對熱電偶之間通過金屬電極相互串聯(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.當接通直流電后,電荷從P型材料移動到N型材料時從外界吸收能量,在接頭處形成冷端;反之,便釋放能量,形成熱端.該制冷方式簡單可靠,體積小、重量輕,沒有機械運動部件[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)體溫差電動勢率為S,半導(dǎo)體熱端溫度為Th,冷端溫度為Tc,冷熱端溫差ΔT,電偶對總電阻為R,半導(dǎo)體的總熱導(dǎo)為K,熱電偶對數(shù)為N,αP為P型材料的溫差電動勢率,αN為N型材料的溫差電動勢率,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芯,熱面與散熱器接觸,只要熱量能通過散熱器有效散發(fā)掉就能降低機芯工作環(huán)境溫度.

2 試驗裝置與方法

2.1 室溫空氣中試驗

試驗裝置如圖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、3M8810雙面導(dǎo)熱膠紙、不銹鋼密閉容器(起裝置防進水和導(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,其實用性和經(jīng)濟性都超過銅散熱器.

圖2 試驗裝置布局

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溫度計記錄溫度試驗數(shù)據(jù),每隔60 s采樣一次,繪制溫度曲線圖.

本階段試驗在空氣中室溫條件下進行,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)上對比鋁制散熱器和熱管散熱器的散熱效果,為后續(xù)試驗做準備.

2.1.1 工作電壓與制冷效果試驗

由圖3可知,在3～8 V電壓對比試驗中,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,這說明半導(dǎo)體制冷片的工作電壓并不是越大越好,當采用同一種散熱器(散熱強度不變)時,增大電壓,電偶臂產(chǎn)生的焦耳熱也更多,熱量不能及時散發(fā)出去使局部溫度上升,熱量會從半導(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

2.1.2 鋁制散熱器和熱管散熱器對比試驗

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,說明熱管散熱器散熱效果遠超過鋁制散熱器,其中4 V時半導(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比試驗

室溫中實驗確定了文中半導(dǎo)體制冷片的較佳工作電壓,為后續(xù)實驗提供了依據(jù).實驗還驗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

該階段試驗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SIN-T6溫度計,裝置如圖5所示.

圖5 高溫水中實驗裝置圖

在一個長480 cm、寬400 cm、高350 cm的塑料箱中裝進大約250 cm高的水,將第一階段的實驗裝置浸沒在水箱內(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EB-302型號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1和SIN-T6溫度計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.本階段試驗將半導(dǎo)體制冷片電壓設(shè)為4、5和6 V,對比(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的溫度曲線下降速度更快、幅度更大,說明其散熱效果均優(yōu)于熱管散熱器.半導(dǎo)體制冷片在5 V時制冷效果最佳,能使機芯內(nèi)工作環(huán)境溫度由(55±3)℃降至37℃左右,滿足機芯的正常工作條件.因此,下一階段試驗優(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)熱實驗

如圖7所示,在高溫水中實驗裝置的基礎(chǔ)中,在蓄冷盒內(nèi)增加水泥發(fā)熱電阻模擬機芯發(fā)熱,并增加一個直流調(diào)壓電源為電阻供電,其他實驗裝置不變.由于工程實踐中使用的相機的發(fā)熱功率大約為2 W,故采用4個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,由此模擬機芯工作發(fā)熱量.

圖7 增加發(fā)熱電阻裝置圖

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

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

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

圖8 模擬機芯工作時半導(dǎo)體制冷片的制冷效果

試驗說明只有機芯工作時,其工作環(huán)境溫度會上升到大約70℃,在該溫度下機芯會嚴重損壞,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,低于機芯的工作極限溫度(60℃),能夠保證機芯的正常工作.

3 結(jié) 論

通過試驗驗證了半導(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遠優(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了熱管散熱器,這說明要根據(jù)不同的工作環(huán)境選用適合的散熱器;試驗驗證了半導(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)域視頻檢查時的停機問題.