1 引言
溫度調節板為紅外隱身系統的基本組成部件，溫度調節板接收發出的信息并作為指令溫度對溫度調節板表面溫度進行控制。主要功能是接收串行總線的溫度指令，對溫度調節板外表面實現溫度控制，以模擬環境紅外輻射強度。
2 結構概況
溫度調節板結構如圖1所示，由蓋板、半導體制冷片、墊塊、底蓋板、溫度控制組件等構成。溫度傳感器安裝于蓋板上，負責對蓋板溫度進行測量，半導體制冷片為熱轉換器件，可以根據溫度控制組件收到的指令溫度，調節蓋板的溫度。墊塊負責在半導體制冷片和底蓋板之間傳遞熱量，（在整個系統中底蓋板與底板充分接觸，底板有較大熱容，以使墊塊在制冷片工作過程中保持恒溫）。蓋板與底蓋板之間采用密封條隔熱連接，螺釘與蓋板采用襯套連接，以防止熱傳導。
圖1 溫度調節板結構示意圖
3 材料屬性
分別分析底蓋板兩種材料的情況，材料參數詳見下表。
表1 材料特性表
4 熱載荷及熱邊界條件
1）熱傳導
導熱系數是物質的一種物理性質，表示物質的導熱能力的大小，導熱系數值越大，物質的導熱性能越好。導熱系數只能實際測定。本報告中材料的導熱系數在表1中已經給出。
2）對流
對流換熱系數的大小與傳熱過程中的許多因素有關。它不僅取決于物體的物性、換熱表面的形狀。大小相對位置，而且與流體的流速有關。
對于熱對流在高溫計算時對流系數比較難確定，而且對流系數對計算的影響較大。在本報告中，當蓋板與內外表面空氣有溫差時，熱傳遞功率P=S*ΔT*h； S為面積，ΔT為溫差；h為常數5W/（m2·℃）。
3)輻射
輻射與吸收過程的綜合作用造成了以輻射方式進行的物體間的熱量傳遞，稱輻射換熱。輻射換熱是一個動態過程，當物體與周圍環境溫度處于熱平衡時，輻射換熱量為零，但輻射與吸收過程仍在不停的進行，只是輻射熱與吸收熱相等。
溫度調節板是因為熱的原因而發生的輻射，屬于熱輻射。當蓋板與外表面空氣有溫差時，輻射傳遞功率P= S*δ(T1²*T1²-T2²*T2²)；δ=5.67*10-9w/(m2k4)；S為蓋板外表面面積。控制熱輻射能量大小的是由輻射力決定的。本報告中輻射換熱系數取0.8。
5 溫度調節板仿真分析模型
5.1 幾何模型
為了減小計算量，沿對稱面取溫度調節板的一半進行計算，部分溫度控制組件對結果影響不大，在計算中略去，其仿真計算幾何模型，如圖2所示。
圖2 幾何模型
5.2 有限元網格模型
采用四面體單元對溫度調節板進行網格劃分，單元數266397，節點數為478672其有限元網格模型如圖3所示。
圖3 有限元網格模型
6 制冷片對蓋板加熱時的計算結果
初始階段，底蓋板、墊塊、蓋板、制冷片、空氣溫度都為-10℃，然后制冷片以13W的功率給蓋板加熱，當蓋板表面指定點溫度為-5℃時，分析外表面的溫度分布情況，并給出外表面溫度分布云圖，以及溫度在外表面直徑上的分布函數圖形。
6.1 底蓋板材料為OCr15Ni5Cu2Nb
制冷片以13W的功率給蓋板加熱， 加熱到47s時蓋板給定位置處溫度由-10℃上升至-5℃，如圖4所示。此時表面溫度分布云圖如圖5所示。
圖4 指定點溫度升至-5℃
圖5 指定點溫度升至-5℃時外表面溫度云圖
當指定點的溫度達到-5℃時，在蓋板表面處指定一路徑如圖6所示，得到該路徑的外表面溫度分布數據梯度如圖7。
圖6 蓋板指定路徑
圖7 蓋板指定路徑溫度分布梯度
在制冷片加熱過程中，蓋板的最高溫度和最低溫度的溫差隨加熱時間的增加而變化，變化曲線如圖8所示。
圖8 蓋板溫差隨時間變化曲線
6.2 底蓋板材料為鋁合金LY12
制冷片以13W的功率給蓋板加熱，加熱到55s時，蓋板給定位置處溫度由-10℃上升至-5℃，如圖9所示。此時表面溫度分布云圖如圖10所示。
圖9 指定點溫度升至-5℃
圖10 指定點溫度升至-5℃時外表面溫度云圖
當指定點的溫度達到-5℃時，在蓋板表面處指定一路徑如圖11所示，得到該路徑的外表面溫度分布數據梯度如圖12。
圖11 蓋板指定路徑
圖12 蓋板指定路徑溫度分布梯度
在制冷片加熱過程中，蓋板的最高溫度和最低溫度的溫差隨加熱時間的增加而變化，變化曲線如圖13所示。
圖13 蓋板溫差隨時間變化曲線
7 制冷片對蓋板制冷時的計算結果
初始階段，底蓋板、墊塊、蓋板、制冷片、空氣溫度都為30℃，然后制冷片以13W的功率給蓋板制冷，當蓋板表面指定點溫度為25℃時，分析外表面的溫度分布情況，并給出外表面溫度分布云圖，以及溫度在外表面直徑上的分布函數圖形。
7.1 底蓋板材料為OCr15Ni5Cu2Nb
制冷片以13W的功率給蓋板制冷，制冷到48s時，上蓋板給定位置處溫度由30℃下降至25℃，如圖14所示。此時表面溫度分布云圖如圖15。
圖14 指定點溫度降至25℃
圖15 指定點溫度降至25℃時外表面溫度云圖
當指定點的溫度降到25℃時，在蓋板表面處指定一路徑如圖16所示，得到該路徑的外表面溫度分布數據梯度如圖17。
圖16 蓋板指定路徑
圖17 蓋板指定路徑溫度分布梯度
在制冷片制冷過程中，蓋板的最高溫度和最低溫度的溫差隨制冷時間的增加而變化，變化曲線如圖18所示。
圖18 蓋板溫差隨時間變化曲線
7.2 底蓋板材料為鋁合金LY12
制冷片以13W的功率給蓋板制冷，制冷到56s時，上蓋板給定位置處溫度由30℃下降至25℃，如圖19所示。此時表面溫度分布云圖如圖20。
圖19 指定點溫度降至25℃
圖20 指定點溫度降至25℃時外表面溫度云圖
當指定點的溫度降到25℃時，在蓋板表面處指定一路徑如圖21所示，得到該路徑的外表面溫度分布數據梯度如圖22。
圖21 蓋板指定路徑
圖22 蓋板指定路徑溫度分布梯度
在制冷片制冷過程中，蓋板的最高溫度和最低溫度的溫差隨制冷時間的增加而變化，變化曲線如圖23所示。
圖23 蓋板溫差隨時間變化曲線
8 結論和改進方案
由以上第6節和第7節溫度計算，可以得出：
（一）制冷片加熱
1）制冷片加熱，使蓋板指定點溫度由-10℃上升到-5℃。當底蓋板材料為OCr15Ni5Cu2Nb時，加熱時間為47s，當底蓋板材料為鋁合金LY12時，加熱時間55s。可知，底蓋板的導熱性能越好，蓋板達到指定溫度所需要的加熱時間越長。
2）蓋板指定點溫度達到-5℃時，底蓋板兩種材料指定路徑上的溫度分布梯度對比如圖24所示。可知當底蓋板材料為鋁合金LY12時溫度梯度變化較平緩。
3）制冷片加熱，蓋板指定點溫度達到-5℃，底蓋板為兩種不同材料時，蓋板表面最大溫差隨時間變化曲線如圖25所示，可知當底蓋板材料為鋁合金LY12，導熱性能較好，蓋板表面的溫差變化較小。
圖24 不同材料蓋板指定路徑溫度分布梯度
圖25 蓋板溫差隨時間變化曲線（加熱）
（二）制冷片制冷
1）制冷片制冷，使蓋板指定點溫度由30℃下降到到25℃。當底蓋板材料為OCr15Ni5Cu2Nb時，制冷時間為48s，當底蓋板材料為鋁合金LY12時，制冷時間56s。可知，底蓋板的導熱性能越好，蓋板達到指定溫度所需要的制冷時間越長。
2）蓋板指定點溫度達到25℃時，底蓋板兩種材料指定路徑上的溫度分布梯度對比如圖26所示。可知沿著指定路徑方向，前半程當底蓋板材料為OCr15Ni5Cu2Nb時溫度梯度變化較平緩，后半程當底蓋板材料為鋁合金LY12時，溫度梯度變化較平緩。
3）制冷片制冷，蓋板指定點溫度達到25℃，底蓋板為兩種不同材料時，蓋板表面最大溫差隨時間變化曲線如圖27所示，可知當底蓋板材料為鋁合金LY12，導熱性能較好，蓋板表面的溫差變化較小。
圖26 不同材料蓋板指定路徑溫度分布梯度
圖27 蓋板溫差隨時間變化曲線（制冷）
綜合上述結論分析，建議采取以下措施減小蓋板表面溫差變化：①改變下蓋板材料；②增加蓋板厚度；③增大制冷片與蓋板的接觸面積；④蓋板制冷片的功率。
核心關注：拓步ERP系統平臺是覆蓋了眾多的業務領域、行業應用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業務管理理念，功能涉及供應鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業務領域的管理，全面涵蓋了企業關注ERP管理系統的核心領域，是眾多中小企業信息化建設首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉載請注明出處：拓步ERP資訊網http://www.guhuozai8.cn/
相關文章
