基于特殊环境要求的电气部件温度适应性加固技术研究

发布时间：2017-03-30 19:13

  本文关键词：基于特殊环境要求的电气部件温度适应性加固技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：伴随着电气技术的发展,为了满足更多功能的需求,将更多高性能、高功耗元件集成在电气部件上,电气部件向高集成方向发展。受到安装空间或是工作环境的限制,电气部件朝着小型化方向发展。电气部件在封闭的条件下或在高温环境中长时间工作,将导致散热困难。上述这些因素都会带来电气部件温度适应性问题。特别是航空航天领域里,电气部件所处环境温差变化大,空间有限,条件苛刻,在恶劣的环境温度下,电气部件的性能会下降,影响可靠性和工作寿命。为保证电气部件的宽温适应能力,本课题以提升电气部件温度适应性为目的,选取热电制冷器为加固技术途径,对电气部件温度适应性加固系统的传热特性进行相应分析,研制热控系统,为电气部件创造合适的工作环境温度。本阶段目标为将电气部件的温度环境适应性从-40℃~+60℃提升至-55℃~+70℃。作为研究电气部件温度适应性加固系统传热特性与热电控制的基础,对热电制冷器工作特性的研究有着重要意义。首先应用热阻网络法对典型的单级热电制冷组件进行数学建模,得控制端热流量(cQ)以及性能系数(COP)这两个表征热电制冷器工作性能的参数在稳态条件下的解析解,分析电流,散热器换热热阻等参数对热电制冷器工作性能的影响。给出一定设计工况下,取性能系数最优值时,电流和换热热阻的取值区间。接着针对目前运用温度场理论计算或者实验方法进行电气部件加固系统传热特性研究均较为复杂、不便的问题,通过合理的机理分析与简化,建立起电气部件加固系统热网络模型和节点热平衡方程,从热网络模型中提取出不确定性热网络参数并进行计算。通过热网络数学模型以及计算所得的设计参数,对电气部件工作环境温度进行数值分析仿真,以便对热控资源进行合理分配,对热控设计进行指导和优化。然后针对传统的温度适应性加固方法中“设计后处理”的弊端,在将设计转化成试验样机前引入热仿真分析,运用基于有限体积法的热分析软件FloTHERM对电气部件温度适应性加固系统进行温度场的热模拟仿真,检验“准设计”的合理性。最后为了对电气部件工作空间进行恒温控制,设计了基于热电制冷器的控制器。考虑到加固系统包含多个传感器和多片热电制冷片,采用单向温度控制、温度梯度偏差和PID算法为控制策略。构建热控实验平台,对电气部件工作环境进行热电恒温控制的实验。在低温-55℃时,加固系统能够将电气部件工作环境温度上升至-22℃,高温70℃时,能将工作环境温度降低至50℃。实验结果表明了热网络分析的有效性和温度适应性加固设计的合理性。
【关键词】：电气部件 温度适应性加固 热电制冷器 热阻网络 FloTHERM
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB65
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 选题的背景及意义11-12
• 1.2 温度适应性加固技术国内外研究现状和发展趋势12-16
• 1.2.1 热设计发展现状及趋势12-14
• 1.2.2 热控技术发展现状及趋势14-16
• 1.3 热分析基本理论16-20
• 1.3.1 基本传热方式16-19
• 1.3.2 热网络法19-20
• 1.4 本文的主要研究内容及结构安排20-22
• 2 单级热电制冷器的建模方法及特性分析22-31
• 2.1 单级热电制冷器的数学模型22-24
• 2.2 单级热电制冷器工作特性的稳态分析24-29
• 2.3 本章小结29-31
• 3 电气部件温度适应性加固系统热网络分析31-45
• 3.1 加固系统的箱体结构31
• 3.2 电气部件加固系统的热网络模型31-35
• 3.3 加固系统热需求分析与计算35-40
• 3.3.1 冷热负荷计算35-36
• 3.3.2 热电制冷器非控制端散热器设计36-38
• 3.3.3 热电制冷器工作电流的最佳选择38-39
• 3.3.4 总制冷制热量和电源功率39-40
• 3.4 数值模拟与结果分析40-44
• 3.5 本章小结44-45
• 4 基于FloTHERM软件的温度场仿真分析45-54
• 4.1 软件介绍45
• 4.2 加固系统温度场仿真分析45-52
• 4.3 本章小结52-54
• 5 TEC温度控制器设计54-60
• 5.1 温度控制器组成54-57
• 5.1.1 信号采集模块56-57
• 5.1.2 温控执行模块57
• 5.2 温度控制策略57-59
• 5.3 本章小结59-60
• 6 实验结果与分析60-67
• 6.1 实验系统介绍60-61
• 6.2 实验与结果分析61-66
• 6.2.1 低温工况热控实验61-63
• 6.2.2 高温工况热控实验63-66
• 6.3 本章小结66-67
• 7 总结与展望67-69
• 7.1 本文的主要工作及创新点67-68
• 7.2 未来工作的展望68-69
• 参考文献69-72
• 附录A72-73
• 附录B73-75
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果75

【参考文献】

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本文编号：277869