一種精密溫控恒溫箱研制

王甜+劉魯軍+丁飛+胡城鎮(zhèn)+葉誠

摘 要：文章介紹的是一種在戶外環(huán)境工作且需精密溫控的恒溫箱。該恒溫箱安裝有兩臺熱電制冷設(shè)備，其中一臺與均溫板相連，恒溫箱設(shè)計為兩級降溫模式，通過一臺熱電制冷設(shè)備調(diào)節(jié)箱體內(nèi)的空氣溫度，另一臺與均溫板相連并且將需精密溫控的模塊安裝于均溫板上部，對其進行溫度的緊密控制。箱體選用鋁材，箱體內(nèi)壁及頂部都黏貼有保溫材料，對箱體進行全面保溫。另外，箱體整體考慮了密封設(shè)計、散熱設(shè)計、減震設(shè)計及加工工藝。

關(guān)鍵詞：恒溫；密封；溫控；保溫

中圖分類號：TB657 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）35-0016-02

1 恒溫箱概述

恒溫箱使用的環(huán)境溫度為-40℃～50℃，箱體設(shè)計為矩形，尺寸為460×570×240mm，頂部有可拆卸蓋板，材料選用鋁板，箱體底部四角有固定安裝孔。箱體總重量為25kg，兩側(cè)設(shè)計有把手，便于箱體的搬移及安裝。箱體頂部和底部各有一臺熱電制冷模組，采用兩級降溫模式，一臺用于降低箱體內(nèi)部空氣溫度，另一臺在次基礎(chǔ)上控制對溫度精度要求較高的設(shè)備溫度的恒定。箱體內(nèi)壁、底部及頂蓋使用20mm隔熱材料聚氨酯硬質(zhì)泡棉進行隔熱保溫，保溫材料表面黏貼鋁制金屬膜，利于內(nèi)部冷風均勻傳導(dǎo)。箱體設(shè)計為戶外型，其連接器及熱電制冷模組選用戶外型產(chǎn)品，在對外接口位置設(shè)計有密封槽，密封槽內(nèi)黏貼管型橡膠條，可有效密封防水，箱體外部設(shè)計有防雨罩，可有效防止雨水直接沖刷設(shè)備。

2 密封設(shè)計

恒溫箱使用環(huán)境為戶外，安裝于車載式雷達天線轉(zhuǎn)臺外壁上，箱體在設(shè)計時考慮了整體密封防水性，防護等級可達到IP55。箱體對外的開口有四處，分別是頂部熱電制冷模組，底部熱電制冷模組、右側(cè)連接器開孔和蓋板開口處。頂部及底部熱電制冷模組為戶外型，防護性能為IP55，同時在熱電制冷模組與箱體連接的位置設(shè)計密封槽，內(nèi)置密封條，使用螺釘壓緊橡膠條對箱體進行密封。箱體頂部蓋板位置也設(shè)計有密封槽，通過蓋板螺裝壓緊以達到防水目的。對外連接器選用氣密型連接器，連接器法蘭設(shè)計有密封圈，可有效防止雨水進入箱體。同時箱體外部制冷器設(shè)計有防雨罩，可防止大雨的直接沖刷，解決了制冷單元外部防雨的問題；恒溫箱內(nèi)壁安裝有多個模塊，內(nèi)壁設(shè)計為7mm，分布有多個盲孔，模塊使用螺釘固定于內(nèi)壁上，盲孔的設(shè)計可以方便設(shè)備的安裝，也能夠保證箱體內(nèi)部的密封性。

3 熱設(shè)計

3.1 方案概述

為保證系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)采用兩級恒溫措施。第一級通過一個AA型（Air-to-Air Systems）熱電制冷模組控制盒體內(nèi)部溫度在40℃±10℃范圍內(nèi)，第二級把幾個需要恒溫的模塊固定在均溫板上，通過一個DA型（Direct-to-Air Systems）熱電制冷模組控制均溫板的溫度在35℃±0.5℃。

3.2 熱電制冷模組選型

盒體內(nèi)部總發(fā)熱量共計90W，盒體與外界環(huán)境在溫差20℃時的熱泄漏，ΔT=30W，因此需要選擇一款內(nèi)外溫差≤20℃時制冷量≥120W的熱電制冷器來調(diào)節(jié)盒體內(nèi)部空氣的溫度。

AA型熱電制冷模組是一款戶外產(chǎn)品，ΔT在20℃時，制冷量達到130W，因此它能夠滿足恒溫箱所需的溫度要求。它可以根據(jù)溫度的變化來轉(zhuǎn)換冷暖，調(diào)節(jié)溫度，它的TEC兩端各放置一塊翅片，在翅片頂端各有一片風扇，通過風扇把翅片的熱量或者冷量帶走，從而對周圍的環(huán)境進行加熱或者冷卻。它的最大制冷量達到244W，最大制熱量達到250W，采用24V直流電，最大電流12.1A，重量6.3kg。

殼體內(nèi)安裝有均溫板且裝配了四個需要恒溫的模塊，其總發(fā)熱量共計21.9W，因此需要選擇一款內(nèi)外溫差≤20℃時制冷量≥22W的熱電制冷器來調(diào)節(jié)均溫板的溫度。根據(jù)效率曲線圖， DA型熱電制冷模組，ΔT在20℃時，制冷量可達到36W，它能夠滿足恒溫模塊所需的溫度要求。DA型熱電制冷模組只有熱端裝有翅片和風扇，冷端直接緊貼發(fā)熱元件并對其進行冷卻。它的最大制冷量達到71W，采用24V直流電，最大電流4.6A，重量1.7kg。

3.3 均溫板選型

均溫板結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由密封容器腔、支撐柱、毛細結(jié)構(gòu)及工作流體組成。腔體通過填充工作流體并抽真空的方式給予腔體內(nèi)一低壓真空環(huán)境后進行密封，其中腔體受熱部分稱為蒸發(fā)區(qū)，與熱沉進行熱交換的部分稱為冷凝區(qū)。工作流體蒸發(fā)區(qū)吸收熱量汽化并迅速擴張至整個腔體，在冷凝區(qū)放出熱量冷凝成液態(tài)，液態(tài)工質(zhì)通過毛細結(jié)構(gòu)返回蒸發(fā)區(qū)，如此循環(huán)實現(xiàn)熱量的快速傳遞。

均溫板性能指標如下，導(dǎo)熱系數(shù)≥5000W/mk，最大熱流密度：150W/cm2，最小厚為1.5mm。殼體材料選用鋁合金。其工作溫度范圍為-60～150℃。受恒溫箱的結(jié)構(gòu)形態(tài)和布局影響，選用L型均溫板，均溫板一面放置需要恒溫的四個模塊，另一面緊貼TEC制冷單元冷面。

3.4 泡棉的選擇

恒溫箱內(nèi)能否達到溫度范圍要求，保溫材料有著關(guān)鍵的作用。保溫材料的材質(zhì)、使用溫度、導(dǎo)熱系數(shù)等都需要進行嚴格的篩選。

表1給出一些隔熱材料的特性。

根據(jù)到上述條件，考慮到恒溫箱的實際使用條件，決定選擇聚氨酯硬質(zhì)泡沫作為恒溫控制系統(tǒng)的隔熱材料，厚度選用20mm，它的導(dǎo)熱系數(shù)小，使用溫度范圍廣，抗壓強度適中，能起到很好的隔熱保溫效果。恒溫箱內(nèi)的隔熱泡沫緊貼于箱體內(nèi)壁，泡沫上有很多形狀不同的安裝孔，為了保證安裝精度，泡沫的加工也需要精度的保證。選用的泡沫材質(zhì)較為緊密，硬度較強，可以進行機械加工成各種形狀，并且精度能夠達到所需要求。另外為防止熱泄露，在泡沫挖孔面積較大處，在設(shè)備安裝后根據(jù)空缺的形態(tài)，加工合適的泡沫進行填補，同時在泡沫連接處有縫隙的位置，使用鋁制膠黏貼，基本對箱體內(nèi)部保溫的做到完全的防護。

4 加工工藝

恒溫箱在材料選擇上選用鋁板，箱體尺寸較大，傳統(tǒng)鋁塊機械加工方式費用偏高，效率極低，不適合該箱體的加工，因此考慮選用攪拌摩擦焊的加工方式。它是一種新型的但較為成熟的焊接方式其主要有以下優(yōu)點殘余應(yīng)力低、不易變形、操作簡單、能耗抵且效率高，焊接處的強度可達到母材的85%以上。

矩形箱體的焊接，首先需要對箱體進行拆分，將箱體拆分為五個零件，即左壁、右壁、上壁、下壁、底部，首先將五個零件進行機械加工成型，再將殼體的四壁焊接成型，最后將殼體底部與四壁焊接，焊接完成后再對局部進行加工最終完成殼體的焊接。箱體選用攪拌摩擦焊透率較高、焊縫強度高，加工效率高，成本適中，焊接成型后箱體的平面度能夠控制在0.1mm以下，而且焊縫成形美觀、能夠達到設(shè)計的技術(shù)要求。

5 溫度控制設(shè)計

箱體內(nèi)部裝配有溫度控制模塊，該模塊與兩個熱電制冷器以及箱體內(nèi)部的四個溫度傳感器相連。溫度傳感器對箱體內(nèi)部各個點的溫度進行監(jiān)測，將溫度回傳至溫控模塊，根據(jù)反饋結(jié)果來控制熱電制冷器對溫度進行適宜的調(diào)節(jié)。

6 結(jié)束語

本文分別從密封設(shè)計、熱設(shè)計、工藝及溫度控制這幾個方面對雷達接收系統(tǒng)恒溫箱進行綜合設(shè)計。恒溫箱的關(guān)鍵指標在于溫度的恒定精度，本文的創(chuàng)新性在于通過兩級溫控的模式對箱體進行綜合降溫，分別通過使用不同功能的熱電制冷器，并配合均溫板，來實現(xiàn)溫度的高精度恒定控制。接收系統(tǒng)恒溫箱在加工工藝上創(chuàng)新性的使用攪拌摩擦焊的方式進行加工，在保證強度和密封性的條件下提高了加工效率、節(jié)省了成本，同時也更加環(huán)保。在溫度控制設(shè)計上，采用模糊PID控制算法來實現(xiàn)溫度的恒定。

參考文獻：

[1]劉士光，包長春，馬叔英，等.新型恒溫恒濕箱測控系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2001，9.

[2]操建華.自適應(yīng)模糊PID在溫度控制中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（5）：110-111，114.

[3]邱成悌，趙 殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2001：82-89，99-104，132.

[4]田茹，趙勇.恒溫恒濕箱的創(chuàng)新設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，03.endprint