原子惯性仪表加热磁屏蔽系统的热分析

郭 勇，董全林，王鹏飞，陈 瑶，全 伟，房建成

(1.微纳测控与低维物理教育部重点实验室,北京 100191；2.惯性技术国家重点实验室，北京 100191；3.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191)



原子惯性仪表加热磁屏蔽系统的热分析

郭 勇1,2,3，董全林1,2,3，王鹏飞1,2,3，陈 瑶2,3，全 伟2,3，房建成2,3

(1.微纳测控与低维物理教育部重点实验室,北京 100191；2.惯性技术国家重点实验室，北京 100191；3.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

重点分析了原子惯性仪表加热磁屏蔽系统的传热过程，分别建立了加热磁屏蔽系统初步设计的试验和系统三维模型，利用有限元分析软件ANSYS Workbench对其进行了稳态的热特性分析。结果表明试验模型仿真结果与测试得到的结果相符合，验证了热仿真的可靠性。而系统模型仿真结果表明水冷表面温度受水冷载体材料特性的影响较大，其关系曲线可为下一步水冷结构设计及材料的选择提供参考，并通过仿真得到了系统各层筒的导热性能，为结构的改进设计提供了参考依据。

加热系统；传热分析；热仿真；ANSYS Workbench

0 引言

在设计此加热磁屏蔽系统时，需要进行各种专项试验，来验证所设计的产品结构等是否合理，也为下一步的设计如水冷提供依据。尤其是加热实验的设计，可观察测量磁屏蔽系统中各结构的温度变化，但是实际试验由于条件的限制，往往只能测量试件上几个点的温度值，而热仿真软件可以获得整个系统的温度场分布，且可通过热-结构耦合分析系统中各结构的热变形等。尤其是在一些试验设备无法达到的极值试验条件下或者试验件数量少且价格极其昂贵的情况下，温度试验热仿真将更能充分显示出其独特的优势[10]。

热仿真是对器件在特定热载荷作用下形成的温度分布进行仿真分析。本文基于ANSYS Workbench的热分析和热-结构耦合分析功能，应用传热学知识[11]，对原子惯性仪表的加热磁屏蔽系统进行了热仿真分析。这对于全面分析系统结构设计是否合理以及各结构材料的选择是否满足要求提供指导作用且为下一步的水冷设计提供重要依据。

1 加热磁屏蔽系统的组成

使用SolidWorks建模软件完成加热磁屏蔽系统初步设计模型如图1所示，由内而外，首先是原子泡，通过泡柄支撑管被固定于陶瓷炉中心，加热片贴于陶瓷炉的6个外表面，对原子泡进行加热。再往外分别是PEEK真空隔热层，主动屏蔽线圈筒，铁氧体以及水冷组件。最后外面还有4层薄的屏蔽筒。

图1 加热磁屏蔽系统结构组成示意图

2 加热磁屏蔽系统传热过程分析

在加热室外面虽然有隔热筒隔热，但仍有热量从加热片传递出来，分析整个磁屏蔽系统的温度场分布就变得尤为重要，这涉及到水冷的设计和外层屏蔽线圈骨架等材料的选择。

根据3种基本的传热方式，分析在水冷设计前，系统的传热过程如图2所示。

图2 加热磁屏蔽系统传热过程示意图

发热源有2处，分别是粘于陶瓷炉表面的电阻丝加热片和主动磁屏蔽线圈，但此线圈发热功率极小，与加热片加热功率相比，可忽略不计。所以发热源只考虑电阻丝加热片。一方面加热片通过导热将热量传递给陶瓷炉，陶瓷炉再通过辐射和导热将热量传递给原子泡。实现原子泡加热的目的。另一方面，加热片和陶瓷炉外表面对外都有热辐射，也可将热量通过辐射方式传递给真空隔热层，再通过导热将热量依次传递给屏蔽线圈筒、铁氧体和水冷组件等,直至最外面环境。

3 加热磁屏蔽系统热仿真分析

原子泡的工作温度要求稳定在200 ℃，其由温控系统控制。本次试验主要分析加热片对外的传热，来分析各结构材料的选择是否满足要求，且还为水冷结构的设计提供基础。所以需要知道若不加水冷管，需水冷的材料表面可到达的最高温度和此时水冷表面的热负荷。并分析各层材料的导热性能。

就以观赏石的分类而论，古典观赏石的分类因受制于科学技术和生产力条件的约束，就只有灵壁石、太湖石、昆石、英石四大类型为正宗，延续了上千年。

本次仿真从结构相对简单的实验模型开始，并结合传统的温度试验进行验证，逐渐向复杂结构的系统仿真过渡，得到系统的温度场分布。

3.1 试验模型建立

在现有的加热试验中，加热炉外只有隔热筒。且放于环境中进行试验，其实验结果是隔热筒外表面温度为60～70℃。建立与试验相对应的仿真模型，对模型进行简化，略去螺钉、螺母、圆角、安装孔等不影响热路模型的局部细节和小插件。建立与实验相对应的几何模型如图3所示。

图3 试验仿真模型

3.2 试验模型仿真过程与结果分析

在ANSYS Workbench中，有2种热分析方法，分别是稳态热分析和瞬态热分析，稳态热分析用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响，对应的瞬态热分析是用于分析计算一个系统随时间变化的温度场及其它热参数，其载荷是随时间变化的。在此次仿真中，只需仿真加热达到稳态(即原子泡工作温度为200℃)以后，热载荷恒定的温度分布，故应用稳态热分析。

将简化后的模型导入ANSYS Workbench平台中，要设置的边界条件如下：

(1)初始温度设为25℃;

(2)设置加热炉外表面与隔热筒内壁之间的辐射(加热炉及加热片表面辐射率为0.95，PEEK隔热筒表面辐射率为0.7)；

(3)设置隔热筒外表面对环境的辐射(环境温度为25 ℃，辐射率为0.7)；

(4)设置隔热筒与环境的对流换热(取空气对流换热系数为5 W/(m2·℃))。

其热载荷有两种设置方式：一种是设定加热片的热流Heat Flow值(实际为加热功率值)，使原子泡加热到200 ℃；另一种是设定加热片的温度为200 ℃直接进行仿真(即假定加热片的温度与原子泡的温差太小而可忽略不计)。

热载荷两种设置方式的仿真结果如图4和图5所示。

图4 热流热载荷的仿真结果

图5 温度热载荷的仿真结果

由仿真结果可知，当给加热片施加24 W的稳态加热功率(即每个加热片加热功率为4 W)时，其原子泡的温度为200 ℃，且可以看到其加热片的温度与原子泡温度相差甚小。从图4和图5可以得到，两种热载荷设置方式的仿真结果基本一致，说明热分析边界条件的设定是合理的。其隔热筒外表面最高温度都大致为70℃，基本与实验结果相符，验证了此次仿真结果的可靠性。为下一步作水冷结构设计打下基础。在仿真过程中，材料参数的误差、仿真过程中热辐射率的设定以及将对流作为简单边界条件施加是仿真与试验结果产生误差的主要原因。

3.3 系统模型仿真过程与结果分析

为确定水冷，需要知道若不加水冷设备，水冷表面可达到的最高温度，所以只需仿真到水冷结构就可，再将有些对散热影响小的螺钉等小零件取消，将各层筒结构简化，得仿真模型如图6所示。

图6 系统仿真模型

此次仿真的目的是确定水冷表面最高温度，所以假定在热量往外传递过程中，效率最大。故在几何模型中，各层筒之间是无间隙接触，在仿真过程中，自动生成的接触域会激活各部件间的热传导，不考虑接触热阻对传热的影响。由试验模型仿真结果可知，加热片和原子泡温度相差甚小。故可直接设置加热片温度为200℃进行仿真，其它边界条件设置如下：(1) 初始温度设为25℃;(2) 设置加热炉外表面与隔 热筒内壁之间的辐射(加热炉及加热片表面辐射率为0.95，PEEK隔热筒表面辐射率为0.7)；(3)最后，设置外部边界条件，如果没有水冷结构，水冷组件外面是空气。且由于此系统要抽真空，空气对流小，只需考虑水冷组件对外的辐射(辐射率依材料而定)。

在水冷组件设计时，水冷结构材料初步选定为紫铜，但不同表面的紫铜金属材料其辐射率是不同的，高度磨光表面的辐射率很小，而粗糙表面和受氧化作用后的表面的辐射率常常为磨光表面的数倍。本文将不同材料的辐射率代入分析，得到水冷表面的最高温度随辐射率的变化曲线如图7所示。

图7 水冷表面的最高温度随辐射率的变化曲线

由以上结果可观察到，水冷表面的温度随材料辐射率的变化较大，在做水冷设计时，在满足设计要求下，一方面应选用辐射率较大的紫铜表面，使热量通过辐射散热传播出去，避免温度过高，对磁屏蔽系统的各层材料性能造成影响。另一方面此结果对于水冷方式的选择也有很大参考价值，根据此结果可设计水冷和选择水冷设备。如极值情况下，若水冷结构材料的辐射率特别小，其热量只通过水冷传递出去，那么要水冷的表面温度可设置为130℃进行仿真分析。

3.4 加热磁屏蔽系统各层筒的导热性能分析

取3.3的结果进行分析，设水冷表面的辐射率为0.4。得到的仿真结果如图8所示。

图8 水冷表面辐射率为0.4的系统仿真结果

从上图可知，加热磁屏蔽系统中，隔热筒的隔热性能良好，其它各层筒的隔热效果较差。从图中也可以得到加热系统对各层筒的温度影响，这为后续结构的改进设计提供参考依据。

4 结论

利用ANSYS Workbench 稳态热分析方法和试验辅助，比较试验模型仿真结果与测试结果，验证了此次仿真的可靠性，并以此为基础，对设计的加热磁屏蔽系统进行热仿真，通过分析不同水冷组件材料的辐射率大小对系统温度场尤其是水冷表面温度的影响，为下一步水冷材料的选择提供理论依据，得到在满足设计的要求下，应选用辐射率大的材料，使热量通过辐射散热传播出去，避免温度过高，对磁屏蔽系统的各层材料性能造成影响。并模拟了加热系统在原子泡的加热过程中对系统各层材料的温度影响，为后续结构的改进设计提供参考依据。

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Thermal Analysis for Atomic Inertial InstrumentHeating Magnetic Shielding System

GUO Yong1,2,3,DONG Quan-lin1,2,3,WANG Peng-fei1,2,3,CHEN Yao2,3,QUAN Wei2,3,FANG Jian-cheng2,3

(1.Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics，Beijing 100191，China;2.Science and Technology on Inertial Laboratory，Beijing 100191，China;3.School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)

Focused on the analysis of the atomic inertial instrument heating magnetic shielding system’s heat transfer process,the test and the system’s 3D model based on the preliminary designed were established,and the steady-state thermal property of system by taking the advantage of Finite Element Method (FEM) software ANSYS Workbench was analyzed.Compared with the experiment data,the simulation results show its high consistency,verifying the reliability of the thermal simulation.Finally,based on the preliminary designed system’s thermal simulation analysis,the thermal conductivity property of each cylinder in system was obtained,and it discussed how temperature distribution of the entire system varied with water-cooled carrier material emissivity.The conclusion provides the basis for structure improvement.

heating system;heat transfer analysis;thermal simulation;ANSYS Workbench

国家科技支撑计划(2006BAK03A24)；国家自然基金委重大科研仪器设备研制专项(61227902)

2015-03-08 收修改稿日期：2015-09-01

TP391.9;TP241.62

A

1002-1841(2015)12-0022-04

郭勇(1991—)，硕士研究生，主要研究领域为原子惯性仪表的热分析、海洋传感器研究。E-mail:guoyongsydx@163.com 董全林(1964—)，教授，博士，主要研究领域为惯性导航系统、精密仪器与机械。E-mail:dongquanlin@buaa.edu.cn