基于熱電制冷的某艙外載荷兩級(jí)控溫設(shè)計(jì)

張 磊，沈 苑，祁見忠，宋 坤，周振凱，林士峰*

（1.中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院；2.上海微小衛(wèi)星工程中心：上海 201210；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都 610036）

0 引言

衛(wèi)星時(shí)頻系統(tǒng)的高性能、高穩(wěn)定以及星間時(shí)頻同步技術(shù)是導(dǎo)航系統(tǒng)高精度測(cè)量的基礎(chǔ)，而時(shí)頻載荷的工作性能對(duì)溫度波動(dòng)極為敏感，關(guān)鍵模塊組件的溫度穩(wěn)定度將直接影響時(shí)頻基準(zhǔn)的精度，因此時(shí)頻載荷的熱控設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1-3]。

熱電制冷（thermo-electric cooling, TEC）技術(shù)具有無工質(zhì)泄漏、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)、無噪聲、體積小、重量輕和可靠性高等特點(diǎn)[4]，是精密溫度控制的重要手段之一[5]。航天領(lǐng)域的應(yīng)用案例有：連新昊等[6]利用TEC 技術(shù)解決了某星載相機(jī)焦面組件恒溫控制問題，控溫功耗比傳統(tǒng)方案降低90%；王俊強(qiáng)等[7]針對(duì)空間站中間回路溫度波動(dòng)過大和高溫時(shí)載荷工作溫度超出允許范圍的問題，設(shè)計(jì)了一種基于TEC的末端單向流體回路溫控系統(tǒng)，載荷溫度控制精度達(dá)到±1 ℃；楊文剛等[8]針對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡噪聲抑制問題，以TEC 技術(shù)為核心開展熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將探測(cè)器制冷至-75 ℃溫度水平，穩(wěn)定度可達(dá)到±0.2 ℃。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道中少有針對(duì)載荷內(nèi)部存在多個(gè)溫度約束點(diǎn)且約束點(diǎn)控溫精度存在一定梯度的復(fù)雜熱控設(shè)計(jì)問題的研究。

某載荷整機(jī)熱耗大，安裝面熱流密度大，且熱控設(shè)計(jì)受到整機(jī)重量、尺寸及功耗等限制，散熱存在較大困難；該載荷位于艙體外部，整機(jī)溫度受外熱流影響顯著，加之冷板來流溫度波動(dòng)范圍大，而該載荷的D4 和D5 模塊對(duì)溫度穩(wěn)定度要求較高。這些都使得在有限資源條件下進(jìn)行高溫度穩(wěn)定度控溫極為困難，需要采用特殊熱控設(shè)計(jì)措施結(jié)合高精度控制算法實(shí)現(xiàn)。本文嘗試基于TEC 技術(shù)對(duì)載荷上層光學(xué)模塊進(jìn)行一級(jí)控溫，通過蒸汽腔（vapor chambers, VC）建立上層模塊與冷板之間的傳熱路徑，再結(jié)合薄膜式電加熱器對(duì)模塊內(nèi)部約束點(diǎn)進(jìn)行二級(jí)控溫，最后利用仿真分析和地面試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 熱控設(shè)計(jì)輸入條件

1.1 熱控對(duì)象

熱控對(duì)象為某載荷，由天線以及D1～D5 模塊組成，其中，D1 和D2 模塊為下層模塊，D3 模塊為熱控模塊，D4 和D5 模塊為上層模塊。載荷采用層疊式安裝（構(gòu)型見圖1），通過D1 模塊安裝于艙外冷板表面，整機(jī)外形包絡(luò)尺寸為350 mm×200 mm×182 mm。

圖1 某載荷構(gòu)型Fig.1 Configuration of the load

1.2 設(shè)計(jì)約束

載荷工作于340～450 km 高度近圓軌道，軌道傾角為41°～43°。整機(jī)安裝于艙外單向流體冷板表面，在軌運(yùn)行期間交替受陽(yáng)光照射，外熱流情況惡劣。平臺(tái)為載荷冷板提供流體回路熱控支持，來流溫度波動(dòng)不大于±5 ℃/90 min。載荷整機(jī)熱耗為190.6 W（D1 模塊為96 W，D2 模塊為46.5 W，D3模塊為6.5 W，D4+D5 模塊為41.6 W）。

1.3 指標(biāo)要求

載荷在軌分為在軌轉(zhuǎn)移和在軌常態(tài)工作2 個(gè)階段。在軌轉(zhuǎn)移階段，載荷未上電情況下，整機(jī)溫度由平臺(tái)保障；在軌常態(tài)工作階段，熱控需保證載荷整機(jī)工作溫度符合要求，并對(duì)D4 和D5 模塊實(shí)施精密熱控，具體溫度指標(biāo)見表1。其中，約束點(diǎn)L1～L5 分布在D4 模塊內(nèi)部，約束點(diǎn)L6～L10 分布在D5 模塊內(nèi)部，具體位置見圖2。

表1 某載荷溫度指標(biāo)要求Table 1 Temperature requirement of the load

圖2 某載荷模塊內(nèi)部溫度約束點(diǎn)分布Fig.2 Distributions of temperature-constraint points inside the load module

2 熱控方案設(shè)計(jì)

根據(jù)載荷的熱控設(shè)計(jì)約束及指標(biāo)要求，在有限熱控資源的條件下采用分級(jí)控溫策略。本文提出一種基于TEC 營(yíng)造D4 和D5 模塊側(cè)壁相對(duì)較低溫度環(huán)境（一級(jí)溫控），再結(jié)合薄膜式電加熱器對(duì)D4 和D5 模塊內(nèi)部器件進(jìn)行高溫度穩(wěn)定度控溫（二級(jí)控溫）的熱控設(shè)計(jì)方案。

該方案的熱控原理如圖3 所示：通過整機(jī)包覆多層隔熱組件的方式（未開設(shè)散熱面），避免外熱流波動(dòng)對(duì)D4 和D5 模塊溫度穩(wěn)定度的影響；基于TEC 營(yíng)造D4 和D5 模塊側(cè)壁相對(duì)較低溫度環(huán)境（一級(jí)溫控），結(jié)合蒸汽腔的高效傳熱，建立D4 和D5 模塊與冷板之間唯一的傳熱路徑，降低冷板來流溫度波動(dòng)對(duì)D4 和D5 模塊內(nèi)部控溫點(diǎn)的影響；針對(duì)D5 模塊中高溫度穩(wěn)定度（±0.1 ℃）控溫點(diǎn)L7和L8，設(shè)計(jì)薄膜式電加熱器進(jìn)行“精準(zhǔn)”控溫（二級(jí)控溫）。

圖3 某載荷的熱控原理示意Fig.3 Principle of thermal control of the load

2.1 TEC 制冷器設(shè)計(jì)

根據(jù)某載荷設(shè)計(jì)約束及D4 和D5 模塊特點(diǎn)，利用TEC 的帕爾貼效應(yīng)[9]將D4 和D5 模塊產(chǎn)生的熱耗由TEC 的冷面?zhèn)鬟f到熱面，在D4 和D5 模塊側(cè)壁營(yíng)造較低的溫度環(huán)境，有利于延長(zhǎng)模塊內(nèi)部元器件的工作壽命。依靠溫度傳感器測(cè)溫，通過PID算法閉環(huán)控制TEC 工作電流，可有效降低冷板來流波動(dòng)對(duì)約束點(diǎn)溫度穩(wěn)定度的影響，實(shí)現(xiàn)一級(jí)控溫。具體措施包括：根據(jù)模塊尺寸設(shè)計(jì)4 塊外形尺寸為50.0 mm×40.0 mm×4.7 mm 的TEC 制冷器布置在載荷兩側(cè)，結(jié)合D4 和D5 模塊的總體熱耗，設(shè)計(jì)制冷器的最大制冷功率≥50 W，最大溫差≥67 ℃，最大溫差電壓為17.8 V±1.5 V，最大溫差電流為4.7 A±0.5 A，內(nèi)阻為3.3 Ω±0.3 Ω。

2.2 蒸汽腔設(shè)計(jì)

基于載荷外包絡(luò)尺寸及人機(jī)工效學(xué)約束，利用蒸汽腔工質(zhì)相變高效傳熱的特性[10]，建立D4 和D5模塊與冷板之間唯一的傳熱路徑，將制冷器熱面熱耗傳遞到冷板。為適應(yīng)載荷外形尺寸同時(shí)保證傳熱能力，蒸汽腔采用L 形構(gòu)型設(shè)計(jì)，將部分蒸汽腔冷凝端嵌入D1 模塊底部，以增大蒸汽腔冷凝端與冷板間的換熱面積；另外，對(duì)L 形蒸汽腔腔內(nèi)轉(zhuǎn)角位置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以適當(dāng)增大工質(zhì)回流空間，有效提高蒸汽腔傳熱能力。

D4 和D5 模塊的傳熱路徑如圖4 所示。其中，制冷器冷面與D4 和D5 模塊側(cè)面，制冷器熱面與蒸汽腔蒸發(fā)端，蒸汽腔冷凝端與D1 模塊等接觸面均采用涂抹導(dǎo)熱硅脂的方式進(jìn)行導(dǎo)熱安裝。

圖4 D4 和D5 模塊傳熱路徑示意Fig.4 Schematic diagram of heat transfer paths for D4 and D5 modules

另外，為提高冷板與D1 模塊以及蒸汽腔冷凝端的傳熱效率，同時(shí)兼顧載荷設(shè)計(jì)的人機(jī)工效學(xué)要求，冷板與D1 模塊以及蒸汽腔的接觸面使用SP2000導(dǎo)熱膜作為界面材料，導(dǎo)熱膜厚度0.25 mm，熱導(dǎo)率為3.5 W/(m·K)。

2.3 薄膜式電加熱器二級(jí)控溫設(shè)計(jì)

基于一級(jí)控溫在D4 和D5 模塊側(cè)壁所營(yíng)造的溫度相對(duì)穩(wěn)定的低溫環(huán)境，針對(duì)D5 模塊中高溫度穩(wěn)定度指標(biāo)約束點(diǎn)L7 和L8 設(shè)計(jì)二級(jí)PID 控制加熱器[11]，進(jìn)行“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”精準(zhǔn)閉環(huán)控溫。二級(jí)控溫加熱回路根據(jù)控溫對(duì)象L7 和L8 的外形尺寸進(jìn)行薄膜式加熱片的“貼身”設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)控溫功率和約束點(diǎn)溫度的快速響應(yīng)；并通過加熱回路補(bǔ)償加熱抬升約束點(diǎn)溫度，避免冷板溫度波動(dòng)導(dǎo)致約束點(diǎn)溫度漂移現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)高溫度穩(wěn)定度控溫。

3 仿真分析

根據(jù)某載荷總體熱控設(shè)計(jì)方案及邊界條件設(shè)置，利用有限元熱分析軟件Flotherm 12.0 建立載荷整機(jī)熱分析模型，對(duì)制冷器、蒸汽腔和精控溫點(diǎn)等關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格最大尺寸為10 mm，網(wǎng)格總數(shù)為71.65 萬(wàn)個(gè)；根據(jù)實(shí)際熱接口設(shè)定各部分熱接觸參數(shù)。由于載荷軌道較低、周期短，每軌交替受照，冬至日外熱流波動(dòng)最為劇烈，所以仿真分析選取具有代表性的冬至日工況。

3.1 外熱流分析

基于某載荷的軌道及姿態(tài)信息，結(jié)合真空、冷黑環(huán)境的外熱流參數(shù)，仿真得到冬至日載荷各表面上所受外熱流如圖5 所示。

圖5 某載荷冬至日表面外熱流仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of surface external heat flow of the load during winter solstice

3.2 工況選擇

根據(jù)實(shí)際模塊內(nèi)部熱耗分布、元器件表面狀態(tài)、熱連接方式及熱邊界條件設(shè)置仿真參數(shù)，根據(jù)載荷冷板來流溫度及變化范圍將熱分析工況設(shè)為低溫工況、高溫工況及極端工況：

1）低溫工況——冷板入口水溫0 ℃，溫度波動(dòng)±5 ℃/90 min，制冷器冷面閉環(huán)控溫30 ℃；

2）高溫工況——冷板入口水溫20 ℃，溫度波動(dòng)±5 ℃/90 min，制冷器冷面閉環(huán)控溫30 ℃；

3）極端工況——冷板入口水溫15 ℃，溫度波動(dòng)±15 ℃/90 min，制冷器冷面閉環(huán)控溫30 ℃。

3.3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖6 和圖7 所示，可以看到：低溫/高溫工況冷板來流每軌波動(dòng)±5 ℃時(shí)，D4 和D5 模塊內(nèi)部10 個(gè)約束點(diǎn)的溫度處于31～39 ℃范圍，波動(dòng)幅度均在±0.28 ℃以內(nèi)，其中精控溫點(diǎn)L7 和L8的波動(dòng)幅度在±0.07 ℃以內(nèi)，滿足指標(biāo)要求；極端工況時(shí)，約束點(diǎn)的溫度處于31～39 ℃范圍，波動(dòng)幅度均在±0.79 ℃以內(nèi)，其中精控溫點(diǎn)L7 和L8 的波動(dòng)幅度在±0.07 ℃以內(nèi)。

圖6 某載荷各溫度約束點(diǎn)瞬態(tài)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of transient temperatures on constraint points of the load

表2 為3 種冷板來流工況下TEC 制冷器的工作參數(shù)，其中，ΔT為制冷器冷熱面溫差，ΔT=熱面溫度-冷面溫度；P1為制冷量；P2為功率；ε為制冷效率。冷板來流溫度為0 ℃時(shí)，制冷器熱面溫度低于冷面溫度，有利于將熱量從冷面運(yùn)輸?shù)綗崦妫虼酥评湫瘦^高。

4 熱平衡試驗(yàn)

為驗(yàn)證本熱控設(shè)計(jì)方案的合理有效性，根據(jù)載荷在軌邊界、環(huán)境條件及相關(guān)工作模式，搭建熱平衡試驗(yàn)系統(tǒng)，主要由KM1 真空罐、載荷鑒定件單機(jī)、TEC 制冷器、蒸汽腔、高低溫循環(huán)裝置、冷板、加熱回路以及測(cè)溫回路（熱敏+熱電偶）等組成。

4.1 試驗(yàn)狀態(tài)

試驗(yàn)采用KM1 真空罐建立空間深冷環(huán)境，使用薄膜電加熱器模擬外熱流影響。載荷在真空罐內(nèi)狀態(tài)如圖8 所示：利用工裝固定冷板并保持垂直狀態(tài)，載荷安裝于冷板一側(cè)的幾何中心，調(diào)整冷板姿態(tài)使得蒸汽腔處于水平狀態(tài)。通過改造穿艙法蘭將流體管路連接至罐內(nèi)冷板，設(shè)置罐外高低溫循環(huán)裝置建立在軌冷板來流不同溫度工況（詳見3.2 節(jié)）。

圖8 某載荷熱平衡試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 Thermal balance test system of the load

試驗(yàn)過程中，綜合考量制冷器功率以及D4 和D5 模塊內(nèi)部組件工作溫度，將制冷器冷面閉環(huán)控溫設(shè)置為30 ℃；在一級(jí)控溫的基礎(chǔ)上抬升1 ℃，將L7 和L8 約束點(diǎn)閉環(huán)控溫均設(shè)置為32 ℃，可以避免由冷板來流波動(dòng)導(dǎo)致的約束點(diǎn)溫度漂移現(xiàn)象。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比3 種冷板來流工況的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果（見表3）發(fā)現(xiàn)，12 個(gè)約束點(diǎn)溫度變化均在指標(biāo)要求范圍內(nèi)，且3 種工況的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致：隨著冷板來流溫度的上升，D1 和D2側(cè)壁的溫度跟隨冷板來流溫度變化，且變化量較為接近；L1～L6、L9 和L10 約束點(diǎn)溫度變化較小但存在一定的溫度漂移現(xiàn)象；精控溫點(diǎn)L7 和L8 的溫度基本不受冷板來流溫度影響。同一冷板來流工況下，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)誤差基本在1 ℃以內(nèi)，最大差值為2.06 ℃，數(shù)據(jù)吻合性較好。低溫工況、高溫工況和極端工況下制冷器的工作功率分別為4.23 W、47.69 W 和26.37 W。

表3 某載荷各溫度約束點(diǎn)穩(wěn)態(tài)溫度統(tǒng)計(jì)Table 3 Steady-state temperature statistics of constraint points of the load

圖9 和圖10 為3 種冷板來流溫度工況的瞬態(tài)試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見：對(duì)于低溫工況和高溫工況，D4和D5 模塊內(nèi)部10 個(gè)約束點(diǎn)的溫度處于31～38 ℃范圍，波動(dòng)幅度均在±0.19 ℃以內(nèi)，其中精控溫點(diǎn)L7 和L8 的波動(dòng)幅度在±0.08 ℃以內(nèi)，滿足指標(biāo)要求；極端工況下，約束點(diǎn)的溫度處于31～38 ℃范圍，波動(dòng)幅度均在±0.42 ℃以內(nèi)，其中精控溫點(diǎn)L7 和L8 的波動(dòng)幅度在±0.09 ℃以內(nèi)。

圖9 某載荷各溫度約束點(diǎn)瞬態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of transient temperatures on constraint points of the load

圖10 某載荷精控溫約束點(diǎn)L7 和L8 瞬態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Test results of transient temperatures on precise thermol tontrol points L7 and L8 of the load

綜上數(shù)據(jù)分析表明，TEC 設(shè)計(jì)能有效降低冷板來流溫度波動(dòng)對(duì)D4 和D5 模塊內(nèi)部組件溫度穩(wěn)定度的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)D4 和D5 模塊側(cè)壁的一級(jí)控溫；薄膜式電加熱器“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”閉環(huán)控溫設(shè)計(jì)能有效抑制冷板來流溫度波動(dòng)導(dǎo)致的約束點(diǎn)溫度漂移現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)針對(duì)L7 和L8 約束點(diǎn)的高溫度穩(wěn)定度控溫。即，整機(jī)熱控設(shè)計(jì)在滿足載荷大功耗散熱需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了精控溫點(diǎn)高溫度穩(wěn)定度控制，滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

為保證某載荷時(shí)間頻率傳遞與通信的高精度高穩(wěn)定度，針對(duì)載荷中溫度敏感的上層功能模塊溫度控制需求，熱控設(shè)計(jì)中首先利用TEC 制冷器對(duì)D4 和D5 模塊側(cè)壁進(jìn)行一級(jí)溫控，再結(jié)合薄膜式電加熱器對(duì)D5 模塊內(nèi)部高溫度穩(wěn)定度約束點(diǎn)進(jìn)行二級(jí)控溫。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果表明：在冷板來流溫度波動(dòng)不大于±5 ℃/90 min 時(shí)，整機(jī)各個(gè)約束點(diǎn)溫度變化處于指標(biāo)要求范圍內(nèi)，精控溫點(diǎn)溫度穩(wěn)定度優(yōu)于指標(biāo)要求，熱控設(shè)計(jì)合理有效。

本文所提出的整機(jī)的散熱設(shè)計(jì)結(jié)合部分模塊的高溫度穩(wěn)定度二級(jí)控溫?zé)峥卦O(shè)計(jì)方案，對(duì)類似處于惡劣熱環(huán)境航天器載荷的高精度高溫度穩(wěn)定度熱控設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。