實(shí)踐證明，部分宇航電子設(shè)備對(duì)溫度幅值及溫度變化十分敏感。目前，宇航電子設(shè)備熱控制多采用被動(dòng)方式，即通過(guò)熱傳導(dǎo)方式將熱量傳至衛(wèi)星艙板，然后再通過(guò)艙板內(nèi)預(yù)埋熱管將能量轉(zhuǎn)移，此種熱控方式常常難以提供合適的溫度幅值及良好的控制精度，使宇航電子設(shè)備難以發(fā)揮其優(yōu)良性能。因此，需要設(shè)計(jì)一種強(qiáng)散熱、高精度的主動(dòng)熱控制方法。半導(dǎo)體制冷器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)活動(dòng)部件和無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域。在航天領(lǐng)域，半導(dǎo)體冷器應(yīng)用于環(huán)路熱管的儲(chǔ)液器溫度控制[1];在電子產(chǎn)品行業(yè)，采用熱電制冷器對(duì)器件進(jìn)行制冷，解決散熱問(wèn)題[2]。在此背景下，本文將半導(dǎo)體制冷器應(yīng)用于宇航電子設(shè)備主動(dòng)熱控制。

　　1半導(dǎo)體制冷器

　　半導(dǎo)體制冷其實(shí)質(zhì)是帕爾貼效應(yīng)、塞貝克效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)以及焦耳效應(yīng)的綜合作用[3]，其中帕爾貼效應(yīng)為主導(dǎo)因素。帕爾貼效應(yīng)，即電流通過(guò)不同導(dǎo)體的界面時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)的吸熱或放熱效應(yīng)。通常半導(dǎo)體制冷器采用若干組P-N熱電偶對(duì)通過(guò)導(dǎo)電片串聯(lián)，然后將這些熱電偶對(duì)嵌在兩塊基板之間[4]，如圖1所示。基板材料可選用絕緣材料(陶瓷)，也可以選用金屬材料(鋁、紫銅)，基板選用金屬材料時(shí)導(dǎo)電片與基板之間進(jìn)行絕緣處理。半導(dǎo)體制冷器屬于電流換能型元件，可通過(guò)改變輸入電流，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，若輔以溫度檢測(cè)與控制技術(shù)，便可形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度的高精度控制。

　　2熱控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　合理的熱控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)降低系統(tǒng)綜合熱阻、優(yōu)化系統(tǒng)工作效率、提高系統(tǒng)控制精度具有重要作用。熱控結(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：2.1熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)熱沉是宇航電子設(shè)備和半導(dǎo)體制冷器的支撐部件。它不僅要承受電子設(shè)備振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的作用力，而且要將制冷器熱端熱流均勻擴(kuò)散并傳至艙板，需采用承載能力和散熱能力比較均衡的材料，綜合考慮宇航產(chǎn)品材料優(yōu)選目錄，可選用鋁合金;宇航產(chǎn)品通常嚴(yán)格限制重量，故而針對(duì)熱沉進(jìn)行減重設(shè)計(jì);熱沉是系統(tǒng)的最終散熱通道，應(yīng)保證其與艙板之間具有良好的接觸，需嚴(yán)格限制其安裝底面平面度。2.2制冷器基板材料選擇基板可選用絕緣材料或金屬材料。為避免熱量集中，影響制冷器的使用效果，基板材料應(yīng)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù);此外考慮到制冷器與熱沉之間的界面熱阻，盡量采用具有焊接性能的基板材料，以便于制冷器直接焊接在熱沉上。綜上，基板采用金屬材料。2.3界面熱阻優(yōu)化1)制冷器與熱沉接觸熱阻：制冷器基板選擇可焊接材料，將制冷器直接焊接在熱沉上，可最大限度地降低接觸熱阻。2)設(shè)備與制冷器接觸熱阻：制冷器高度尺寸存在較大公差，設(shè)備與制冷器、熱沉同時(shí)接觸很難實(shí)現(xiàn);另外固體表面存在微觀凸點(diǎn)，有效接觸面積有限，接觸壓力較小時(shí)，表現(xiàn)出很大的界面熱阻。為解決以上問(wèn)題，將設(shè)備與制冷器之間設(shè)計(jì)一定的間隙，間隙之間填充導(dǎo)熱填隙材料。3)設(shè)備與熱沉之間接觸熱阻：電子設(shè)備通過(guò)螺釘安裝在熱沉上，為避免兩者接觸界面熱交換對(duì)系統(tǒng)控制的干擾，設(shè)備與熱沉之間安裝絕熱墊，進(jìn)行絕熱處理。4)熱沉與艙板之間接觸熱阻：熱沉通過(guò)螺釘固定在艙板上，安裝面涂一定厚度的導(dǎo)熱脂，可以極大地降低接觸熱阻。2.4熱端散熱熱端熱流量等于設(shè)備熱耗與制冷器輸入功率之和，這部分熱量通過(guò)熱沉傳至星體艙板，為了使這部分熱量迅速導(dǎo)入整星熱控系統(tǒng)，熱沉安裝區(qū)域需預(yù)埋熱管。

　　3控制系統(tǒng)及工作原理

　　前人基于半導(dǎo)體制冷器設(shè)計(jì)的主動(dòng)熱控制系統(tǒng)，多采用單片機(jī)作為核心控制器，取得了良好的效果。宇航電子產(chǎn)品通常采用FPGA進(jìn)行邏輯控制，為了實(shí)現(xiàn)硬件資源的合理配置，本文設(shè)計(jì)一種基于FPGA的主動(dòng)熱控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，主要包括遙控遙測(cè)系統(tǒng)、FPGA系統(tǒng)、數(shù)字式溫度傳感器、功率驅(qū)動(dòng)模塊、半導(dǎo)體制冷器等。其工作原理為：以FPGA系統(tǒng)作為邏輯控制中心，接收溫度傳感器采集的溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)FPGA系統(tǒng)內(nèi)部模糊PID控制算法處理，F(xiàn)PGA系統(tǒng)輸出一定占空比的PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制信號(hào)，經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)模塊的D/A轉(zhuǎn)換和功率放大，最終驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行溫度控制。其中目標(biāo)溫度可通過(guò)地面設(shè)備進(jìn)行遙控設(shè)定，溫度傳感器反饋的溫度信號(hào)可通過(guò)地面設(shè)備進(jìn)行遙測(cè)顯示。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　基于半導(dǎo)體制冷器的主動(dòng)熱控制方法，與傳統(tǒng)流體熱控方法相比，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高、響應(yīng)速度快、故障率低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在宇航電子設(shè)備主動(dòng)熱控制方面具有良好的應(yīng)用前景。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]裴念強(qiáng)，郭開(kāi)華，劉杰.半導(dǎo)體制冷在新型環(huán)路熱管的應(yīng)用計(jì)算[J].低溫物理學(xué)報(bào)，2007(1)：42-45.

　　[2]張建成.半導(dǎo)體制冷的熱管式散熱器傳熱研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000(5)：38-41.

　　[3]徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1999.

　　[4]胡浩茫，葛天舒，代彥軍，等.熱電制冷技術(shù)最新進(jìn)展:從材料到應(yīng)用[J].制冷技術(shù)，2016，36(5)：42-52.

　　《電子設(shè)備主動(dòng)熱控制方法》來(lái)源：《現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化》，作者：曹旭民 王盛 張茂 陳婕 李晟昊