基于熱電制冷技術(shù)的某星載相機(jī)焦面組件熱設(shè)計(jì)

連新昊 顏吟雪

（1西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院，西安710072）

（2北京空間機(jī)電研究所，北京100076）

1 引言

1834年，法國(guó)物理學(xué)家帕爾帖發(fā)現(xiàn)在兩種不同金屬組成的閉合電路中通直流電會(huì)使一個(gè)結(jié)點(diǎn)變冷，另一個(gè)結(jié)點(diǎn)變熱，這種效應(yīng)后來(lái)被命名為帕爾帖效應(yīng)。熱電制冷（Thermo-Electric Cooling，TEC）技術(shù)，又稱半導(dǎo)體制冷技術(shù)（Semiconductor refrigeration），是利用帕爾帖效應(yīng)的一種制冷方法，其原理如圖1所示，熱電制冷器（TECs）由半導(dǎo)體（N型、P型）溫差電元件、金屬導(dǎo)流片、陶瓷片組成，其中金屬導(dǎo)流片是連接半導(dǎo)體溫差電元件的結(jié)點(diǎn)，當(dāng)電流從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體時(shí)，結(jié)點(diǎn)處吸熱；當(dāng)電流由P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處放熱，于是形成了冷面和熱面。當(dāng)電流方向相反時(shí)，原吸熱的結(jié)點(diǎn)放熱，原放熱的結(jié)點(diǎn)吸熱，冷面和熱面位置互換。該制冷方法不需要任何工質(zhì)，無(wú)活動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非常適宜于微型制冷領(lǐng)域或有特殊要求的場(chǎng)合。TEC技術(shù)的這一特性使其在民用制冷領(lǐng)域及空間飛行器制冷領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

圖1 熱電制冷原理示意圖

TECs的性能取決于所使用半導(dǎo)體材料的制冷性能，工程中半導(dǎo)體材料的制冷性能常用優(yōu)值系數(shù)Z與使用溫度T的乘積ZT來(lái)衡量，其中優(yōu)值系數(shù)Z=α2σ/k（α為熱電制冷元件熱電動(dòng)勢(shì)率；σ為熱電制冷元件電導(dǎo)率；k為熱電制冷元件的熱導(dǎo)率）。1996年美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)RM4X12型化合物的ZT值可達(dá)1.4，這是半導(dǎo)體制冷材料研究中的一次重大進(jìn)展。2001年，美國(guó)RTI研究所將Bi-Te基合金制成超晶格薄膜，300K時(shí)ZT值達(dá)到2.4，成為目前世界最高水平[1]。目前科研人員找到性能優(yōu)良的半導(dǎo)體材料不多，在200K~300K普冷范圍內(nèi)性能優(yōu)良、應(yīng)用最多的是三元固溶合金B(yǎng)i2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3，其平均優(yōu)值系數(shù)在3.0×10-3K-1左右[2]。

為確保星載相機(jī)正常工作，需要對(duì)其進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，焦面組件熱設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。焦面組件傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)思路是：建立焦面組件中需精確控溫的發(fā)熱部件至散熱面的良好傳熱路徑，在相機(jī)正常工作時(shí)，將熱量排散至冷空間；同時(shí)，為適應(yīng)相機(jī)長(zhǎng)期待機(jī)模式，設(shè)置主動(dòng)控溫加熱回路，防止焦面組件中需精確控溫部件溫度過(guò)低。本文將TEC技術(shù)應(yīng)用于星載相機(jī)焦面組件的熱設(shè)計(jì)，利用其恒溫控制能力，在滿足焦面組件控溫要求的同時(shí)，以低代價(jià)（功耗）實(shí)現(xiàn)了提高熱設(shè)計(jì)適應(yīng)性（適應(yīng)正常工作與長(zhǎng)期待機(jī)兩種模式）的目的。

2 相機(jī)概述

某星載相機(jī)（以下簡(jiǎn)稱相機(jī)）是天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的有效載荷，它通過(guò)相機(jī)安裝支架安裝在衛(wèi)星平臺(tái)上，如圖2所示。相機(jī)主要由遮陽(yáng)罩、光學(xué)鏡頭、焦面組件等組成，其中焦面組件包含1片探測(cè)器、4片PCB電路板和電路盒殼體，探測(cè)器安裝在PCB1上，其控溫指標(biāo)為0℃±1℃，焦面組件結(jié)構(gòu)如圖3所示。光學(xué)鏡頭溫度控制在0℃±1℃范圍，相機(jī)安裝支架溫度控制在0℃±1℃范圍，衛(wèi)星平臺(tái)溫度為-10℃~45℃范圍。

圖2 相機(jī)組成及相機(jī)在衛(wèi)星上安裝位置示意圖

該相機(jī)搭載于某太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，軌道高度為673km，軌道傾角98.079 2°，軌道偏心率為0，降交點(diǎn)地方時(shí)為6:30（Am）。相機(jī)采用與衛(wèi)星相同的坐標(biāo)系統(tǒng)，即+Z方向?yàn)樵谲墝?duì)地方向，+Y方向指向相機(jī)入光口，+X方向?yàn)轱w行方向（垂直紙面向外），+X、+Y、+Z符合右手定則，如圖2所示。

在相機(jī)正常工作時(shí)電路板上的電子元器件會(huì)產(chǎn)生大量熱量，為防止熱量的積聚導(dǎo)致電子元器件溫度過(guò)高，必須通過(guò)合理的熱設(shè)計(jì)將這些熱量排散至冷空間；相機(jī)探測(cè)器安裝在PCB1電路板上，在相機(jī)正常工作與長(zhǎng)期待機(jī)時(shí)均需要維持在穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)。為確保相機(jī)在軌正常工作，需要對(duì)焦面組件進(jìn)行專門的熱設(shè)計(jì)，表1為相機(jī)內(nèi)部熱源及溫度指標(biāo)要求。

圖3 相機(jī)焦面組件結(jié)構(gòu)示意圖

表1 相機(jī)內(nèi)熱源及溫度指標(biāo)

3 焦面組件熱邊界條件分析

焦面組件熱邊界主要包括空間外熱流、相機(jī)安裝支架、相機(jī)光學(xué)鏡頭和衛(wèi)星平臺(tái)。

為了確保相機(jī)在軌工作溫度在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)，對(duì)相機(jī)光學(xué)鏡頭、相機(jī)安裝支架進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)，其思路是：1）將光學(xué)鏡頭與焦面組件中的探測(cè)器進(jìn)行等溫化設(shè)計(jì)；2）相機(jī)安裝支架與焦面組件隔熱設(shè)計(jì)；3）控制相機(jī)支架溫度，盡量縮小與焦面組件的溫差。主要措施是在光學(xué)鏡頭、相機(jī)安裝支架結(jié)構(gòu)件上設(shè)置主動(dòng)控溫加熱回路，在結(jié)構(gòu)件外表面包覆多層隔熱組件、相機(jī)安裝支架與焦面組件間安裝聚酰亞胺隔熱墊。按上述設(shè)計(jì)思路，最終將相機(jī)光學(xué)鏡頭溫度控制在0℃±1℃附近，相機(jī)安裝支架溫度控制在0℃±2℃附近，最大程度減小相機(jī)光學(xué)鏡頭、相機(jī)安裝支架與焦面組件間的熱交換。

衛(wèi)星平臺(tái)內(nèi)部溫度在-10℃~45℃范圍，其表面包覆多層隔熱組件，減小與相機(jī)的輻射換熱。電路盒-Y、+Z面分別正對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)兩個(gè)面，需要通過(guò)熱設(shè)計(jì)減小衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)電路盒表面的輻射影響。

如圖2所示，相機(jī)安裝在衛(wèi)星平臺(tái)上。由于衛(wèi)星平臺(tái)和光學(xué)鏡頭的遮擋，有外熱流到達(dá)的面只有電路盒+X、-X、+Y、-Y、-Z面。以夏至季節(jié)為例，對(duì)焦面組件外熱流進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見圖4。從圖4可看到，到達(dá)-Y面的太陽(yáng)直射外熱流最大，應(yīng)盡量避免使用該面作為散熱面；若采用+X、-X、+Y、-Z面作為散熱面，需選用高發(fā)射率、低太陽(yáng)吸收比熱控涂層。

圖4 夏至季節(jié)到達(dá)焦面組件電路盒各面外熱流

4 焦面組件熱設(shè)計(jì)

由表1中各熱源的溫度指標(biāo)可知，相機(jī)探測(cè)器對(duì)溫控指標(biāo)要求較高（0℃±1℃），而電路板PCB2、PCB3、PCB4的控溫指標(biāo)要求低于45℃即可，因此探測(cè)器的溫度控制是整個(gè)焦面組件熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

4.1 設(shè)計(jì)方案

探測(cè)器熱設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法是在探測(cè)器與散熱面間建立良好的傳熱路徑，把熱量排散至冷空間，該方法要求盡量降低傳熱路徑沿程的熱阻。但隨之而來(lái)的問(wèn)題是，當(dāng)相機(jī)處于長(zhǎng)期待機(jī)狀態(tài)時(shí)，需要設(shè)置補(bǔ)償加熱，防止探測(cè)器及其周圍結(jié)構(gòu)溫度過(guò)低，這樣需要占用大量的星上資源。

本文利用TEC技術(shù)的恒溫控制能力，并參考TEC技術(shù)中有關(guān)電子設(shè)備恒溫控制的應(yīng)用實(shí)例[3-5]，對(duì)某相機(jī)焦面組件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如下：

1）采用隔熱板將電路盒殼體分成高低溫兩個(gè)區(qū)域，探測(cè)器和電路板PCB1所在區(qū)域?yàn)榈蜏貐^(qū)，要求對(duì)其進(jìn)行恒溫控制。電路板PCB2、PCB3、PCB4所在區(qū)域?yàn)楦邷貐^(qū)，需要滿足≤45℃的控溫要求，并盡量減小對(duì)低溫區(qū)的影響。隔熱板采用3mm厚玻璃鋼材料，在朝向高溫區(qū)一側(cè)貼鍍鋁聚酯薄膜以降低其表面發(fā)射率，從而減小與高溫區(qū)的輻射換熱。

2）4塊PCB板邊框與電路盒殼體安裝面填充導(dǎo)熱填料以強(qiáng)化導(dǎo)熱。

3）將高溫區(qū)電路盒殼體的+X、-X、-Z面的外表面作為散熱面，表面噴涂白漆S781熱控涂層，該涂層具有高發(fā)射率、低太陽(yáng)吸收比特性[6-7]。

4）電路盒殼體其余外表面包覆多層隔熱材料以減小空間外熱流、衛(wèi)星平臺(tái)、相機(jī)安裝支架等熱邊界的影響。

5）將熱電制冷器一個(gè)工作面與探測(cè)器耦合，另一個(gè)工作面通過(guò)輻射與高溫區(qū)輻射換熱，從而建立“探測(cè)器—熱電制冷器—散熱面”的探測(cè)器傳熱路徑。

當(dāng)相機(jī)在軌正常工作時(shí)，控制熱電制冷器正向通電，與探測(cè)器耦合的工作面為冷面，冷面吸收探測(cè)器工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，控制其溫度；另一個(gè)工作面即為熱面，向高溫區(qū)輻射熱量。該狀態(tài)下探測(cè)器傳熱方向?yàn)椋禾綔y(cè)器→熱電制冷器→散熱面。

當(dāng)相機(jī)長(zhǎng)期待機(jī)時(shí)，無(wú)內(nèi)熱源，為防止低溫區(qū)溫度過(guò)低，控制熱電制冷器反向通電，與探測(cè)器耦合的工作面為熱面，熱面對(duì)探測(cè)器加熱維持其溫度，此時(shí)探測(cè)器傳熱方向?yàn)椋荷崦妗鸁犭娭评淦鳌綔y(cè)器。

4.2 熱電設(shè)計(jì)參數(shù)

熱電參數(shù)計(jì)算目的是：通過(guò)計(jì)算確定熱電制冷器達(dá)到規(guī)定的制冷量所需要的制冷元件的數(shù)量、幾何參數(shù)、輸入電流、輸入功率，從而為熱電制冷器結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)和工作點(diǎn)設(shè)定提供依據(jù)。熱電制冷器熱電參數(shù)計(jì)算公式見式（1）～（5）[8]。

式中 Q為熱電制冷器制冷量；n為熱電制冷元件對(duì)的數(shù)量；Q0為一對(duì)熱電制冷元件制冷量；P為熱電制冷器輸入功耗；ε為熱電制冷器制冷系數(shù)；αN、αP為N型、P型熱電制冷元件熱電動(dòng)勢(shì)率；TC為冷面溫度；ΔT為冷熱面溫差；I為輸入電流；R為一對(duì)熱電制冷元件的電阻；σN、σP為N型、P型熱電制冷元件電導(dǎo)率；k為一對(duì)熱電制冷元件的熱導(dǎo)；kN、kp為N型、P型熱電制冷元件熱導(dǎo)率；SN/lN、SP/lP為N型、P型熱電制冷元件的幾何系數(shù)。

在本文的計(jì)算過(guò)程中，TC、ΔT、Q為已知條件，αN、αP、kN、kp、σN、σP由熱電制冷元件材料性能決定，可通過(guò)查文獻(xiàn)或手冊(cè)得到，幾何系數(shù)可從文獻(xiàn)或設(shè)計(jì)手冊(cè)中選型，通過(guò)計(jì)算公式（1）～（5）并運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法即可得到最大ε下的n、I、和P[9]。在相機(jī)正常工作時(shí)，熱電參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 熱電參數(shù)計(jì)算結(jié)果列表

根據(jù)表2的結(jié)果，選取幾何系數(shù)為0.131cm的8對(duì)熱電制冷元件組成熱電制冷器，工作電流為1.5A，輸入功率0.430 3W，可以滿足相機(jī)探測(cè)器正常工作制冷量需求。

當(dāng)相機(jī)處于長(zhǎng)期待機(jī)時(shí)，通過(guò)對(duì)該制冷器反向通電實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器加熱，從而達(dá)到探測(cè)器控溫要求，αN、 αP、kN、kP、σN、σP、 n及幾何系數(shù)與相機(jī)正常工作下相同，探測(cè)器控溫所需加熱量（P+Q）作為已知量，仍按照公式（1）~（5）計(jì)算得到工作電流約為2A，輸入功率0.725 6W，計(jì)算過(guò)程類似，這里不再贅述。

4.3 仿真分析

為驗(yàn)證上述熱設(shè)計(jì)方案能否滿足溫控指標(biāo)要求，利用I-DEAS/TMG熱分析軟件進(jìn)行了建模及仿真分析。

相機(jī)正常工作時(shí)探測(cè)器及電路板PCB2、PCB3、PCB4的溫度變化曲線見圖5、圖6，探測(cè)器溫度在-0.7℃~0.6℃范圍，滿足0℃±1℃要求；電路板PCB2、PCB3、PCB4的溫度在15℃~30℃之間，滿足低于45℃要求。

相機(jī)長(zhǎng)期待機(jī)狀態(tài)下的探測(cè)器溫度變化曲線如圖7所示，探測(cè)器溫度維持在-0.3℃~0.3℃范圍內(nèi)，滿足0℃±1℃要求。

上述仿真分析結(jié)果表明，基于TEC技術(shù)的相機(jī)焦面組件熱設(shè)計(jì)滿足表1所列各項(xiàng)控溫指標(biāo)要求。

圖5 相機(jī)正常工作探測(cè)器溫度變化曲線

圖6 相機(jī)正常工作電路板溫度變化曲線

圖7 相機(jī)長(zhǎng)期待機(jī)探測(cè)器溫度變化曲線

4.4 與傳統(tǒng)方案的對(duì)比分析

探測(cè)器熱設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)方法采取相同的分區(qū)控溫方案和散熱面設(shè)置，通過(guò)用高導(dǎo)熱率的材料（如銅、鋁等）制成的導(dǎo)熱塊將探測(cè)器的熱量導(dǎo)至高溫區(qū)。當(dāng)相機(jī)正常工作時(shí)可以把溫度控制在0℃±1℃范圍內(nèi)，但在相機(jī)長(zhǎng)期待機(jī)時(shí)，需要通過(guò)補(bǔ)償加熱方式維持探測(cè)器溫度，補(bǔ)償加熱電功率約為7W。

基于TEC技術(shù)的焦面組件熱設(shè)計(jì)方案，將熱電制冷器作為控溫元件，通過(guò)調(diào)整其電流的方向與大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器的恒溫控制，即：相機(jī)正常工作時(shí)，熱電制冷器熱面向高溫區(qū)排散熱量，冷面為探測(cè)器制冷；而相機(jī)長(zhǎng)期待機(jī)時(shí)，通過(guò)對(duì)熱電制冷器反向通電維持探測(cè)器溫度。此外，熱設(shè)計(jì)方案中通過(guò)合理設(shè)置散熱面，同時(shí)滿足了PCB電路板和熱電制冷器的散熱要求。

仿真分析結(jié)果表明，采用基于TEC技術(shù)的熱設(shè)計(jì)方案最大需要電功率0.725 6W，相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法降低了約90%。兩種方案的對(duì)比參見表3。

表3 兩種設(shè)計(jì)方案對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

TEC技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適宜于微型制冷領(lǐng)域或有特殊要求的場(chǎng)合。本文將TEC技術(shù)應(yīng)用于某星載相機(jī)焦面組件的熱設(shè)計(jì)，充分利用了熱電制冷器的恒溫控制能力，提高了熱設(shè)計(jì)的適應(yīng)性，比傳統(tǒng)方案花費(fèi)的代價(jià)（功率）小；熱電制冷器熱面的散熱可以比較方便的通過(guò)散熱面的合理設(shè)置而實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，TEC技術(shù)還具有不需要任何工質(zhì)、無(wú)活動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等其它制冷方式所不具備的優(yōu)勢(shì)。綜上，TEC技術(shù)在星載相機(jī)熱設(shè)計(jì)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值，值得進(jìn)一步研究。

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