飛行器主動熱控用半導(dǎo)體制冷器性能初步研究

齊 斌，張利嵩，鄒樣輝，婁文忠，田 寧

（1. 北京理工大學(xué)，北京，100081；2. 北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

飛行器主動熱控用半導(dǎo)體制冷器性能初步研究

齊 斌1,2，張利嵩2，鄒樣輝2，婁文忠1，田 寧2

（1. 北京理工大學(xué)，北京，100081；2. 北京航天長征飛行器研究所，北京，100076）

為了利用半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行飛行器關(guān)鍵部位的熱控方案設(shè)計，對某型半導(dǎo)體制冷器性能進(jìn)行了測試與參數(shù)分析。設(shè)計了半導(dǎo)體制冷器的性能測試方案，獲得了散熱端不同散熱工況下的試驗數(shù)據(jù)，分析了電流與電壓、溫差、制冷量等相互之間的關(guān)系，并獲得了制冷器的溫差電勢率α、總熱導(dǎo)K和總熱阻R，對其熱電性能參數(shù)進(jìn)行了反推計算和對比驗證，驗證了計算模型。使用該型制冷器對某型飛行器關(guān)鍵部位熱環(huán)境進(jìn)行了熱控方案設(shè)計，獲得了其工作參數(shù)和制冷效率。

主動熱控；半導(dǎo)體制冷；制冷試驗

0 引 言

目前，飛行器正由傳統(tǒng)的彈道再入式飛行器向著機(jī)動化、多空間層次、強(qiáng)突防方向發(fā)展，代表的類型包括空天飛行器、臨近空間飛行器、軌道返回飛行器、亞軌道飛行器等。新一代飛行器長時間隔熱問題突顯，加劇了飛行器關(guān)鍵部位熱控問題對整體防熱設(shè)計方案的影響。飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、電子器件、光學(xué)器件、核心部件等對工作溫度點和溫度波動范圍要求苛刻，需要開展主動熱控技術(shù)方面的應(yīng)用研究工作，對其進(jìn)行較為精確的溫度控制。

半導(dǎo)體制冷作為一種潛在的局部熱控技術(shù)，可在局部或小范圍區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)準(zhǔn)確溫度控制。半導(dǎo)體制冷具有無運動部件、長壽命、高可靠性、無泄漏，不受重力場影響、速度快、易控制、尺寸小、易于集成等優(yōu)點，其在軍用紅外探測器探頭、無線電設(shè)備冷卻，航天探測器、材料和結(jié)構(gòu)溫控等方面有所應(yīng)用[1～4]。

本文設(shè)計了半導(dǎo)體制冷器性能測試方案，獲得了某型半導(dǎo)體不同工況下的工作電流、溫差和制冷量等參數(shù)。利用半導(dǎo)體制冷的5種效應(yīng)公式對試驗數(shù)據(jù)和制冷特性進(jìn)行了分析，獲得了所研究的半導(dǎo)體制冷器件的溫差電勢率α、總熱導(dǎo)K和總熱阻R，并建立了制冷參數(shù)反推計算方法，對飛行器關(guān)鍵部件熱控方案進(jìn)行了設(shè)計與評價。

1 半導(dǎo)體制冷原理

圖1為單級半導(dǎo)體制冷器的基本構(gòu)造示意。

由圖1可知，半導(dǎo)體制冷器由多個N型和P型半導(dǎo)體對串聯(lián)構(gòu)成電流回路，當(dāng)電流流過半導(dǎo)體對時，兩端分別形成冷、熱端，實現(xiàn)冷端向熱端的熱量疏導(dǎo)。改變電流方向可以互換冷、熱端，改變端面的加熱和制冷作用。改變電流大小可以改變制冷器兩端吸收或放出熱量的多少。半導(dǎo)體制冷的理論基礎(chǔ)是固體的熱電效應(yīng)，無外磁場存在時包括相互關(guān)聯(lián)的5個效應(yīng): 帕爾帖效應(yīng)、西伯克效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳熱效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)。由5個效應(yīng)及熱平衡方程可獲得以下幾個半導(dǎo)體制冷的計算公式[5]：

a）冷端制冷量：

冷端除了產(chǎn)生的帕爾帖熱QP之外，還有焦?fàn)枱酫J和熱端傳到冷端的熱QD，當(dāng)冷端達(dá)到平衡時，冷端產(chǎn)生的凈熱量QC應(yīng)為

式中α為器件總溫差電勢率，V/K；K為器件的熱導(dǎo)率（總熱導(dǎo)），W/(m·K)；R為器件的總電阻，?；HT和TC分別為熱電偶對的熱端和冷端溫度，K；I為工作電流，A。

b）熱端放熱量：

式中NO為熱電偶對消耗的電功率，NO=I2R+Iα?T， W。

c）消耗電功率：

d）外加電壓：

2 制冷試驗

2.1 試驗對象

對某型單級半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行制冷測試試驗，獲取半導(dǎo)體制冷器的參數(shù)特性。半導(dǎo)體制冷器的出廠基本參數(shù)列于表1。圖2為單層半導(dǎo)體制冷片示意。

表1 半導(dǎo)體制冷器出廠參數(shù)

2.2 試驗方案

半導(dǎo)體制冷器試驗方案如圖3和圖4所示[6,7]，將半導(dǎo)體制冷器及其測量裝置裝在一個圓柱形隔熱箱體內(nèi)，內(nèi)部填裝隔熱材料，減小半導(dǎo)體制冷裝置與外界環(huán)境之間的熱交換，盡快達(dá)到熱平衡狀態(tài)。當(dāng)制冷系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，冷端吸收的熱量趨于穩(wěn)定，可由安裝在該截面的熱流計測得。半導(dǎo)體制冷器熱端連接水冷板，將熱端釋放的熱量通過水冷換熱系統(tǒng)釋放到外界環(huán)境中，以維持制冷器正常工作。半導(dǎo)體制冷器的熱、冷端面涂抹導(dǎo)熱脂，并分別與兩片均溫銅片良好接觸，均溫銅片上各埋有一只熱偶，用于測量制冷器熱、冷端面溫度。

通過改變散熱器的狀態(tài)來改變制冷器熱端的工作溫度，使其工作在不同工況下。測量不同工況、不同工作電流狀態(tài)下的半導(dǎo)體制冷器冷端和熱端面溫度、冷端吸熱量、工作電壓等參數(shù)，依據(jù)熱電理論和熱平衡關(guān)系，對其特性進(jìn)行分析[8～10]。

2.3 試驗數(shù)據(jù)

水冷散熱系統(tǒng)工作在最大散熱能力狀態(tài)、最小散熱能力狀態(tài)和不工作狀態(tài)，對應(yīng)工況一、工況二和工況三。試驗裝置外部環(huán)境室溫23 ℃，在上述工況下改變制冷器的工作電流值，每次均在整個系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)下對各參數(shù)進(jìn)行測量，試驗數(shù)據(jù)分別見表2、表3和表4。考慮到工況三制冷器整體溫度上升過大，為避免制冷器損壞，工作電流僅測試到3.35 A。

表2 工況一試驗數(shù)據(jù)

表3 工況二試驗數(shù)據(jù)

表4 工況三試驗數(shù)據(jù)

2.4 試驗數(shù)據(jù)分析

2.4.1 制冷特性

a）電流-電壓關(guān)系。

半導(dǎo)體制冷器件一般采用供電電壓作為控制量，通過改變電壓來達(dá)到調(diào)節(jié)制冷器工作電流的目的。3種工況下的電流-電壓關(guān)系如圖5所示，3種工況下電壓與電流基本呈線性關(guān)系，由式（4）可知，由于西伯克電壓的存在，二者并非完全線性。西伯克電壓占的比重越大，電流-電壓的線性度越差。同時，制冷器熱電阻隨著制冷器整體溫度上升而變大。

b）電流-溫差關(guān)系。

制冷器工作電流的變化會對冷、熱端形成的溫差大小產(chǎn)生影響，由制冷量方程式（1）可得：

進(jìn)一步可得：

3種工況下制冷器的電流-溫差數(shù)據(jù)如圖6所示，制冷器所表現(xiàn)出的電流-溫差關(guān)系符合開口向下的二次函數(shù)特性。工況一電流在4 A左右時，溫差獲得最大值；工況二在5 A左右時達(dá)到最大值；工況三為避免損壞制冷器未確認(rèn)測試到最大溫差狀態(tài)，但在工作電流3.35 A時，已超過了廠家給出的最大溫差69 K，應(yīng)該表明該工況已略超過其標(biāo)準(zhǔn)工況。

從上述公式推導(dǎo)看出，某一工況下最大溫差不僅與電流有關(guān)，還與制冷器冷端溫度相關(guān)。隨著制冷器冷端溫度升高，可獲得的最大溫差增大。3種工況下，達(dá)到最大溫差的冷端溫度分別為273.9 K、 309.5 K和374.9 K，最大溫差分別增大至30.6 K、39.2 K和77.1 K。

c）電流-制冷量關(guān)系。

制冷器工作電流的變化同樣也會對冷端制冷量的大小產(chǎn)生影響，由制冷量方程式（1）可得：

d）溫差-制冷量關(guān)系。

溫差與制冷量相互制約，某一工況下獲得最大溫差的前提是制冷量為零，獲得最大制冷量的前提是溫差為零。在工作電流不變的情況下，冷端制冷量增加，熱冷端溫差就會縮小，反之亦然。因此，設(shè)計和使用半導(dǎo)體制冷器時，要兼顧考慮兩者的合理設(shè)計參數(shù)。

2.4.2 參數(shù)反推

上述試驗中，半導(dǎo)體制冷器冷端無熱負(fù)載（近似為零）。利用制冷器工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)后獲得的試驗數(shù)據(jù)，反推制冷器的溫差電勢率α、熱導(dǎo)率（總熱導(dǎo)）K和總熱阻R。反推得到的數(shù)據(jù)見表5。

表5 制冷器的反推參數(shù)

對上述反推得到的參數(shù)進(jìn)行驗證：在外加電壓、冷端溫度、熱端溫度、電流、制冷量5個變量中，令其中3個變量與試驗數(shù)據(jù)相同，將反推參數(shù)代入到制冷量和電壓等公式中，能夠求取另外兩個變量值，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。

選用制冷器工況一下數(shù)據(jù)反推得到的熱電參數(shù)值，在與工況一相同電壓、熱端溫度、吸熱量條件下，采用式（1）、（2），計算冷端溫度和溫差，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖7、圖8，可見反推得到的熱電參數(shù)與試驗數(shù)據(jù)是較為一致的。

3 應(yīng)用分析與評估

飛行器表面外部熱流密度為1 450 W/m2，需要貼裝制冷器的防護(hù)面積為0.25 m2，表面溫度需要控制在275 ～280 K之間，散熱端溫度為300 K，空間環(huán)境溫度為4 K。

按照熱平衡原理可得制冷器的制冷量為

式中INQ為防護(hù)面積區(qū)域吸收的外部熱量；OUTQ為防護(hù)面積對空間輻射的熱量。

該防護(hù)面積所需要的制冷量CQ為266.7 W，需要156支尺寸為40 mm×40 mm的半導(dǎo)體制冷器，單支制冷器的制冷量為1.71 W。

依據(jù)熱環(huán)境進(jìn)行半導(dǎo)體制冷方案設(shè)計，選用半導(dǎo)體制冷器在工況一條件下的熱電性能參數(shù)，制冷器供電采用并聯(lián)設(shè)計。供電電壓、電流和制冷效率計算結(jié)果如表6所示。

表6 制冷量計算參數(shù)

在熱端溫度、制冷量不變情況下，冷端溫度275 K和280 K對應(yīng)的制冷效率由7.54%提高至17.87%，提升了1倍多。在對半導(dǎo)體制冷器設(shè)計使用時要兼顧所需溫差和制冷效率，選擇合適的冷端工作溫度。

半導(dǎo)體制冷器單片質(zhì)量為24 g，156支的質(zhì)量為3.74 kg。冷端溫度280 K工況，電功率共需1 493 W，系統(tǒng)工作100 s，供電熱電池的質(zhì)量預(yù)計在4 kg左右。因此，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的總質(zhì)量預(yù)計在8 kg左右，需要在飛行器總體設(shè)計時予以考慮。

4 結(jié) 論

本文對某型半導(dǎo)體制冷器制冷性能進(jìn)行了測試，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和熱電性能參數(shù)反推。依據(jù)該型半導(dǎo)體制冷器性能參數(shù)，對某型飛行器主動熱控方案進(jìn)行了設(shè)計與計算。通過上述工作，初步得到了以下結(jié)論：

a）本文建立的半導(dǎo)體熱電性能測試和反推方法可用于獲取半導(dǎo)體制冷器參數(shù)，對其性能進(jìn)行評估，并用于制冷過程計算。

b）半導(dǎo)體制冷器的工作過程是電壓、電流、冷端溫度、熱端溫度、制冷量5個量相互作用、動態(tài)變化的結(jié)果。電壓與電流為線性關(guān)系，電壓屬于制冷器的控制量；冷端與熱端形成的溫差與制冷量為相互制約的關(guān)系；存在一個最優(yōu)電流值以獲得一定的工況下的最大溫差或制冷量。

c）半導(dǎo)體制冷器穩(wěn)定工作的前提是熱端散熱量得到順暢疏散，以穩(wěn)定熱端溫度，否則導(dǎo)致冷端溫度飄升，達(dá)不到熱控目的，甚至燒壞制冷器。

d）應(yīng)用于飛行器熱控時，設(shè)計參數(shù)需要兼顧溫差與制冷量的平衡，需要考慮引入半導(dǎo)體制冷器及其配套電源的質(zhì)量對飛行器載荷的影響。

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Study on Semiconductor Refrigeration Performance for Spacecraft with Active Thermal Control

Qi Bin1,2, Zhang Li-song2, Zou Yang-hui2, Lou Wen-zhong1, Tian Ning2
(1. Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081; 2. Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing, 100076）

A kind of semiconductor refrigeration is tested and analyzed, which is used for the active thermal control design of spacecraft. The test method and test data in different operation conditions are given, and the relationships between current and voltage, temperature difference, refrigerating capacity are analyzed. Based on test data, the thermoelectricity parameters of semiconductor refrigeration are calculated and evaluated, and the active thermal control of some space vehicle is designed.

Active thermal control；Semiconductor refrigeration；Refrigeration experiment

TB69

A

1004-7182(2017)02-0095-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20170221

2015-09-28；

2016-02-13

齊 斌（1981-），男，博士，高級工程師，主要研究方向為防熱試驗技術(shù)