實踐證明，部分宇航電子設備對溫度幅值及溫度變化十分敏感。目前，宇航電子設備熱控制多采用被動方式，即通過熱傳導方式將熱量傳至衛星艙板，然后再通過艙板內預埋熱管將能量轉移，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，使宇航電子設備難以發揮其優良性能。因此，需要設計一種強散熱、高精度的主動熱控制方法。半導體制冷器具有體積小、結構簡單、無活動部件和無噪聲等優點被廣泛應用在很多領域。在航天領域，半導體冷器應用于環路熱管的儲液器溫度控制[1];在電子產品行業，采用熱電制冷器對器件進行制冷，解決散熱問題[2]。在此背景下，本文將半導體制冷器應用于宇航電子設備主動熱控制。

　　1半導體制冷器

　　半導體制冷其實質是帕爾貼效應、塞貝克效應、湯姆遜效應、傅立葉效應以及焦耳效應的綜合作用[3]，其中帕爾貼效應為主導因素。帕爾貼效應，即電流通過不同導體的界面時，表現出來的吸熱或放熱效應。通常半導體制冷器采用若干組P-N熱電偶對通過導電片串聯，然后將這些熱電偶對嵌在兩塊基板之間[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導電片與基板之間進行絕緣處理。半導體制冷器屬于電流換能型元件，可通過改變輸入電流，進行溫度調節，若輔以溫度檢測與控制技術，便可形成閉環控制系統，進而實現溫度的高精度控制。

　　2熱控結構設計

　　合理的熱控結構設計，對降低系統綜合熱阻、優化系統工作效率、提高系統控制精度具有重要作用。熱控結構如圖2所示，設計重點主要包括以下幾個方面：2.1熱沉結構設計熱沉是宇航電子設備和半導體制冷器的支撐部件。它不僅要承受電子設備振動時產生的作用力，而且要將制冷器熱端熱流均勻擴散并傳至艙板，需采用承載能力和散熱能力比較均衡的材料，綜合考慮宇航產品材料優選目錄，可選用鋁合金;宇航產品通常嚴格限制重量，故而針對熱沉進行減重設計;熱沉是系統的最終散熱通道，應保證其與艙板之間具有良好的接觸，需嚴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，基板材料應具有較大的導熱系數;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)設備與制冷器接觸熱阻：制冷器高度尺寸存在較大公差，設備與制冷器、熱沉同時接觸很難實現;另外固體表面存在微觀凸點，有效接觸面積有限，接觸壓力較小時，表現出很大的界面熱阻。為解決以上問題，將設備與制冷器之間設計一定的間隙，間隙之間填充導熱填隙材料。3)設備與熱沉之間接觸熱阻：電子設備通過螺釘安裝在熱沉上，為避免兩者接觸界面熱交換對系統控制的干擾，設備與熱沉之間安裝絕熱墊，進行絕熱處理。4)熱沉與艙板之間接觸熱阻：熱沉通過螺釘固定在艙板上，安裝面涂一定厚度的導熱脂，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備熱耗與制冷器輸入功率之和，這部分熱量通過熱沉傳至星體艙板，為了使這部分熱量迅速導入整星熱控系統，熱沉安裝區域需預埋熱管。

　　3控制系統及工作原理

　　前人基于半導體制冷器設計的主動熱控制系統，多采用單片機作為核心控制器，取得了良好的效果。宇航電子產品通常采用FPGA進行邏輯控制，為了實現硬件資源的合理配置，本文設計一種基于FPGA的主動熱控制系統。控制系統架構如圖3所示，主要包括遙控遙測系統、FPGA系統、數字式溫度傳感器、功率驅動模塊、半導體制冷器等。其工作原理為：以FPGA系統作為邏輯控制中心，接收溫度傳感器采集的溫度信號，經過FPGA系統內部模糊PID控制算法處理，FPGA系統輸出一定占空比的PWM(脈沖寬度調制)控制信號，經功率驅動模塊的D/A轉換和功率放大，最終驅動半導體制冷器進行溫度控制。其中目標溫度可通過地面設備進行遙控設定，溫度傳感器反饋的溫度信號可通過地面設備進行遙測顯示。

　　4結語

　　基于半導體制冷器的主動熱控制方法，與傳統流體熱控方法相比，具有系統結構簡單、控制精度高、響應速度快、故障率低、易于維護等優點，在宇航電子設備主動熱控制方面具有良好的應用前景。

　　參考文獻

　　[1]裴念強，郭開華，劉杰.半導體制冷在新型環路熱管的應用計算[J].低溫物理學報，2007(1)：42-45.

　　[2]張建成.半導體制冷的熱管式散熱器傳熱研究[J].東南大學學報(自然科學版)，2000(5)：38-41.

　　[3]徐德勝.半導體制冷與應用技術[M].上海：上海交通大學出版社，1999.

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

　　《電子設備主動熱控制方法》來源：《現代工業經濟和信息化》，作者：曹旭民 王盛 張茂 陳婕 李晟昊