一种高发热量空间装置的主动控温装置及方法与流程

1.本发明属于卫星热控的技术领域，具体涉及一种高发热量空间装置的主动控温装置及方法。


背景技术：

2.目前，由于空间环境温度波动很大，而高发热量空间装置的锂离子蓄电池组的最佳工作温度范围为17℃～25℃，可接受的工作温度区间为10℃～35℃，所以，当空间环境温度波动使得电池温度过高时，会导致电池液发生分解，甚至出现电池爆裂的安全性风险；当空间环境温度波动使得电池温度过低时，电池性能下降，并且可能发生锂枝晶刺穿隔膜，引起电池短路的情况。因此，为保障高发热量空间装置高效率、长寿命工作，亟需一种新型的技术方案以解决上述的问题，以对空间装置进行有效控温，使其在适宜的温度下安全运行。


技术实现要素：

3.本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，提供一种高发热量空间装置的主动控温装置，其能够实现宽温域空间环境下对高发热量空间装置的主动加热和致冷调控。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种高发热量空间装置的主动控温装置，包括：
6.半导体致冷控温模组、集热传热模组和电源控制模组；
7.所述半导体致冷控温模组包括隔热组件及多个控温单元，所述隔热组件具有多个间隔设置的阻隔部，各个所述阻隔部之间形成容纳腔，各个所述控温单元分别设置于各个所述容纳腔；
8.所述集热传热模组包括集热板和连通于所述集热板的辐射器，所述隔热组件设置于所述集热板，各个所述控温单元沿所述容纳腔的腔壁抵接于所述集热板；
9.各个所述控温单元包括依次叠置的导热块、柔性绝缘导热垫和半导体致冷器，所述导热块设置于所述集热板和所述柔性绝缘导热垫之间，各个所述半导体致冷器依次连接；
10.所述电源控制模组设置有温度采集单元和电源调控单元，所述温度采集单元和各个所述半导体致冷器分别电连接于所述电源调控单元。
11.作为本发明的所述主动控温装置的一种改进，所述电源调控单元设置有第一处理器、正向直流输出器和反向直流输出器，所述温度采集单元、所述正向直流输出器和反向直流输出器分别电连接于所述第一处理器，所述正向直流输出器和反向直流输出器分别电连接于各个所述半导体致冷器。
12.作为本发明的所述主动控温装置的一种改进，所述集热传热模组还包括热管和开关，所述开关设置于所述热管，所述集热板通过所述热管连通于所述辐射器。
13.作为本发明的所述主动控温装置的一种改进，所述开关电连接于所述第一处理器。
14.作为本发明的所述主动控温装置的一种改进，所述半导体致冷控温模组包括多组呈阵列排布的所述半导体致冷器，各个所述半导体致冷器设置于同一水平高度。
15.作为本发明的所述主动控温装置的一种改进，所述导热块与所述集热板的接触面之间填充有导热绝缘材料，所述导热绝缘材料的导热系数为1w/m
·
k～15w/m
·
k。
16.作为本发明的所述主动控温装置的一种改进，所述隔热组件的导热系数为0.015w/m
·
k～0.04w/m
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k，密度为0.15g/cm3～0.35g/cm3，耐受温度为1000℃～1450℃。
17.作为本发明的所述主动控温装置的一种改进，所述导热块、所述柔性绝缘导热垫和所述集热板的导热系数分别为3w/m
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k～300w/m
·
k，耐受温度分别为1500℃～3500℃。
18.本发明的目的之二在于：提供一种高发热量空间装置的主动控温方法，包括如下步骤：
19.检测空间装置的温度，当温度高于正常范围时，向各个半导体致冷器正向供直流电，使得各个半导体致冷器工作致冷，空间装置的热量依次转移到柔性绝缘导热垫、导热块、集热板和辐射器，辐射器向外界环境散出热量并降低空间装置的温度；
20.当温度低于正常范围时，向各个半导体致冷器反向供直流电，使得各个半导体致冷器工作制热，外界环境和集热板中的热量依次流经导热块、柔性绝缘导热垫和空间装置，使空间装置升温。
21.作为本发明的所述主动控温方法的一种改进，还包括：当温度高于正常范围或低于正常范围时，按预设条件启动半导体致冷控温模组的其中一部分或全部的半导体致冷器进行工作。
22.本发明的有益效果在于：1)本发明可以通过电源控制模组改变半导体致冷器中的电流从而快速改变热量转移方向，当机体温度低时，半导体致冷器将热量从环境转移到空间装置，使其快速升温，当机体温度高时，半导体致冷器将热量从空间装置转移到环境中，使其快速降温；2)多个半导体致冷器配合下使得装置的致冷能力明显提高，能满足高发热量目标设备的控温需求；3)本发明的控温调节能力强，热响应速度快，各部件组装稳定可靠，实现了宽温域空间环境下高发热量空间装置的主动加热和致冷调控。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图之一。
24.图2为本发明的结构示意图之二。
25.其中：1、隔热组件；2、导热块；3、柔性绝缘导热垫；4、半导体致冷器；5、集热板；6、热管；7、开关。
具体实施方式
26.如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件，本领域技术人员应可理解，制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.为了保障空间装置工作时机体温度保持在安全范围，发明人发现，传统热控系统采用整星开散热窗散热降温或采用贴装加热片加热的方式提升空间装置的温度，然而，当环境温度过高时，通过热管将空间装置产生的热量转移到卫星表面，再利用舱外所贴的osr片向空间辐射散热，但机体温度始终高于环境温度，即传统方式无法实现可控式降温。此外，发明人还发现，传统的被动式温控技术还存在温控范围相对较窄、温控精度较低较差的问题。对此，亟需一种能够主动升温、降温的装置和方法，以有效拓宽高发热量装置的空间环境温度适应能力。
30.以下结合附图1～2和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
31.实施例1
32.一种高发热量空间装置的主动控温装置，如图1～2所示，包括半导体致冷控温模组、集热传热模组和电源控制模组，其中，半导体致冷控温模组包括隔热组件1及多个控温单元，集热传热模组包括集热板5和连通于集热板5的辐射器，电源控制模组设置有温度采集单元和电源调控单元，在半导体致冷控温模组中，隔热组件1具有多个间隔设置的阻隔部，各个阻隔部之间形成容纳腔，各个控温单元分别设置于各个容纳腔，各个控温单元包括依次叠置的导热块2、柔性绝缘导热垫3和半导体致冷器4，并且，隔热组件1设置于集热板5，集热板5能够支撑承托整个隔热组件1的底部，具体地，各个控温单元沿容纳腔的腔壁抵接于集热板5，导热块2设置于集热板5和柔性绝缘导热垫3之间，各个半导体致冷器4依次连接，同时，温度采集单元和各个半导体致冷器4分别电连接于电源调控单元，当温度采集单元检测到空间装置机体温度偏高或偏低时，电源调控单元会作出相应的反馈，并快速调控各个半导体致冷器4的工作运行。
33.其中，电源调控单元设置有第一处理器、正向直流输出器和反向直流输出器，温度采集单元、正向直流输出器和反向直流输出器分别电连接于第一处理器，正向直流输出器和反向直流输出器分别电连接于各个半导体致冷器4。在控温装置中，温度采集单元可以采用带有ad转换芯片的红外线温度传感器或热电偶，第一处理器可以采用单片机处理器、cortex-r系列处理器、arduino处理器或plc处理器，当第一处理器接收到温度采集单元的相应信号后，第一处理器可以根据相应的逻辑分析使正向直流输出器或反向直流输出器工作运行，正向直流输出器用于对各个半导体致冷器4输送正向电流，反向直流输出器用于对各个半导体致冷器4输送反向电流，同时，在第一处理器的控制下，可以有效调节正向直流输出器和反向直流输出器的输出电流的大小。
34.优选地，集热传热模组还包括热管6和开关7，开关7设置于热管6，集热板5通过热管6连通于辐射器，其中，热管6用于将集热板5的热量高效地转移到辐射器，开关7用于控制热管6和辐射器之间的导通和截止。在集热传热模组的运行过程中，集热板5可以通过其内部的工作液体进行集热，该工作液体可以通过热管6流向辐射器，辐射器可以采用空间热辐射器，其能够通过内部设置的汇热管收集工作液体中的热量，再通过换热的方式向外排出热量。
35.优选地，开关7电连接于第一处理器，开关7可以采用电控开关，其中，第一处理器中可以设置多个控制电路，其可以设置有开关控制电路、正反切换控制电路和电流大小控制电路，从而可以分别控制正向直流输出器、反向直流输出器和开关7的工作运行。
36.优选地，半导体致冷控温模组包括多组呈阵列排布的半导体致冷器4，各个半导体致冷器4设置于同一水平高度。在排布各个半导体致冷器4之前，可以根据各个半导体致冷器4的相对放置的位置，将由整块气凝胶组成的隔热组件1通过定位模具切割成多个间隔的阻隔部和容纳腔。同时，导热块2、柔性绝缘导热垫3和半导体致冷器4依次自下而上紧密贴合于隔热组件1中，以确保半导体致冷控温模组整体的控温性能稳定良好。各个半导体致冷器4之间可以通过导线连接。
37.在半导体致冷控温模组中，还需严格控制导热块2、柔性绝缘导热垫3和半导体致冷器4的制备高度误差，其中，各个柔性绝缘导热垫3可以用于调整各个控温单元的整体高度，采用柔性绝缘导热垫3能够严格控制半导体致冷器4的加工高度误差，从而能够保证大面积阵列排布的所有半导体致冷器4高度一致，避免半导体致冷器4的高度差异引起的热阻增大现象。本技术的半导体致冷控温模组实现了大面积阵列排布多个半导体致冷器4，使得装置的致冷能力明显提高，能满足高发热量目标设备的控温需求，同时，将半导体致冷器4用于高发热量空间设备，能实现主动控温，且控温精度高，控温范围宽。
38.优选地，导热块2与集热板5的接触面之间填充有导热绝缘材料，导热绝缘材料的导热系数为1w/m
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k～15w/m
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k，并且，该导热系数具体可以为1w/m
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k～3w/m
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k、3w/m
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k～6w/m
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k、6w/m
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k～9w/m
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k、9w/m
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k～11w/m
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k、11w/m
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k～13w/m
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k、13w/m
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k～15w/m
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k，导热绝缘材料的厚度可以为1mm～20mm。例如，导热块2和集热板5的接触面之间可以涂抹导热系数为1w/m
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k～15w/m
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k的导热硅脂，导热硅脂能够填充接触微空隙，减小接触热阻。
39.优选地，隔热组件1的导热系数为0.015w/m
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k～0.04w/m
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k，密度为0.15g/cm3～0.35g/cm3，耐受温度为1000℃～1450℃。
40.其中，在半导体致冷控温模组中，隔热组件1的导热系数的具体取值可以为0.015w/m
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k、0.018w/m
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k、0.02w/m
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k、、0.025w/m
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k、0.028w/m
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k、0.033w/m
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k、0.037w/m
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k、0.04w/m
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k，优选的导热系数为0.02w/m
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k～0.04w/m
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k。
41.隔热组件1的密度的具体取值可以为0.15g/cm3、0.18g/cm3、0.22g/cm3、0.25g/cm3、0.28g/cm3、0.32g/cm3、0.35g/cm3。
42.优选地，导热块2、柔性绝缘导热垫3和集热板5的导热系数分别为3w/m
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k～300w/m
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k，耐受温度分别为1500℃～3500℃。
43.导热块2、柔性绝缘导热垫3和集热板5中可以设置石墨层或石墨烯层。
44.导热块2和集热板5的导热系数的具体取值分别可以为3w/m
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k～30w/m
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k、30w/m·
k～80w/m
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k、80w/m
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k～150w/m
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k、150w/m
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k～220w/m
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k、220w/m
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k～300w/m
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k。
45.柔性绝缘导热垫3的导热系数的具体取值可以为3w/m
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k～3.6w/m
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k、3.6w/m
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k～10w/m
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k、10w/m
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k～80w/m
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k、80w/m
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k～150w/m
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k、150w/m
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k～220w/m
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k、220w/m
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k～300w/m
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k。
46.导热块2、柔性绝缘导热垫3和集热板5的耐受温度的具体取值分别可以为1500℃～2000℃、2000℃～2500℃、2500℃～2900℃、2900℃～3250℃、3250℃～3500℃。
47.通过对控温装置的各个部件的优化，从而有效实现了宽温域空间环境下高发热量空间装置的主动加热和致冷调控。
48.实施例2
49.与实施例1不同的是，本实施例的电源控制模组、集热板5、热管6和辐射器通过控温装置所设置的机架进行固定，并且，电源控制模组自带温控器，从而能够保障电源控制模组在低温环境及高温环境下均能够正常运行。
50.本实施例的其他结构均与实施例1相同，这里不再赘述。
51.实施例3
52.一种高发热量空间装置的主动控温方法，包括以下步骤：
53.检测空间装置的温度，当温度高于正常范围时，向各个半导体致冷器4正向供直流电，使得各个半导体致冷器4工作致冷，空间装置的热量依次转移到柔性绝缘导热垫3、导热块2、集热板5和辐射器，辐射器向外界环境散出热量并降低空间装置的温度；
54.当温度低于正常范围时，向各个半导体致冷器4反向供直流电，使得各个半导体致冷器4工作制热，外界环境和集热板5中的热量依次流经导热块2、柔性绝缘导热垫3和空间装置，使空间装置升温。
55.优选地，当温度高于正常范围或低于正常范围时，按预设条件启动半导体致冷控温模组的其中一部分或全部的半导体致冷器4进行工作，例如，在隔热组件1的长度方向上，各个半导体致冷器4串联连接，在隔热组件1的宽度方向上，各个半导体致冷器4并联连接，从而可以使隔热组件1的宽度方向上的各个半导体致冷器4互不影响，使得隔热组件1的一排或多排半导体致冷器4可以按需启动工作。
56.显然，本发明控温调节能力强，热响应速度快，各部件组装稳定可靠，实现了宽温域空间环境下高发热量空间装置的主动加热和致冷调控，有效拓宽高发热量设备的空间环境温度适应能力。
57.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。