一种空间用高功率器件温控装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种空间用高功率器件温控装置及方法。本发明专利技术的装置包括：直流电源，温度传感器，高功率器件，半导体制冷片(TEC)，隔热外壳，热容结构件，温度传感数据采集装置，温度控制器，热管。本发明专利技术的方法包括：在高功率器件开始工作之前，半导体制冷片将隔热外壳内工作器件温度调整至正常工作温度最低值T0，在高功率器件工作时间t内，通过热容装置储存高功率器件产生的热量，使高功率器件工作结束时的温度小于TMAX。本发明专利技术可以简便、有效、低成本地实现对高功率器件工作温度的精确控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及温度控制领域，尤其涉及一种在空间环境中应用的高功率器件的温控装置及方法。
技术介绍
空间环境指隔热真空且温度-40℃～50℃急剧变化环境；空间用高功率器件指正常工作温度在10℃～30℃室温附近，热功率50W以上的各类光电子器件。随着空间技术的高速发展，更多的高功率光电子器件逐渐应用到各种空间飞行器中。但是高功率光电子器件的发热量往往很大而要求的正常工作温度相对较低(10℃～30℃室温附近)，尤其是在真空隔热且温度急剧变化(-40～50℃)空间环境中，热累积效应导致器件温度急剧上升直至损毁。空间用高功率器件的温控技术由于空间环境特点已经排除了水冷，风冷等地面常用散热温控方法。传统上，空间应用的温控技术一般以热管将高功率器件的产热传导至空间飞行器散热部位，再以热辐射方式扩散到空间环境中。采用这种方式，一旦散热部位处于高热环境，功率器件热量难以导出，空间环境热量可能逆向进入高功率器件，导致温度更加高涨。近年来，根据空间用高功率器件仅需开机工作有限时间t的工作特点，逐渐将热缓冲方式的散热技术应用到温控中，即将工作时间t内产生热量暂时存储在热容装置中，再以其它方式将存储热量排除或者利用。虽然热缓冲方式的热容装置储热能力很强，但是这种无源方法无法对温度进行精确控制。并且，一些精密高功率器件开机工作温度是在室温范围(10℃～30℃)，这就要求不仅要将工作时间t内产生热量及时吸附，高功率器件工作环境温度也需稳定控制在较低的水平。仅以热缓冲方式工作的热容结构件难以胜任精确温度控制。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间用高功率器件温度的温控装置及方法，可以简便、有效、低成本地实现对高功率器件工作温度的精确控制。本专利技术提供一种空间用高功率器件温控装置，包括直流电源、温度传感器、半导体制冷片(TEC)、隔热外壳、热容装置、温度传感数据采集装置、温度控制器以及热管；高功率器件、热容装置、半导体制冷片、热管依次接连；高功率器件、热容装置、温度传感器包裹于隔热外壳内，半导体制冷片嵌入隔热外壳内；热容装置包括热容材料，以及容纳热容材料的结构件，结构件由高导热率材料制成，导热率范围优选为100～400W/m·K；热容装置用于储存高功率器件工作时释放的热量；热管同时与空间飞行器外壳接连，用于将热量传导至空间环境；温度传感器接触高功率器件，用于检测所述高功率器件的温度，并将检测信号经温度传感数据采集装置反馈至温度控制器；温度控制器用于比较预设温度与高功率器件的实时温度，并生成相应的温度控制信号；半导体制冷片在温度控制信号的作用下进行制热/制冷；直流电源用于为所述温控装置提供工作动力。优选地热容装置中热容材料为高潜热材料，相变潜热范围优选为150～300kJ/kg；或者高比热容材料，比热容范围优选为500～1000J/kg·K。优选地，高潜热材料为有机金属化合物或多元醇类有机物质，高比热容材料为铝合金。优选地，有机金属化合物为层状钙态矿，多元醇类有机物质为新戊二醇。优选地，隔热外壳由聚四氟乙烯制成。优选地，温度传感器为热敏电阻，温度传感数据采集装置为数模转换模块，温度控制器为可编程控制芯片。本专利技术还提供一种空间用高功率器件温控方法，实现步骤如下：(1)在高功率器件开始工作之前，通过温度传感器实时检测高功率器件的温度，然后通过温度控制器将温度传感数据与高功率器件正常工作最低温度T0进行比较，产生控制信号，在控制信号的作用下，通过改变半导体制冷片输入电流的方向或大小，使半导体制冷片对高功率器件进行预先制冷或者制热，并通过热管与空间环境进行热传导；通过设置隔热外壳，将所述高功率器件、热容装置、温度传感器包裹于所述隔热外壳内，将所述半导体制冷片嵌入式安装于所述隔热外壳内，使得隔热外壳在半导体制冷片的调节下成为隔热体；(2)当高功率器件达到正常工作最低温度T0后，使用温度控制器控制半导体制冷片，降低半导体制冷片的功率，使高功率器件温度维持在T0。(3)在高功率器件开始工作后，使用热容装置存储高功率器件所产生的热量，并且通过热管将热量传导至空间环境，使得在高功率器件工作时间t内，高功率器件的温度不超过正常工作允许最高温度TMAX；(4)在高功率器件停止工作后，所述半导体制冷片与电源断开。其中，在步骤(3)中，半导体制冷片可高功率制冷，也可以低功率制冷或者不工作。由于半导体的短时制冷效果较差，为节约能源、简化控制，优选地，步骤(3)中半导体制冷片的工作功率，与步骤(2)中半导体制冷片维持高功率器件温度维持在T0时的工作功率相同。根据上述专利技术方法，在高功率器件停止工作后，即断开半导体制冷片与电源的连接，待需要时再执行上述专利技术方法，对高功率器件进行温控。优选地，上述专利技术方法的步骤(4)可以替换为：“高功率器件停止工作后，重新执行所述步骤(1)至(3)”。根据该优选技术方案，采用循环温度控制，使高功率器件的温度一直维持在正常工作温度范围T0至TMAX之间，从而便于高功率器件的快速启动，也延长高功率器件的使用寿命。本专利技术与现有技术相比取得的技术效果在于：(1)本专利技术方法采用主动温控方式控制高功率器件的工作初始温度，通过预估温升程度，消除了空间环境温度变化对高功率器件温度的影响，比无源散热温控方法可控性更高、更可靠，且控温过程简便、有效、成本低；(2)传统温控PID方式使得器件温度在工作允许温度点附近震荡变化，对于热功率较小的器件例如10W以下的功率器件，震荡幅值小可以视为稳定的温度控制，但是对于几十瓦高热功率器件，震动幅值大难以抑制，不能等效为温度稳定的情形，控制失效。本专利技术方法利用热容装置吸收器件工作时产生的热功率，降低热累积速度，直接对温升程度进行控制，解决了传统PID温控遇到的问题，在给定工作时间t内将器件温度控制在允许范围之内。(3)本专利技术装置及方法可以对工作一定时间t内，产热功率高而工作温度和散热面积小的光电子器件，例如产热功率50W以上、散热面积小于100mm×100mm、工作温度在室温范围(10℃～30℃)的光电子器件，进行有效的、低成本的温度精确控制。(4)本专利技术装置的外形无突出结构，节省空间；单元化设计，便于安装；可以简便、有效、低成本地实现对高功率器件温度的精确控制。附图说明图1为本专利技术温控装置示意图；图2为本专利技术一种温控过程流程图；图3为本专利技术另本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间用高功率器件温控装置，其特征在于：包括直流电源(1)、温度传感器(2)、半导体制冷片(4)、隔热外壳(5)、热容装置(6)、温度传感数据采集装置(7)、温度控制器(8)以及热管(9)；所述高功率器件(3)、热容装置(6)、半导体制冷片(4)、热管(10)依次接连；所述高功率器件(3)、热容装置(6)、温度传感器(2)包裹于所述隔热外壳(5)内，所述半导体制冷片(4)嵌入所述隔热外壳(5)内；所述热容装置(6)包括热容材料，以及容纳热容材料的结构件，所述结构件由高导热率材料制成，热容装置(6)用于储存高功率器件(3)工作时释放的热量；所述热管(9)同时与空间飞行器外壳(10)接连，用于将热量传导至空间环境；所述温度传感器(2)接触高功率器件(3)，用于检测所述高功率器件(3)的温度，并将检测信号经温度传感数据采集装置(7)反馈至所述温度控制器(8)；温度控制器(8)用于比较预设温度与高功率器件的实时温度，并生成相应的温度控制信号；所述半导体制冷片(4)在温度控制信号的作用下进行制热/制冷；所述直流电源(1)用于为所述温控装置提供工作动力。

【技术特征摘要】
1.一种空间用高功率器件温控装置，其特征在于：包括直流电源(1)、
温度传感器(2)、半导体制冷片(4)、隔热外壳(5)、热容装置(6)、
温度传感数据采集装置(7)、温度控制器(8)以及热管(9)；
所述高功率器件(3)、热容装置(6)、半导体制冷片(4)、热管(10)
依次接连；所述高功率器件(3)、热容装置(6)、温度传感器(2)包裹
于所述隔热外壳(5)内，所述半导体制冷片(4)嵌入所述隔热外壳(5)
内；所述热容装置(6)包括热容材料，以及容纳热容材料的结构件，所述
结构件由高导热率材料制成，热容装置(6)用于储存高功率器件(3)工作
时释放的热量；所述热管(9)同时与空间飞行器外壳(10)接连，用于将
热量传导至空间环境；
所述温度传感器(2)接触高功率器件(3)，用于检测所述高功率器件
(3)的温度，并将检测信号经温度传感数据采集装置(7)反馈至所述温度
控制器(8)；温度控制器(8)用于比较预设温度与高功率器件的实时温度，
并生成相应的温度控制信号；所述半导体制冷片(4)在温度控制信号的作
用下进行制热/制冷；
所述直流电源(1)用于为所述温控装置提供工作动力。
2.根据权利要求1所述的空间用高功率器件温控装置，其特征在于：
所述热容装置(6)中热容材料为高潜热材料或者高比热容材料。
3.根据权利要求2所述的空间用高功率器件温控装置，其特征在于：
所述高潜热材料为有机金属化合物或多元醇类有机物质，所述高比热容材料
为铝合金。
4.根据权利要求3所述的空间用高功率器件温控装置，其特征在于：
所述有机金属化合物为层状钙态矿，所述多元醇类有机物质为新戊二醇。
5.根据权利要求1所述的空间用高功率器件温控装置，其特征在于：
所述容纳热容材料的结构件由铝合金制成。
6.根据权利要求1所述的空间用高功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋伟，何哲玺，王军龙，马建立，刘佳，王学锋，于淼，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11