CN111811190B - 半导体制冷模块、空间风冷散热装置及空间设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体制冷模块、空间风冷散热装置及空间设备，涉及航空航天领域。半导体制冷模块包括：冷板、半导体制冷器和空冷换热器，半导体制冷器的热端与冷板接触，冷板连通有液体回路，用于使液体回路中的液体与半导体制冷器的热端进行热交换；半导体制冷器的冷端与空冷换热器接触，空冷换热器连通有气体回路，用于使气体回路中的气体与半导体制冷器的冷端进行热交换。本发明能够在空间环境下实现稳定安全制冷，并且由于半导体制冷本身具有结构简单、体积小、重量轻、响应时间短、可控性强的特点，且热控温度范围较大，因此实用性更强，能够满足空间环境下的制冷需求。

Description

半导体制冷模块、空间风冷散热装置及空间设备
技术领域
本发明涉及航空航天领域，尤其涉及一种半导体制冷模块、空间风冷散热装置及空间设备。
背景技术
目前，对于地面制冷需求，通常使用较为成熟的蒸汽压缩制冷系统，如图3所示，由制冷压缩机抽吸从蒸发器流来的低压、低温制冷剂蒸汽，经压缩机压缩成高压、高温蒸气而排出，在冷凝器放出热量，把热量传给它周围的介质，从而使制冷剂蒸气逐渐冷凝成液体，从冷凝器出来的制冷液体经过膨胀阀减压到蒸发压力，继续到蒸发器循环。
然而，对于空间环境，传统的地面制冷方案不再适用。原因主要有以下几点：1.在常重力条件下，重力使润滑油流入压缩机油槽中，而在微重力环境中，如果大量润滑油离开油池进入气缸，则压缩机将无法润滑，这就导致泄漏和摩擦的增加，泄漏和摩擦又会引起高功耗和压缩机寿命减少等问题；2.在地面常重力环境条件下，因气液两相的密度差，气液混合物自然分层。微重力条件下，则必须通过气液分离技术实现，目前气液分离仅可达到分离气体中无可视化液滴，液体流入会损坏压缩机；3.蒸发器和冷凝器是蒸汽压缩制冷的两个关键部件，在微重力条件下由于形成的气泡和液膜不能及时离开壁面，将造成换热器的换热恶化。
而目前，国际空间站采用液体冷却回路进行制冷，以解决上述问题，如图4所示，液体通过外部冷源进行冷却，通过循环泵驱动进入气液换热器，通过气液换热器使高温气体和低温液体进行换热，对高温气体进行冷却，然而，载荷侧循环的最低进口气体温度受气液换热器冷侧冷却剂温度制约，热控温度范围较小。极限状态下，热载荷最低进口温度等于液体冷却回路中液侧进口工质温度，因此，难以满足实际需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种半导体制冷模块、空间风冷散热装置及空间设备，半导体制冷具有结构简单、体积小、重量轻、响应时间短、可控性强的特点，且微重力对其影响很小，能够适用于空间环境。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种半导体制冷模块，包括：冷板、半导体制冷器和空冷换热器，所述半导体制冷器的热端与所述冷板接触，所述冷板连通有液体回路，用于使所述液体回路中的液体与所述半导体制冷器的热端进行热交换；所述半导体制冷器的冷端与所述空冷换热器接触，所述空冷换热器连通有气体回路，用于使所述气体回路中的气体与所述半导体制冷器的冷端进行热交换。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种基于半导体制冷模块的空间风冷散热装置，包括：半导体制冷模块、液体回路和气体回路，所述半导体制冷模块包括：冷板、半导体制冷器和空冷换热器，其中：
所述半导体制冷器的热端与所述冷板接触，所述冷板与所述液体回路连通，用于使所述液体回路中的液体与所述半导体制冷器的热端进行热交换；所述半导体制冷器的冷端与所述空冷换热器接触，所述空冷换热器与所述气体回路连通，用于使所述气体回路中的气体与所述半导体制冷器的冷端进行热交换。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种空间设备，包括：如上述技术方案所述的半导体制冷模块，或，如上述技术方案所述的空间风冷散热装置。
本发明的有益效果是：本发明通过半导体制冷器进行制冷，将冷端与空冷换热器接触，通过空冷换热器对高温气体进行降温，通过冷板对半导体制冷器的热端进行冷却，这样就通过半导体制冷器对需要进行热交换的介质进行了物理隔离，不会产生接触，从而避免了在微重力条件下的气液混流，从而能够在空间环境下实现稳定安全制冷，并且由于半导体制冷本身具有结构简单、体积小、重量轻、响应时间短、可控性强的特点，且热控温度范围较大，因此实用性更强，能够满足空间环境下的制冷需求。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明半导体制冷模块的实施例提供的结构示意图；
图2为本发明空间风冷散热装置的实施例提供的结构示意图；
图3为现有的蒸汽压缩制冷系统的结构示意图；
图4为现有的液体冷却回路制冷系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
现有的地面制冷系统通常为蒸汽压缩制冷系统，其结构如图3所示，主要由冷凝器、膨胀阀、蒸发器和压缩机构成，由于压缩机不适宜在微重力环境中使用，因此，该制冷系统难以应用于空间微重力环境中。
而目前的解决方案通常采用液体冷却回路制冷系统，其结构如图4所示，主要由气液换热器、循环泵和外部冷源构成，然而，载荷侧循环的最低进口气体温度受气液换热器冷侧冷却剂温度制约，热控温度范围较小。
基于此，本发明公开了一种由半导体制冷器实现的半导体制冷模块，以及由该半导体制冷模块实现制冷的系统，即空间风冷散热装置，以及使用该半导体制冷模块或该空间风冷散热装置进行制冷的空间设备，下面详细说明。
如图1所示，为本发明半导体制冷模块的实施例提供的结构示意图，图中的箭头表示气体或液体的流动方向，该半导体制冷模块适用于空间微重力环境下的制冷，包括：冷板1、半导体制冷器2和空冷换热器3，半导体制冷器2的热端与冷板1接触，冷板1连通有液体回路4，用于使液体回路4中的液体与半导体制冷器2的热端进行热交换；半导体制冷器2的冷端与空冷换热器3接触，空冷换热器3连通有气体回路5，用于使气体回路5中的气体与半导体制冷器2的冷端进行热交换。
应理解，半导体制冷器2是指利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，其原理是用导体连接两块不同的金属，接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。接通电源后，上接点附近产生电子空穴对，内能减小，温度降低，向外界吸热，称为冷端。另一端因电子空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热，称为热端。
优选地，如图1所示，可以将冷板1设置成长条形，内部包括多个竖向排布的液体通道，以增加与半导体制冷器2的接触面积。可以将空冷换热器3也设置成长条形，在其内部设置有横向排布的翅片，以增加空气与翅片的接触面积，从而提高热交换效率。
应理解，为了达到最优的换热效果，可以将冷板1紧贴半导体制冷器2的热端，并将空冷换热器3紧贴半导体制冷器2的冷端。
为了保证紧贴，可以将冷板1、半导体制冷器2和空冷换热器3通过外壳封装成模块，提高其集成度，便于安装拆卸，也可以通过外圈支架将三者贴合，本领域技术人员也可以通过其他现有手段将三者固定，在此不再一一赘述。
优选地，半导体制冷器2的型号可以为FPH1-16104T1，如图1所示，可以将多片串/并联使用。冷板1的换热量可以选择换热量大于等于400W的板翅式换热器，其优点为紧凑度高，换热效率高，承压能力高，更加适合空间微重力环境。空冷换热器3可以选择换热量大于等于250W的板翅式换热器。
本实施例通过半导体制冷器2进行制冷，将冷端与空冷换热器3接触，通过空冷换热器3对高温气体进行降温，通过冷板1对半导体制冷器2的热端进行冷却，这样就通过半导体制冷器2对需要进行热交换的介质进行了物理隔离，不会产生接触，从而避免了在微重力条件下的气液混流，从而能够在空间环境下实现稳定安全制冷，并且由于半导体制冷本身具有结构简单、体积小、重量轻、响应时间短、可控性强的特点，且热控温度范围较大，因此实用性更强，能够满足空间环境下的制冷需求。
应理解，为了实现更好和更稳定的制冷效果，下面对气体回路5和液体回路4上的一些可选改进进行说明。
可选地，在一些可能的实施方式中，气体回路5内设置有风机51和热载荷52，风机51用于驱动气体回路5内的气体，在气体回路5内循环，并使气体回路5内经过空冷换热器3冷却后的气体吹向热载荷52。
如图2所示，气体从空冷换热器3出来后，依次经过热载荷52和风机51，进入空冷换热器3的高温气体与翅片进行换热，降低至较低温度，风机51将气体送入空冷制热器内，在风机51的驱动下，低温气体与热载荷52发生热交换，再次升温的气体进入空冷换热器3完成一次制冷循环。
优选地，风机51可以选择德国的EBM轴流风机。
可选地，在一些可能的实施方式中，空冷换热器3的出气口与热载荷52之间的气体回路5内还设置有温度传感器53，温度传感器53用于检测经过空冷换热器3冷却后的气体的温度，半导体制冷器2还用于根据温度调整输入功率。
通过监控温度传感器53来调节制冷器的输入功率，可以保证热载荷52维持在合理温度范围内。
可选地，在一些可能的实施方式中，气体回路5内还设置有第一阀门54，用于控制气体回路5内气体的流量。
如图2所示，第一阀门54可以设置在风机51与空冷换热器3进气口之间的气体回路5中。
可选地，在一些可能的实施方式中，液体回路4内设置有循环泵41，循环泵41用于驱动液体回路4内的液体，在液体回路4内循环。
如图2所示，半导体制冷器2的热端与冷板1接触，液体工质通过循环泵41驱动，进入冷板1带走制冷器热端产生的热量，从而保证半导体制冷器2的长期稳定工作，工质吸热升温后通过系统冷端设备44将热量散至空间。
可选地，在一些可能的实施方式中，液体回路4内设置有流量计42和第二阀门43，流量计42用于检测液体回路4内液体的流量值，第二阀门43用于根据流量值控制液体回路4内液体的流量。
通过流量计42对液体回路4中液体的流量进行监控，并通过流量调节阀对液体回路4内液体的流量进行控制，能够使液体回路4的降温效率与气体回路5升温效率相匹配，从而实现稳定和高精度的制冷。
可选地，在一些可能的实施方式中，液体回路4内设置有系统冷端设备44，系统冷端设备44用于将经过冷板1升温后的液体的热量散发。
优选地，系统冷端设备44可以为液液换热器或空间辐射器。
可选地，在一些可能的实施方式中，液体回路4内还设置有蓄能器45，蓄能器45用于稳定液体回路4内的压力。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
如图2所示，为本发明空间风冷散热装置的实施例提供的结构示意图，该空间风冷散热装置基于半导体制冷模块实现，适用于空间微重力环境下的制冷，包括：半导体制冷模块、液体回路4和气体回路5，半导体制冷模块包括：冷板1、半导体制冷器2和空冷换热器3，其中：
半导体制冷器2的热端与冷板1接触，冷板1与液体回路4连通，用于使液体回路4中的液体与半导体制冷器2的热端进行热交换；半导体制冷器2的冷端与空冷换热器3接触，空冷换热器3与气体回路5连通，用于使气体回路5中的气体与半导体制冷器2的冷端进行热交换。
应理解，半导体制冷器2是指利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，其原理是用导体连接两块不同的金属，接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。接通电源后，上接点附近产生电子空穴对，内能减小，温度降低，向外界吸热，称为冷端。另一端因电子空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热，称为热端。
优选地，如图2所示，可以将冷板1设置成长条形，内部包括多个竖向排布的液体通道，以增加与半导体制冷器2的接触面积。可以将空冷换热器3也设置成长条形，在其内部设置有横向排布的翅片，以增加空气与翅片的接触面积，从而提高热交换效率。
应理解，为了达到最优的换热效果，可以将冷板1紧贴半导体制冷器2的热端，并将空冷换热器3紧贴半导体制冷器2的冷端。
为了保证紧贴，可以将冷板1、半导体制冷器2和空冷换热器3通过外壳封装成模块，提高其集成度，便于安装拆卸，也可以通过外圈支架将三者贴合，本领域技术人员也可以通过其他现有手段将三者固定，在此不再一一赘述。
优选地，半导体制冷器2的型号可以为FPH1-16104T1，如图1所示，可以将多片串/并联使用。冷板1的换热量可以选择换热量大于等于400W的板翅式换热器，其优点为紧凑度高，换热效率高，承压能力高，更加适合空间微重力环境。空冷换热器3可以选择换热量大于等于250W的板翅式换热器。
本实施例通过半导体制冷器2进行制冷，将冷端与空冷换热器3接触，通过空冷换热器3对高温气体进行降温，通过冷板1对半导体制冷器2的热端进行冷却，这样就通过半导体制冷器2对需要进行热交换的介质进行了物理隔离，不会产生接触，从而避免了在微重力条件下的气液混流，从而能够在空间环境下实现稳定安全制冷，并且由于半导体制冷本身具有结构简单、体积小、重量轻、响应时间短、可控性强的特点，且热控温度范围较大，因此实用性更强，能够满足空间环境下的制冷需求。
应理解，为了实现更好和更稳定的制冷效果，下面结合图2，对气体回路5和液体回路4上的一些可选改进进行说明。
可选地，在一些可能的实施方式中，气体回路5内设置有风机51和热载荷52，风机51用于驱动气体回路5内的气体，在气体回路5内循环，并使气体回路5内经过空冷换热器3冷却后的气体吹向热载荷52。
如图2所示，气体从空冷换热器3出来后，依次经过热载荷52和风机51，进入空冷换热器3的高温气体与翅片进行换热，降低至较低温度，风机51将气体送入空冷制热器内，在风机51的驱动下，低温气体与热载荷52发生热交换，再次升温的气体进入空冷换热器3完成一次制冷循环。
优选地，风机51可以选择德国的EBM轴流风机。
可选地，在一些可能的实施方式中，空冷换热器3的出气口与热载荷52之间的气体回路5内还设置有温度传感器53，温度传感器53用于检测经过空冷换热器3冷却后的气体的温度，半导体制冷器2还用于根据温度调整输入功率。
通过监控温度传感器53来调节制冷器的输入功率，可以保证热载荷52维持在合理温度范围内。
可选地，在一些可能的实施方式中，气体回路5内还设置有第一阀门54，用于控制气体回路5内气体的流量。
如图2所示，第一阀门54可以设置在风机51与空冷换热器3进气口之间的气体回路5中。
可选地，在一些可能的实施方式中，液体回路4内设置有循环泵41，循环泵41用于驱动液体回路4内的液体，在液体回路4内循环。
如图2所示，半导体制冷器2的热端与冷板1接触，液体工质通过循环泵41驱动，进入冷板1带走制冷器热端产生的热量，从而保证半导体制冷器2的长期稳定工作，工质吸热升温后通过系统冷端设备44将热量散至空间。
可选地，在一些可能的实施方式中，液体回路4内设置有流量计42和第二阀门43，流量计42用于检测液体回路4内液体的流量值，第二阀门43用于根据流量值控制液体回路4内液体的流量。
通过流量计42对液体回路4中液体的流量进行监控，并通过流量调节阀对液体回路4内液体的流量进行控制，能够使液体回路4的降温效率与气体回路5升温效率相匹配，从而实现稳定和高精度的制冷。
可选地，在一些可能的实施方式中，液体回路4内设置有系统冷端设备44，系统冷端设备44用于将经过冷板1升温后的液体的热量散发。
优选地，系统冷端设备44可以为液液换热器或空间辐射器。
可选地，在一些可能的实施方式中，液体回路4内还设置有蓄能器45，蓄能器45用于稳定液体回路4内的压力。
可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
本发明还提供一种空间设备，包括：如上述任意实施方式提供的半导体制冷模块，或，如上述任意实施方式提供的空间风冷散热装置。
需要说明的是，空间设备可以为航天器、空间站等在空间环境下使用的设备，其中搭载有需要降温的仪器、实验装置、控制器等设备，这些设备可以通过上述的半导体制冷模块或空间风冷散热装置进行制冷。
应理解，在地面的空间设备，或其他包含上述任意实施方式提供的半导体制冷模块或空间风冷散热装置的地面设备、水上设备等，或者使用上述任意实施方式提供的半导体制冷模块或空间风冷散热装置进行制冷的设备，也应包含在本发明的保护范围之内。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种半导体制冷模块，其特征在于，所述半导体制冷模块用于空间微重力环境下的制冷，包括：冷板、半导体制冷器和空冷换热器，所述半导体制冷器的热端与所述冷板接触，所述冷板连通有液体回路，用于使所述液体回路中的液体与所述半导体制冷器的热端进行热交换；所述半导体制冷器的冷端与所述空冷换热器接触，所述空冷换热器连通有气体回路，用于使所述气体回路中的气体与所述半导体制冷器的冷端进行热交换。
2.一种基于半导体制冷模块的空间风冷散热装置，其特征在于，所述半导体制冷模块用于空间微重力环境下的制冷，包括：半导体制冷模块、液体回路和气体回路，所述半导体制冷模块包括：冷板、半导体制冷器和空冷换热器，其中：
所述半导体制冷器的热端与所述冷板接触，所述冷板与所述液体回路连通，用于使所述液体回路中的液体与所述半导体制冷器的热端进行热交换；所述半导体制冷器的冷端与所述空冷换热器接触，所述空冷换热器与所述气体回路连通，用于使所述气体回路中的气体与所述半导体制冷器的冷端进行热交换。
3.根据权利要求2所述的基于半导体制冷模块的空间风冷散热装置，其特征在于，所述气体回路内设置有风机和热载荷，所述风机用于驱动所述气体回路内的气体，在所述气体回路内循环，并使所述气体回路内经过所述空冷换热器冷却后的气体吹向所述热载荷。
4.根据权利要求3所述的基于半导体制冷模块的空间风冷散热装置，其特征在于，所述空冷换热器的出气口与所述热载荷之间的气体回路内还设置有温度传感器，所述温度传感器用于检测经过所述空冷换热器冷却后的气体的温度，所述半导体制冷器还用于根据所述温度调整输入功率。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的基于半导体制冷模块的空间风冷散热装置，其特征在于，所述气体回路内还设置有第一阀门，用于控制所述气体回路内气体的流量。
6.根据权利要求2所述的基于半导体制冷模块的空间风冷散热装置，其特征在于，所述液体回路内设置有循环泵，所述循环泵用于驱动所述液体回路内的液体，在所述液体回路内循环。
7.根据权利要求2所述的基于半导体制冷模块的空间风冷散热装置，其特征在于，所述液体回路内设置有流量计和第二阀门，所述流量计用于检测所述液体回路内液体的流量值，所述第二阀门用于根据所述流量值控制所述液体回路内液体的流量。
8.根据权利要求2所述的基于半导体制冷模块的空间风冷散热装置，其特征在于，所述液体回路内设置有系统冷端设备，所述系统冷端设备用于将经过所述冷板升温后的液体的热量散发。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的基于半导体制冷模块的空间风冷散热装置，其特征在于，所述液体回路内还设置有蓄能器，所述蓄能器用于稳定所述液体回路内的压力。
10.一种空间设备，其特征在于，包括：如权利要求1所述的半导体制冷模块，或，如权利要求2至9中任一项所述的空间风冷散热装置。
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