某型号航天器包装容器半导体温控系统的设计分析
某型号航天器包装容器半导体温控系统的设计
分析
摘要： 目的 对某型号航天器包装容器进行温控系统设计，达到航天器高精度控温的要求。
方法 对总体保温布局进行设计，优化被动保温结构，采用半导体控温方式，利用
ANSYSWorkbench 进行稳态和瞬态热力学分析。通过试验测试，验证了保温结构设计和热力学
分析结果的合理性。结果 在外部施加热载荷 36℃和0℃情况下，随着热载荷区域的远离，包装
容器内部的温度也趋于平稳，内部装载产品区域温度基本能维持在 20.99℃到22.662℃之间。
实际试验结果显示箱内温度变化不大于±1℃，比传统的空调控温精度高出 70% 左右。结论 通
过优化箱体的被动保温结构，采用半导体精密控温，可以满足未来航天器小型化、高精度运输
要求。
关键词 ：航天器； 半导体； 控温；
Abstract:The work aims at designing a temperature control system of a certain type of spacecraft to
meet the requirements of high-precision temperature control . Design the overall insulation layout ,
optimization of passive insulation structure and semiconductor temperature control mode is used to
analyze steady and transient thermodynamic using ANSYS workbench . By test , the rationality of
thermal insulation structure design and thermodynamic analysis is verified . Under external thermal
load of 36℃ and 0℃ ，with the distance of the thermal load area, the temperature inside the
packaging container tends to be stable . The temperature of the inner loading area can be maintained at
20.99℃ and 22.662℃ 。The conclusion is that by optimizing the passive insulation structure of the
packaging container and adopting semiconductor precision temperature control, the requirements of
miniaturization and high-precision transportation of future spacecraft can be met.
Keyword:spacecraft; semiconductor; temperature control;
航天器包装容器主要用于航天器的地面贮存、转运，能够为航天器提供良好的避震、压力、温
度、湿度和洁净度环境，并具有对这些环境参数的监测记录功能[1].航天器包装容器的温控设
计是其中一项关键技术，箱内温度过高或过低都可能会损伤航天器。因此，运输过程中必须对
箱内温度进行控制，传统的控温方式采用在包装容器上安装冷暖空调，维持容器内部温度在设
定的范围内。在空调控温这种传统的温控技术中，空调的加热和制冷受外界温度的限制较大，
一般常规的空调，低于 16 ℃就不能实现制冷功能，高于 32℃就不能进行加热。同时空调温控
的精度也较低，一般不小于±3 ℃。与传统的空调控温相比较，半导体制冷具有以下特点：不
使用制冷剂、不污染环境；体积小、重量轻，可大大节约仪器体积和重量；无噪声、无磨损、
无振动、运行可靠、维护方便；可通过改变电流方向来达到制冷和加热两种不同的目的，非常
方便地实现冷、热两种功能；冷却速度快，冷却速度可通过调节工作电流来控制，操作方便；
可使用常规电源，工作电压和电流可在范围内调整；制冷温差可达 20-150 ℃范围等优点
[2,3,4,5].近年来，随着航天器小型化的发展，对航天器包装容器精密控温提出新的要求。孙立
凯等[6]提出了一种基于半导体制冷原理的小型高精度恒温控制器，廖阳明[7]提出了基于半导
体制冷的小型保温箱实现方案，赵峰等[8]对恒温器的结构及设计工艺进行了介绍，王成刚等
[9]探讨了半导体制冷温度控制系统算法，刘春江[10]对微型控温箱的结构方案进行了介绍，从
所查文献可以看出，小型航天器的精密温控设计可以采用半导体制冷原理来实现。
本文针对航天器包装容器的主体布局结构设计，利用 ANSYS Workbench 进行了热力学分析
[11,12,13,14],模拟仿真容器内部的温度变化范围，同时对航天器包装容器进行高低温试验，验
证了容器主体温控设计布局的合理性。
1 半导体制冷的工作原理
半导体制冷是利用半导体材料组成的P─N 结，通过施加直流电后，热电元件会出现一端温度
降低而另一端温度升高的现象，利用此现象将电能转换为热能，这就是半导体制冷的基本原
理。如图 1所示，给一对或多对热电元件之间通以直流电后，在接头处会产生温差和热量转
移，在热电对的一端，电子和空穴从低能级的P型材料通过连接的导体进入到高能级的N型材
料，同时吸收热量，制冷端温度降低；而热电对的另一端则存在相反的情况，放出热量致使温
度升高，这就是帕尔贴效应。
图1 热电制冷原理图
Fig. 1 Schematic diagram of thermoelectric refrigerator
2 航天器包装容器精密控温系统设计
航天器包装容器精密控温系统主要包含：保温容器结构主体、控制箱两部分。其中保温容器结
构件包含：容器壳体、温度传感器、半导体恒温组件。
2.1 主体布局
由于保温容器结构主体（恒温区）空间很小，因此无法在其内部设计对流管路，仅在容器内壁
四周设计有风道，配合上部半导体机组风机，通过空气搅拌的方式实现空间恒温。由于保温容
器本体材料为铝合金，为防止恒温区内部与外部的热交换，除了在框架中部填充聚氨酯发泡材
料外，在内部也采用双面粘贴镀铝膜的聚氨酯保温材料，起到双层保温的效果。最外部为防锈
铝板，具有较好的耐用性，其作用是保护保温层和固定恒温腔内各部件。容器结构主体包含：
容器骨架（容器盖、容器底）、保温内胆、半导体恒温组件等部分构成，具体结构布局见图 2.
图2 结构布局示意图
Fig. 2 Structural layout diagram
2.2 容器骨架的设计
容器骨架采用铝合金无缝铝管组焊而成，分为容器盖和容器底两部分。容器盖采用铝方管
40mm×40mm×4mm 拼焊成框架；容器底采用铝方管80mm×80mm×5mm 拼焊成十字框架，铝方
管材料均为5A02,标准号GB/T6893-2010《铝及铝合金拉（轧）制无缝管》。
整体容器骨架布局合理，受力良好，充分保证容器内部产品的运输安全。
2.3 顶部半导体组件布局
考虑到内部空间较小，采用半导体恒温技术，内部工作室带有风循环系统，与容器内的风道配
合使用，使容器内空气循环流动，恒温速度更快，温度更均匀。选用4组半导体恒温机组，每
个机组最大功率500W,输入电源为 220V±10%,50Hz.半导体布局图见图 3.
图3 半导体恒温机组布局图
Fig. 3 Layout of semiconductor thermostatic unit
2.4 保温层材料的选择
传统保温箱采用的保温材料一般为硅酸铝纤维棉（25℃时，导热系数约为 0.04W/m·K;500℃
时，导热系数约为 0.12W/m·K），但是一般采用较厚的绝热层来保证保温能力，这样就会增加
系统体积。与本次包装容器小型化的设计要求相矛盾。为了提高包装容器的保温性能，本次保
温层采用微纳米超级绝热材料（又称超级绝热材料）。这种材料是以硅质微纳米多孔材料、无
机纤维、黏合剂等纯无机材料组合而成，导热系数通常为 0.007W/m·K[15].
3 控制系统原理及功能
控制系统为高精度全自动智能PID 双向控制系统，原理图见图 4.
摘要：
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某型号航天器包装容器半导体温控系统的设计分析 摘要：目的对某型号航天器包装容器进行温控系统设计，达到航天器高精度控温的要求。方法对总体保温布局进行设计，优化被动保温结构，采用半导体控温方式，利用ANSYSWorkbench进行稳态和瞬态热力学分析。通过试验测试，验证了保温结构设计和热力学分析结果的合理性。结果在外部施加热载荷36℃和0℃情况下，随着热载荷区域的远离，包装容器内部的温度也趋于平稳，内部装载产品区域温度基本能维持在20.99℃到22.662℃之间。实际试验结果显示箱内温度变化不大于±1℃，比传统的空调控温精度高出70%左右。结论通过优化箱体的被动保温结构，采用半导体精密控温，可以...
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作者：闻远设计
分类：其它行业资料
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