Система термостатирования космического аппарата на термоэлектрических модулях Пельтье

Введение

Система термостатирования космического аппарата (КА) это совокупность бортовых устройств и элементов конструкции, используемые для обеспечения требуемого теплового режима космического аппарата.

Работа космического аппарата характеризуется весьма тяжелыми условиями. Температура его поверхности может изменятся в пределах от -150 до +150 С. При этом аппаратура, устанавливаемая на борту КА в большинстве своем работоспособна в диапазоне температур от 50 до -40 С. Для отдельных видов аппаратуры, например, оптических приборов и экипажа, требуется еще более узкий интервал температур. В связи с этим система обеспечения теплового режима относится к числу жизненно важных бортовых обеспечивающих систем КА [1].

Существует множество различных систем термостатирования КА. В данной работе обосновывается перспективность применения системы термостатирования на элементах Пельте.

Термоэлектрический модуль относится к области космической техники, а конкретнее к устройствам отвода тепла от систем космических аппаратов. В основе работы термоэлектрического охлаждающего модуля лежит эффект Пельтье, который заключается в том, что при протекании постоянного электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов (спаях) проводников поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока, тепло.

Описание экспериментальной установки

С целью эмпирического определения основных параметров системы термостатирования была разработана и собрана экспериментальная установка, электрическая схема которой представлена на рисунке 1.

Рисунок 1- Электрическая схема установки

  Электрическая схема состоит из следующих элементов:

  R1, R2 – резисторы (MAT-1.125)

  VD1, VD2 – Светодиоды (АЛ307В)

  TV – трансформатор силовой (ТН56-220-50)

  КР – Промежуточное реле (RP402A)

  SB1, SB2 – кнопки управления (TDMSB7)

  C1, C2 – Конденсаторы сглаживающие (4700 мкФ-16B)

  VD3, VD4 – Диоды выпрямительные (КД201Б)

  ЭП – Элемент Пельтье (TEC1-12710640)

  M1 – Кулер

  VD5 - Диодный мост

  Корпус модуля Пельтье загерметизирован, поверхность керамики зашлифована, тем не менее, для увеличения эффективности применяется теплопроводящая паста.

  С «горячей» стороны элемента располагается конвекционный, алюминиевый радиатор обдуваемый с низа кулером (вентилятором). В космических условиях, в виду отсутствия гравитации, конвекционный радиатор будет не эффективен поэтому целесообразнее использовать радиационную пластину.

  Используя кнопки SB1, SB2 можно реверсировать ток, тем самым изменяя режим нагрева на режим охлаждения соответственно.

  Проведение эксперимента

  В качестве объекта нагрева/охлаждения использовалась небольшая алюминиевая емкость с водой. Задачей эксперимента является определение коэффициента полезного действия и полезной мощности модуля Пельтье при охлаждении и нагреве.

  Коэффициент полезного действия (КПД) определяется выражением:

  Где m_c, m_в, с_с, с_в   - масса, удельная теплоёмкость сосуда и воды соответственно, Т₀- начальная температура образца, Т_к- конечная температура образца, U- напряжение на элементе Пельте, I – сила тока в цепи.

  Для выполнения поставленной задачи регистрировалась температура сосуда с водой при шаге измерения в 10 секунд. Полученные результаты занесенный в таблицы 1 и 2.

  Элемент Пельтье работает при постоянном напряжение 12 вольт и силой тока в 4 ампера. Масса воды и сосуда составляет 9·10^-3кг и 31·10^-3кг соответственно. 

Таблица 1- Результаты опыта (режим охлаждения)

Таблица 2- Результаты опыта (режим нагрева)

  Окончательное значение КПД составляет -  при охлаждении и 53,1±3% при нагреве.

  Полученное значение погрешности не отражает полную картину достоверности проведенных измерений, об этом говорит большое отклонение вычисленных значений мощности и КПД (см. таблицы 1,2). В условиях лаборатории измерить полученные величины более точным образом не представляется возможным, в виду необходимости создания высокой теплоизоляции, приближенных к реальным условиям работы. Предполагаемое значение КПД при нагреве и охлаждении должно быть выше на 10-15% что при использовании на космическом аппарате в качестве системы термостатирования, более чем оправданно, с учетом всех имеющихся преимуществ, описанных выше.

Заключение

Система термостатирования КА на модулях Пельтье имеет ряд ощутимых преимуществ в сравнении с традиционными методами термостатирования (радиационные пластины, криогенные системы с твердым или жидким хладагентом и.д.), а именно:

- Модули Пельтье, применяемые в составе средств охлаждения электронных элементов, отличаются высокой надежностью

- Отсутствие движущихся частей (за исключением кулеров, увеличивающих эффективность работы), как следствие каких-либо отсутствие вибраций

- Допускают каскадное использование, тем самым значительно увеличивая эффективность своей работы, позволяя довести температуру корпусов защищаемых электронных элементов до отрицательных значений даже при их значительной мощности рассеяния.

- Сравнительно просто обеспечить резервирование элементов (что является необходимым требованием при построении системы термостатирования КА)

- Возможности перехода из режима охлаждения в режим нагревания за счет реверсирования тока

- Большое значение коэффициента теплопроводности позволяет обеспечить высокую скорость охлаждения

Будет справедливо отметить недостатки, главным из которых является относительно невысокий коэффициент полезного действия.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что наиболее эффективно использовать элементы Пельтье на малых космических аппаратах, имеющие небольшое тепловое рассеивание это позволит ощутимо снизить массу аппарата. Или же на теплонагруженных, ответственных элементах (процессоры, оптические приборы и т.д.). 

Для практического изучения вопроса была собрана экспериментальная установка. Тщательно проведена серия опытов, с самостоятельно разработанной методикой, результаты которой были доказаны вышеописанные преимущества.

Список литературы:

1. Атамасов В.Д. Система обеспечения теплового режима космического аппарата. учеб. пособ. для вузов. – М.: Министерство Обороны РФ, 2003. – 25 с.