一种复合制冷系统的空间使用可行性分析

    1前言

    随着空间探测任务的不断发展,对空间制冷手段也提出了多元化的要求。在此基础上,综合不同制冷方法的优点,研制空间复合制冷系统逐渐引起各国重视。目前, 制冷方法主要有:相变制冷、机械制冷、被动式辐射制冷、半导体制冷、节流制冷、吸附制冷以及近年来出现的热声制冷、磁制冷等。

    到目前为止,相变制冷、辐射制冷、机械制冷和节流制冷都已实际应用到空间。其中,最简单、可靠的空间制冷方法是辐射制冷,但其运行轨道及安装位置均有严格 限制;相变制冷可靠,但需设计绝热贮存器,且其重量和体积直接与使用寿命相关;机械制冷冷量较大,温度较低,但功耗较大,且因具有运动部件,寿命受到很大 限制;节流制冷温度较低,冷量也较大,但需配备高压气体,重量较大[1~2]。

    固体制冷器/热管/辐射制冷器的复合制冷系统已在空间得到应用,可代替100 K左右工作的两级辐射制冷器或两级固体制冷器。机械制冷机/热管/辐射制冷器的复合制冷系统将在美国2000年发射的大气红外分光计(AIRS)中首次上 天应用。这两种空间复合制冷系统都是通过辐射制冷器来充分利用宇宙空间低温冷汇(约4 K)将另一种制冷器的热量辐射出去,改善这种制冷器的工作环境,提高其效率并延长寿命[3]。

    2 空间使用的可行性分析

    半导体制冷器同辐射制冷器一样工作简单、可靠,而且体积小、重量轻,工作条件基本无限制,很适于在希望长寿命、高可靠性、微型化的空间飞行器上使用。但以 现有的材料,半导体制冷器的效率较低,制冷温差较小,适于在中低温下工作。如能借助上述复合制冷系统的方法,利用辐射制冷器将半导体制冷器热端热量辐射到 宇宙空间中,使热端能在200 K温度下工作,其冷端将可能达到近100 K的空间实用化低温。下文对这种半导体制冷器/热管/辐射制冷器的复合制冷系统空间使用的可行性作出简单的分析。

    2.1 半导体制冷器的设计

    半导体制冷器有两种工作状态,即最大制冷量或最大制冷温差状态与最大制冷效率状态。作者目的是设计多级半导体制冷器,每级温差不大,故采用最大制冷效率状态进行设计,以保证在达到制冷温差的前提下尽量降低功耗。半导体制冷器每级的最大制冷效率为

    式中 Th和Tc分别代表热电对的热端和冷端温度;为热电对优值系数。而每级的最大制冷温差为

    从最大制冷效率公式可以看出,M增大,即热电对优值系数?z增大时,效率将会提高;每级的制冷温差(Th-Tc)减小时,效率也将提高。在设计半导体制冷器时,既要使得总制冷效率不能偏低,也必须保证达到设计温差。因此,应当权衡考虑效率和温差的关系。