本发明涉及一种控温系统，特别是涉及一种快速高效热控、质轻和极端物理环境适应性强的星载控温系统，可应用于空间航天器或相关领域。
背景技术：
近年来卫星小型化发展越来越快，体积小、质量轻的卫星不仅发射方式灵活而且生存能力强、适应性强，既可以利用大型发射火箭剩余能量发射，也可以实现一箭多星搭载发射，从而大大节约发射费用。然而卫星的多功能化使其内部星载设备日趋多样化、复杂化，电子电路集成度日益提高和高热流密度元器件大量应用等均对卫星热控技术的要求愈来愈严格。此外卫星工作时由于受到太阳辐射与空间深冷背景的极端物理条件影响，冷热交变剧烈，温度范围可达‐160℃～120℃。
传统的卫星热控制方式多以被动控制为主，以主动控制为辅，以降低卫星功耗。被动热控制多采用对流传热、接触热传导或辐射散热，散热材料仍以金属铜、铝及其合金材料为主，传热系数相对较小，且散热系统所占空间较大、散热装置柔韧性较差，适用对象较单一。虽然热管的应用在一定程度上提高了传热效率，但其结构复杂、寿命短、质量大等缺点制约了卫星进一步发展。主动热控制多利用太阳能电池板供电，增加了太阳能电池板面积和蓄电池容量。虽然现有的这种散热结构模式一定程度上可以解决卫星的热控需求，但对阳电池板面积和电池容量要求高，对高热流密度设备快速高效散热反应滞后，相关热控系统质量大、结构复杂、设计技术难度大等，因此亟需一种新型的星载控温系统来解决这些问题以促进卫星的进一步发展。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提出一种利用导热线的星载控温系统，该系统利用质轻、柔性、高导热系数的导热线，能够直接利用光照热源和太空深冷背景对星载设备元器件进行快速高效热控制，并进一步降低热控系统质量、提高热控系统极端物理条件下的适应能力。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种利用导热线的星载控温系统，包括吸热窗口、发热面板、热导热线连接板、导热线、元器件散热板、冷导热线连接板、冷却面板、散热窗口、热绝热挡板、热伸缩隔热板、热绝热柱、热弹簧、热电磁铁、热衔铁、热绝热滑柱、热滑轨、冷绝热挡板、冷伸缩隔热板、冷绝热柱、冷弹簧、冷电磁铁、冷衔铁、冷绝热滑柱、冷滑轨、温度传感器和单片机；
所述吸热窗口设置于发热面板上；发热面板和热导热线连接板相对设置；发热面板两端设置有热绝热挡板，热绝热挡板上设置有热绝热柱，热绝热柱上设置有热伸缩隔热板和热电磁铁；热导热线连接板两端设置有热绝热滑柱，热绝热滑柱上安装有热衔铁，热绝热柱和热绝热滑柱之间连接有热弹簧和热滑轨，热衔铁与热电磁铁相对设置；热导热线连接板通过导热线与元器件散热板的一侧相连接，元器件散热板的另一侧通过导热线与冷导热线连接板相连接，冷导热线连接板与冷却面板相对设置；冷却面板上设置了散热窗口，冷却面板两端设有冷绝热挡板；冷绝热挡板上设有冷绝热柱，冷绝热柱上安装有冷伸缩隔热板和冷电磁铁；冷导热线连接板两端安装有冷绝热滑柱；冷绝热滑柱上设置于冷衔铁，冷绝热滑柱通过冷弹簧和冷滑轨与冷绝热柱相连接，冷衔铁与冷电磁铁相对设置；
所述热伸缩隔热板和冷伸缩隔热板的结构相同，主要由固定杆、支撑架、滑槽、隔热板和伸缩轴组成；热伸缩隔热板和冷伸缩隔热板分别通过固定杆固定在热绝热柱和冷绝热柱上；伸缩轴由多节直径依次变小的杆件连接组成可伸缩杆；伸缩轴的每一节杆件连接一支撑架，支撑架两端设有滑槽，两隔热板在相邻两支撑架之间交叉设置，两端分别与滑槽连接。
所述温度传感器均匀设置在元器件散热板上，单片机通过pnp型三极管分别与热电磁铁和冷电磁铁相连接，单片机分别与两直流电机连接，两直流电机分别与热伸缩隔热板和冷伸缩隔热板连接；
所述导热线由石墨烯‐碳纤维复合材料薄膜卷制构成，形状为圆柱形；
所述发热面板、冷却面板、导热线、温差发电片、蓄电池和金属导电线组成发温差发电装置；温差发电片一侧通过导热线连接在发热面板上，另一侧通过导热线连接在冷却面板上；温差发电片分别通过两金属导电线连接蓄电池。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述热绝热挡板由能够承受120℃以上的隔热材料制成。
优选地，所述热绝热柱能够承受120℃以上高温；所述热伸缩隔热板采用耐热隔热材料，能够承受120℃以上高温；所述热电磁铁为60℃时仍能够稳定工作的电磁铁。
优选地，所述热衔铁为能够适应60℃以上温度的衔铁；所述冷衔铁为能够适应‐40℃以下温度的衔铁。
优选地，所述冷伸缩隔热板采用耐冷隔热材料，能够承受‐100℃以下低温；所述冷电磁铁为‐40℃下能够稳定工作的电磁铁；所述冷绝热柱能够承受‐100℃以下低温，冷绝热柱被设置在冷却面板两端的冷绝热挡板上；所述冷绝热挡板由能够承受‐100℃以下的隔热材料制成。
优选地，所述温度传感器设置在元器件散热板四边中部和中心位置上，设置数量不小于5个；所述元器件散热板为卫星上搭载的一个仪器设备或一个单元内集中在一起的数个仪器设备的热量均匀散布板。
优选地，所述导热线通过连接槽进行连接，多个连接槽依次均匀排布在连接板上，任意相邻两个连接槽槽心之间的距离为导热线有效横截面直径的二倍。
优选地，所述石墨烯‐碳纤维复合材料薄膜的内层为石墨烯层，外层为碳纤维层，两层紧密结合在一起；导热线的最外层为绝缘绝热皮；单层的石墨烯‐碳纤维薄膜长度不小于30毫米，宽度不小于10毫米，厚度不超过100微米。
优选地，所述星载控温系统还包括辅助温控系统；辅助温控系统包括电加热器、电冷却器、辅助温度传感器和辅助单片机；辅助单片机分别与电加热器、电冷却器和辅助温度传感器连接；辅助温度传感器是与温度传感器相同的传感器；辅助单片机是和单片机相同的控制器；辅助温度传感器与温度传感器的设置位置及设置数量相同。
本发明单片机根据温度监测结果一方面控制所述热伸缩隔热板和所述热电磁铁来实现所述发热面板和所述热导热线连接板的接触与分离；另一方面控制所述冷伸缩隔热板和所述冷电磁铁来实现所述冷却面板和冷导热线连接板的接触与分离。
本发明温差发电装置通过导热线分别与发热面板和所述冷却面板相连接，根据温差作用产生电能，所述辅助单片机根据所述辅助温度传感器对所述元器件散热板的温度监测结果分别控制所述电加热器和电冷却器通过消耗电能对元器件散热板进行辅助温度控制。
本发明提供的一种利用导热线的星载控温系统，可以直接利用太阳光照热源与空间深冷背景对卫星设备元器件进行相应的升温和降温控制从而降低卫星太阳能电池板功耗，通过使用高导热系数的导热线作为热量传递媒介，有效降低了热控制的滞后性，而且导热线质轻、柔性的良好特性还能大大减少卫星的重量和降低热控系统的复杂性。此外电加热器、电冷却器依靠温差发电装置供电不仅为星载设备元器件温控提供了二次保障，也可进一步降低卫星太阳能电池板的功耗。
本发明具有以下优点和技术效果：
1、本发明直接利用光照热源和空间深冷背景，通过导热线对星载设备元器件进行快速高效的热控制，可有效降低卫星整体的电耗功率；
2、本发明所用导热线具有质轻、高导热系数、柔性等特性，且导热线长度及有效横截面直径可根据需要进行调控等优势，降低了卫星热控系统的复杂度，提高了星载热管理对极端物理条件的适应能力。
3、本发明所用导热线采用石墨烯‐碳纤维复合材料卷制构成，轴向导热系数达1000w/(m·k)左右，径向导热系数约5w/(m·k)，保证了热量基本沿导热线轴向快速而高效传递。
附图说明
图1为本发明利用导热线的星载控温系统的结构示意图；
图2为图1中热伸缩隔热板和冷伸缩隔热板的结构示意图；
图3为图1中温差发电装置示意图；
图4为本发明导热线及其横截面结构示意图；
图5为本导热线排布及连接示意图；
图6为本发明主导温控系统结构框图；
图7为本发明辅助温控结构框图。
图中示出：吸热窗口1、散热窗口2、发热面板3、冷却面板4、热导热线连接板5、冷导热线连接板6、导热线7、元器件散热板8、温差发电装置9、电加热器10、电冷却器11、热绝热挡板12、热伸缩隔热板13、热弹簧14、热电磁铁15、热衔铁16、热绝热滑柱17、冷绝热挡板18、冷伸缩隔热板19、冷弹簧20、冷电磁铁21、冷衔铁22、冷绝热滑柱23、热滑轨24、冷滑轨25、热绝热柱26、冷绝热柱27、温度传感器28、单片机29，辅助温度传感器30，辅助单片机31、固定杆201、支撑架202、滑槽203、隔热板204、伸缩轴205、温差发电片301、蓄电池302和金属导电线303、石墨烯层401、碳纤维层402、绝缘绝热皮403、连接槽501。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步的说明，应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干实施方式的变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种利用导热线的星载控温系统，包括吸热窗口1、散热窗口2、发热面板3、冷却面板4、热导热线连接板5、冷导热线连接板6、导热线7、元器件散热板8、温差发电装置9、电加热器10、电冷却器11、热绝热挡板12、热伸缩隔热板13、热弹簧14、热电磁铁15、热衔铁16、热绝热滑柱17、冷绝热挡板18、冷伸缩隔热板19、冷弹簧20、冷电磁铁21、冷衔铁22、冷绝热滑柱23、热滑轨24、冷滑轨25、热绝热柱26、冷绝热柱27、温度传感器28、单片机29、辅助温度传感器30和辅助单片机31。吸热窗口1设置于发热面板3上，能将吸收到的太阳光热源进行一定分散，防止局部温度过高。发热面板3和热导热线连接板5相对设置；发热面板3两端设置有热绝热挡板12，热绝热挡板12由能够承受120℃的隔热材料制成，用于防止热量向外围传播。热绝热挡板12上设置有热绝热柱26，热绝热柱26能够承受120℃高温，主要作用是安装热伸缩隔热板13和热电磁铁15。热伸缩隔热板13采用耐热隔热材料，能够承受高温120℃。热电磁铁15为60℃时仍能够稳定工作的电磁铁，主要作用是产生相应的磁力，吸引衔铁。热导热线连接板5两端设置有热绝热滑柱17，热绝热滑柱17上安装有热衔铁16，热衔铁16为能够适应温度60℃的衔铁；热绝热柱26和热绝热滑柱17之间连接有热弹簧14和热滑轨24，热绝热滑柱17可沿热滑轨24进行滑动，热衔铁16与热电磁铁15相对设置；热导热线连接板5通过导热线7与元器件散热板8的一侧相连接，元器件散热板8的另一侧通过导热线7与冷导热线连接板6相连接，冷导热线连接板6与冷却面板4相对设置；冷却面板4上设置了散热窗口2，能将多余的热量向外散失，冷却面板4两端设有冷绝热挡板18。冷绝热挡板18上设有冷绝热柱27，冷绝热柱27上安装有冷伸缩隔热板19和冷电磁铁21。冷导热线连接板6两端安装有冷绝热滑柱23。冷绝热滑柱23上设置于冷衔铁22，冷衔铁22为能够适应温度‐40℃的衔铁。冷绝热滑柱23通过冷弹簧20和冷滑轨25与冷绝热柱27相连接，冷绝热柱27可沿冷滑轨25进行滑动；冷衔铁22与冷电磁铁21相对设置。冷伸缩隔热板19采用耐冷隔热材料，能够承受低温‐100℃。冷电磁铁21为‐40℃下能够稳定工作的电磁铁，主要作用是产生相应的磁力，吸引冷衔铁22。冷绝热柱27能够承受‐100℃低温且被设置在冷却面板4两端的冷绝热挡板18上，冷绝热挡板18由能够承受‐100℃的隔热材料制成，用于低温外界环境。
如图2所示，热伸缩隔热板13和冷伸缩隔热板19的结构相同，主要由固定杆201、支撑架202、滑槽203、隔热板204和伸缩轴205组成；其中，热伸缩隔热板13中的隔热板204采用耐热的隔热材料，能够承受高温120℃；冷伸缩隔热板19中的隔热板204采用耐冷的隔热材料，能够承受低温‐100℃。热伸缩隔热板13和冷伸缩隔热板19分别通过固定杆201固定在热绝热柱26和冷绝热柱27上。伸缩轴205由多节直径依次变小的杆件连接组成可伸缩杆；伸缩轴205的每一节杆件连接一支撑架202，支撑架202两端设有滑槽203，两隔热板204在相邻两支撑架之间交叉设置，两端分别与滑槽203连接。工作时，伸缩轴205逐步伸出，支撑架202相互分离，隔热板204两端在滑槽203上逐渐向中间靠拢，到达设定位置时停止，恰好将发热面板3或冷却面板4完全覆盖，达到良好隔热的效果；停止工作时，伸缩轴205收缩，支撑架202带动隔热板204在滑槽上向两端滑动，直到发热面板3或冷却面板4完全暴露出来后停止，此时处于伸缩隔热板伸缩前(收缩)的状态。
温度传感器28均匀设置在元器件散热板8上，优选设置元器件散热板8四边中部和中心位置上，设置数量不小于5个，用于测量元器件散热板8的整体温度。元器件散热板8优选为卫星上搭载的一个仪器设备或一个单元内集中在一起的数个仪器设备的热量均匀散布板，紧靠仪器设备的发热源用于快速分散热点的热量实现均温的目的。如图6所示，单片机29分别与温度传感器28、热伸缩隔热板13、冷伸缩隔热板19、热电磁铁15和冷电磁铁21连接；具体是单片机29通过pnp型三极管(放大级接法)分别与热电磁铁15和冷电磁铁21相连接，单片机29分别与两直流电机连接，两直流电机分别与热伸缩隔热板13和冷伸缩隔热板19连接；pnp型三极管的作用是将单片机29输出的较小电流进行放大，能保证电磁铁有较大的电流流过而产生足够的磁力吸引衔铁。单片机29对热伸缩隔热板13和冷伸缩隔热板19的控制是通过控制隔热板上的相应直流电机而实现的，直流电机通过转动来实现隔热板的伸缩，直流电机所需电流由连接在直流电机上的pnp型三极管(放大级接法)将单片机29的输出电流放大后提供。
如图3所示，发热面板3、冷却面板4、导热线7、温差发电片301、蓄电池302和金属导电线303组成发温差发电装置9；温差发电片301是一种半导体温差发电器件，基于热电转换相关基本效应，能利用两侧温度差不同产生电压，设置在卫星电能储备区。温差发电片301一侧通过导热线7连接在发热面板3上，另一侧通过导热线7连接在冷却面板4上，冷热两侧的温差较大(不小于100℃)，能够在温差发电片301的两端产生较大的电压，温差发电片301分别通过两金属导电线303连接蓄电池302，将电压加载于一个大容量的蓄电池302上，对蓄电池302进行充电以储存电能，蓄电池302的电能可供给电加热器10和电冷却器11的电能消耗，较大程度上减轻了太阳能电池板的供电负担，并且能够减少太阳能电池板的面积。
如图4所示，导热线7由石墨烯‐碳纤维复合材料薄膜卷制构成，形状为圆柱形，有良好的柔韧性和质量轻的特点。石墨烯‐碳纤维复合材料薄膜的内层为石墨烯层401，外层为碳纤维层402，两层紧密结合在一起。导热线7的最外层为绝缘绝热皮403，用于电绝缘和隔热保护。单层的石墨烯‐碳纤维薄膜长度不小于30毫米，宽度不小于10毫米，厚度不超过100微米。石墨烯‐碳纤维复合材料薄膜卷制层数大于1层。导热线7的长度不小于30毫米，其有效横截面直径为石墨烯‐碳纤维复合材料薄膜单层厚度与卷制层数的乘积的二倍，不小于100微米。导热线7的轴向导热系数可达1000w/(m·k)左右，径向导热系数约为5w/(m·k)，保证热量基本沿导热线7的轴向快速高效传递。导热线的拉伸强度大于1gpa，拉伸模量大于100gpa。
如图5所示，导热线7通过连接槽501进行连接，连接槽501依次均匀排布在连接板上，任意相邻两个连接槽501槽心之间的距离为导热线7有效横截面直径的二倍。
卫星处于正常状态时，设备元器件的正常工作温度通常在‐10℃～45℃范围，主导温控方式工作，温度传感器28对元器件散热板8的温度变化进行监测，单片机29根据监测结果产生相应的控制操作，进而对元器件散热板8的温度进行控制。当元器件散热板8的温度低于‐10℃时，根据温度传感器28的监测结果，单片机29首先通过控制相应的直流电机来控制热伸缩隔热板13快速收缩，在数秒内将发热面板3表面完全暴露出来，然后控制热电磁铁15有电流流过产生足够的磁力，吸引热衔铁16在热滑轨24上滑动，瞬间使热电磁铁15与热衔铁16相互接触，热弹簧14被压缩到最短，此时热导热线连接板5与发热面板3则恰好完全接触，热量从温度约100℃的发热面板3迅速通过热传导方式传输到热导热线连接板5，紧接着经过导热线7快速传输到元器件散热板8，从而使元器件散热板8的温度开始升高。随着温度的升高，当元器件散热板8的温度达到27.5℃时，受单片机29控制热电磁铁15无电流流过而不产生磁力，在被压缩的热弹簧14的作用下热电磁铁15与热衔铁16快速分离，热衔铁16在热滑轨24上滑动回到初始状态(此时热弹簧14处于自由伸长状态)，热导热线连接板5与发热面板3分离并达到最大距离，紧接着热伸缩隔热板13在单片机29控制下自动伸长并将发热面板3完全覆盖，使热量传输停止，元器件散热板8的温度不再升高。
当元器件散热板8的温度高于45℃时，根据温度传感器28的监控结果，单片机29首先通过控制相应的直流电机控制冷伸缩隔热板19快速收缩，在数秒内将冷却面板4表面完全暴露出来，然后控制冷电磁铁21有电流流过产生足够的磁力，吸引冷衔铁22在冷滑轨25上滑动，压缩冷弹簧20，瞬间使冷电磁铁21与冷衔铁22相互接触，冷弹簧20被压缩到最短，此时冷导热线连接板6与冷却面板4则恰好完全接触，多余的热量从温度超过45℃的元器件散热板8通过导热线7迅速传输到冷导热线连接板6，紧接着通过热传导方式传输到温度约‐90℃的冷却面板4，再由散热窗口2将热量散失到外界环境中，从而使元器件散热板8的温度开始降低。随着温度的下降，当元器件散热板8的温度降低到27.5℃时，受单片机29控制冷电磁铁21无电流流过而不产生磁力，在被压缩的冷弹簧20的作用下冷电磁铁21与冷衔铁22快速分离，冷衔铁22在冷滑轨25上滑动回到初始状态(此时冷弹簧20处于自由伸长状态)，冷导热线连接板6与冷却面板4分离并达到最大距离，紧接着冷伸缩隔热板19在单片机29控制下自动伸长并将冷却面板4完全覆盖，使热量散失停止，元器件散热板8的温度不再降低。
由于石墨烯‐碳纤维复合材料薄膜构成的导热线7的轴向导热系数达1000w/(m·k)左右，径向导热系数约5w/(m·k)，热量基本沿导热线轴向快速高效传递，因此整个升温过程和降温过程均可以在较短时间内高效进行，这有效解决了传统金属材料或热管等媒介传热滞后性大、过程时间长等问题，大大提高了热控传热效率。
如图7所示，为避免利用导热线的主导温控方式突然失效造成严重后果，本发明设计了辅助温控系统。辅助温控系统包括电加热器10、电冷却器11、辅助温度传感器30和辅助单片机31；辅助单片机31分别与电加热器10、电冷却器11和辅助温度传感器30连接；辅助温度传感器30是与温度传感器28完全相同的传感器，主要目的是作为温度传感器28辅助品。辅助单片机31和单片机29是完全相同的控制器，主要目的是作为单片机29的辅助系统。辅助温度传感器30与温度传感器28的设置位置及设置数量相同。若主导温控方式突然失效，辅助温度传感器30对元器件散热板8的温度进行监测，当监测温度低于‐5℃时，辅助单片机31控制电加热器10消耗电能产生热量使元器件散热板8温度升高，当温度升高到22.5℃时，电加热器10停止工作；当监测温度超过40℃时，辅助单片机31控制电冷却器11通过消耗电能制冷使元器件散热板8温度降低，当温度下降到22.5℃时，电冷却器11停止工作。
温度传感器28通过测量元器件散热板8的温度，并将相关数据传输至单片机29，单片机29进行数据分析和处理后，可分别控制热伸缩隔热板13与冷伸缩隔热板19的开启与关闭，然后再分别控制热电磁铁15与冷电磁铁21以实现对元器件散热板8进行相应的升温操作和降温操作。辅助单片机31可以根据辅助温度传感器30对元器件散热板8的温度监测结果控制。温差发电装置9产生的电能被电加热器10和电冷却器11消耗，实现元器件散热板8的辅助控温。
综上所述，本实施例提供的利用导热线的星载控温系统，能够有效满足卫星的温控需求，实现了直接利用光照热源和空间深冷背景自动对星载设备元器件进行控温；高导热系数导热线的利用大大提高了传热系数，避免了传统金属或热管等媒介传热滞后性大的弊端；导热线柔性和质轻的特点降低了卫星的自身质量，减少了卫星的热控系统体积；导热线极端物理条件适应性强的特点使卫星温控系统寿命增加，可靠强提高；温差发电装置及电加热器、电冷却器不但为为卫星的温控管理提供了二次保障，还大大降低了太阳电池板的功耗，进一步提高了卫星的使用寿命。
以上实施方式并非限制本发明，凡是利用本发明的说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。