熱電制冷是一種環(huán)保清潔的制冷技術(shù),在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 熱電制冷的基本原理,應(yīng)用于熱電制冷的材料現(xiàn)狀,近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在熱電理論和熱電制冷上的研究進(jìn)展,熱電制冷在現(xiàn)實(shí)生活的應(yīng)用,并對(duì)熱電學(xué)研究在今后的研究提出期待。
在各種冷卻技術(shù)中,熱電制冷由于具有體積小、重量輕、作用速度快、可靠性高、壽命長(zhǎng)、無(wú)噪聲和無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn),近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的重視。另外,熱電制冷屬于固態(tài)制冷,抗震性能優(yōu)良,尺寸精確,特別適合替代超重狀態(tài)下不能使用的常規(guī)制冷方式。目前,熱電制冷器在航空航天領(lǐng)域已開始獲得實(shí)際應(yīng),并且發(fā)展迅速,有取代機(jī)械制冷的趨勢(shì)。那么熱電制冷技術(shù)在航空航天領(lǐng)域有哪些優(yōu)勢(shì)呢?
一、熱電制冷技術(shù)的特點(diǎn)
熱電制冷是用電能作動(dòng)力、以珀?duì)柼?yīng)為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,即當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí),結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱(當(dāng)電流方向相反時(shí)為放熱)現(xiàn)象。由于半導(dǎo)體材料(主要為碲化鉍)的珀?duì)柼?yīng)特別顯著,因此,目前國(guó)內(nèi)外熱電制冷采用的熱電模塊均由半導(dǎo)體材料組成。在實(shí)際應(yīng)用中一般需要多個(gè)(如7～600對(duì))N型和P型半導(dǎo)體對(duì)串聯(lián),同時(shí)需要在熱端連接散熱器,冷端通過(guò)蓄冷片與待冷卻物體直接相連。改變直流電的大小,可以改變熱電制冷器兩端吸收或放出熱量的多少,從而使冷端的產(chǎn)冷量或熱端的產(chǎn)熱量滿足實(shí)際需求;改變直流電的方向,可以改變冷、熱端的方向。在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)一級(jí)制冷不能達(dá)到所需的工作溫度時(shí),可用二級(jí)或多級(jí)制冷進(jìn)行工作。
圖1 半導(dǎo)體熱電模塊工作原理
熱電制冷中的熱電模塊是固體電子元件。在所有的冷卻系統(tǒng)中,熱電制冷系統(tǒng)是唯一一種僅由一個(gè)元件組成的冷卻系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)械制冷單元是通過(guò)壓縮機(jī)使制冷劑循環(huán)從而從系統(tǒng)中吸收熱量,包括壓縮機(jī)和循環(huán)系統(tǒng)兩部分。盡管兩種冷卻系統(tǒng)遵守同樣的熱動(dòng)力學(xué)原理,但熱電制冷顯然具有者多突出的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕;作用速度快;可靠生高;壽命長(zhǎng);無(wú)噪聲等。此外,熱電冷卻不需要象機(jī)械制冷那樣不斷填充化學(xué)消耗品,沒有活動(dòng)部件,也就沒有磨損,因此不需要維護(hù),無(wú)污染,成本低,同時(shí)又具有小功耗的特點(diǎn)。由此可見,熱電制冷是一種理想的制冷方法,在對(duì)許多器件(如CCD)的冷卻中有逐漸取代機(jī)械制冷的趨勢(shì)。
熱電模塊不僅可以制冷,而且在改變輸入電流方向后還具有加熱功能。這一特征使熱電制冷器可以更為理想地控制溫度或在工作中根據(jù)需要加熱或冷卻介質(zhì),從而有利于實(shí)現(xiàn)智能溫控。研究表明,如果建立一個(gè)良好的熱量管理系統(tǒng),利用熱電模塊可以實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制(±0.1℃);采用同一個(gè)模塊進(jìn)行加熱或冷卻;實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度的冷卻;實(shí)現(xiàn)點(diǎn)冷;實(shí)現(xiàn)較寬的溫度控制范圍(-100～80℃);在任何方向均可工作,不需地心引力,可以在空間使用。
二、熱電制冷技術(shù)的應(yīng)用
在武器裝備方面,國(guó)外將半導(dǎo)體制冷技術(shù)用于紅外制導(dǎo)的空對(duì)空導(dǎo)彈紅外探測(cè)器探頭的冷卻,以降低工作噪音,提高靈敏度和探測(cè)率(如硫化鉛、硒化鉛紅外探測(cè)器在-10℃時(shí)的響應(yīng)比20℃時(shí)大幾倍,在-78℃時(shí)其探測(cè)率可提高一個(gè)數(shù)量級(jí))。如果將制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三級(jí)半導(dǎo)體制冷器,可得到-78℃的溫度;如果使用四級(jí)制冷單元,則可得到-95℃的溫度,而包含散熱器及風(fēng)扇在內(nèi)的整個(gè)冷卻器重量只有0.75kg。例如,俄羅斯米格戰(zhàn)斗機(jī)配備的AA-8和AA-11系列導(dǎo)彈就采用熱電制冷對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行溫控。由于熱電制冷的抗震性能極好,它還經(jīng)常應(yīng)用于不能采用常規(guī)制冷的地方,如熱電制冷片用于冷卻安裝在噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)翼尖的無(wú)線電設(shè)備。
熱電制冷技術(shù)在空間探測(cè)方面也有許多應(yīng)用。例如,1995年由多國(guó)科學(xué)家組成的小組針對(duì)羅塞塔著陸器提出了一個(gè)擁有11個(gè)傳感器分系統(tǒng)的先進(jìn)組件方案,將一個(gè)二級(jí)熱電制冷器直接放在傳感器石英晶體后面,根據(jù)需要對(duì)晶體進(jìn)行加熱或冷卻。2002年,哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上安裝了近紅外相機(jī)和多目標(biāo)光譜儀,其中相機(jī)的三個(gè)熱保護(hù)板中有兩個(gè)采用熱電冷卻,即熱電冷卻內(nèi)板和熱電冷卻外板。將帶有熱保護(hù)板的相機(jī)裝在固體冷光學(xué)臺(tái)上,密封于氮/鋁泡沫杜瓦(瓶)中,可使相機(jī)的溫度保持在-215℃。2005年,美國(guó)、英國(guó)、意大利和德國(guó)共同研制的星載X射線望遠(yuǎn)鏡(XRT)在其背陽(yáng)面安裝的熱輻射器也采用了熱電制冷器,使探測(cè)器冷卻到-100℃,從而確保低的暗電流(目的是降低噪音),并且降低了對(duì)輻射損傷的靈敏度。衛(wèi)星升空后,如熱電制冷器不能正常工作,就無(wú)法達(dá)到-100℃或無(wú)法維持一個(gè)穩(wěn)定的在軌溫度。如果僅采用散熱系統(tǒng),只能將溫度控制在-50℃～-70℃,探測(cè)器將無(wú)法正常工作。
熱電制冷技術(shù)由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在電子、醫(yī)藥、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及日常生活等各領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛，解決了許多特殊場(chǎng)合的制冷難題。尤其是在機(jī)器視覺系統(tǒng)中的運(yùn)用，熱電制冷CCD相機(jī)越來(lái)越受到重視。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)熱點(diǎn)制冷技術(shù)也有研究，但是因?yàn)槠鸩椒浅Ｍ�，很多真正的制冷技術(shù)還沒有研究透徹。所以現(xiàn)在，大多的制冷相機(jī)都是由國(guó)外進(jìn)口的。
由此可見，熱電制冷器與被冷卻的關(guān)鍵航空航天器結(jié)構(gòu)在功能、結(jié)構(gòu)方面的一體化設(shè)計(jì)和關(guān)鍵集成技術(shù),符合未來(lái)熱電制冷技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，特別是在航空航天器中的應(yīng)用。將熱電制冷器與結(jié)構(gòu)材料、功能材料有機(jī)結(jié)合，研制開發(fā)基于熱電制冷的溫控復(fù)合材料及智能溫控復(fù)合材料是熱電制冷技術(shù)未來(lái)應(yīng)用的一大發(fā)展方向，也是未來(lái)熱電制冷技術(shù)應(yīng)用研究的一個(gè)重要內(nèi)容。
