热电制冷是一种环保清洁的制冷技术,在各个领域广泛应用。 热电制冷的基本原理,应用于热电制冷的材料现状,近年来国内外专家学者在热电理论和热电制冷上的研究进展,热电制冷在现实生活的应用,并对热电学研究在今后的研究提出期待。
在各种冷却技术中,热电制冷由于具有体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高、寿命长、无噪声和无需维护等特点,近年来在国内外得到广泛的重视。另外,热电制冷属于固态制冷,抗震性能优良,尺寸精确,特别适合替代超重状态下不能使用的常规制冷方式。目前,热电制冷器在航空航天领域已开始获得实际应,并且发展迅速,有取代机械制冷的趋势。那么热电制冷技术在航空航天领域有哪些优势呢?
一、热电制冷技术的特点
热电制冷是用电能作动力、以珀尔帖效应为基础的能量转换过程,即当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时,结点上将产生吸热(当电流方向相反时为放热)现象。由于半导体材料(主要为碲化铋)的珀尔帖效应特别显著,因此,目前国内外热电制冷采用的热电模块均由半导体材料组成。在实际应用中一般需要多个(如7～600对)N型和P型半导体对串联,同时需要在热端连接散热器,冷端通过蓄冷片与待冷却物体直接相连。改变直流电的大小,可以改变热电制冷器两端吸收或放出热量的多少,从而使冷端的产冷量或热端的产热量满足实际需求;改变直流电的方向,可以改变冷、热端的方向。在实际应用中,当一级制冷不能达到所需的工作温度时,可用二级或多级制冷进行工作。
图1 半导体热电模块工作原理
热电制冷中的热电模块是固体电子元件。在所有的冷却系统中,热电制冷系统是唯一一种仅由一个元件组成的冷却系统。传统的机械制冷单元是通过压缩机使制冷剂循环从而从系统中吸收热量,包括压缩机和循环系统两部分。尽管两种冷却系统遵守同样的热动力学原理,但热电制冷显然具有者多突出的优点:结构简单、体积小、重量轻;作用速度快;可靠生高;寿命长;无噪声等。此外,热电冷却不需要象机械制冷那样不断填充化学消耗品,没有活动部件,也就没有磨损,因此不需要维护,无污染,成本低,同时又具有小功耗的特点。由此可见,热电制冷是一种理想的制冷方法,在对许多器件(如CCD)的冷却中有逐渐取代机械制冷的趋势。
热电模块不仅可以制冷,而且在改变输入电流方向后还具有加热功能。这一特征使热电制冷器可以更为理想地控制温度或在工作中根据需要加热或冷却介质,从而有利于实现智能温控。研究表明,如果建立一个良好的热量管理系统,利用热电模块可以实现精确的温度控制(±0.1℃);采用同一个模块进行加热或冷却;实现低于环境温度的冷却;实现点冷;实现较宽的温度控制范围(-100～80℃);在任何方向均可工作,不需地心引力,可以在空间使用。
二、热电制冷技术的应用
在武器装备方面,国外将半导体制冷技术用于红外制导的空对空导弹红外探测器探头的冷却,以降低工作噪音,提高灵敏度和探测率(如硫化铅、硒化铅红外探测器在-10℃时的响应比20℃时大几倍,在-78℃时其探测率可提高一个数量级)。如果将制冷系统设计为三级半导体制冷器,可得到-78℃的温度;如果使用四级制冷单元,则可得到-95℃的温度,而包含散热器及风扇在内的整个冷却器重量只有0.75kg。例如,俄罗斯米格战斗机配备的AA-8和AA-11系列导弹就采用热电制冷对红外探测系统进行温控。由于热电制冷的抗震性能极好,它还经常应用于不能采用常规制冷的地方,如热电制冷片用于冷却安装在喷气式战斗机翼尖的无线电设备。
热电制冷技术在空间探测方面也有许多应用。例如,1995年由多国科学家组成的小组针对罗塞塔着陆器提出了一个拥有11个传感器分系统的先进组件方案,将一个二级热电制冷器直接放在传感器石英晶体后面,根据需要对晶体进行加热或冷却。2002年,哈勃太空望远镜上安装了近红外相机和多目标光谱仪,其中相机的三个热保护板中有两个采用热电冷却,即热电冷却内板和热电冷却外板。将带有热保护板的相机装在固体冷光学台上,密封于氮/铝泡沫杜瓦(瓶)中,可使相机的温度保持在-215℃。2005年,美国、英国、意大利和德国共同研制的星载X射线望远镜(XRT)在其背阳面安装的热辐射器也采用了热电制冷器,使探测器冷却到-100℃,从而确保低的暗电流(目的是降低噪音),并且降低了对辐射损伤的灵敏度。卫星升空后,如热电制冷器不能正常工作,就无法达到-100℃或无法维持一个稳定的在轨温度。如果仅采用散热系统,只能将温度控制在-50℃～-70℃,探测器将无法正常工作。
热电制冷技术由于其独特的优点，在电子、医药、工业、农业以及日常生活等各领域应用越来越广泛，解决了许多特殊场合的制冷难题。尤其是在机器视觉系统中的运用，热电制冷CCD相机越来越受到重视。虽然国内对热点制冷技术也有研究，但是因为起步非常晚，很多真正的制冷技术还没有研究透彻。所以现在，大多的制冷相机都是由国外进口的。
由此可见，热电制冷器与被冷却的关键航空航天器结构在功能、结构方面的一体化设计和关键集成技术,符合未来热电制冷技术应用的发展趋势，特别是在航空航天器中的应用。将热电制冷器与结构材料、功能材料有机结合，研制开发基于热电制冷的温控复合材料及智能温控复合材料是热电制冷技术未来应用的一大发展方向，也是未来热电制冷技术应用研究的一个重要内容。
