基本内容
主要刊载我国热电事业的方针、政策、发展方向;热电厂、热力网、基建和设备制造领域中在设计、科研、生产等方面的成熟经验;热电联产、集中供热、设备改造、技术革新、节能、环保等方面的经验和国内外在这些领域的动态等。
一、热电技术的优点
在一些只需涉及较低或者中等热量传输，但是需要复杂控温的热控制过程中，热电制冷器可以提供很大的帮助，而且，在一些特定的情况下它是唯一的选择。尽管没有哪种制冷方式是万能的，热电制冷器也并不能应用在所有的领域，但是与其他制冷设备相比，热电制冷器具有很多优势。其中包括：
(1) 没有运动部件：热电制冷器在工作的时候只用到电能，不会有任何运动的部件，这样一来，它们基本上不需要维护保养。
(2) 体积和质量很小：一个热电制冷系统的体积和重量要远远小于相应的机械制冷体积。除此之外，对于各种严格的应用要求，有各种标准或特殊的尺寸和布局方式可供选择。
(3) 可以降到环境温度一下：传统的散热器需要将温度升高到环境温度以上才可以使用，与其不同的是热电制冷器具有将物体温度降到环境温度一下的能力。
(4) 同一器件可以满足升温和降温的要求：热电制冷器可以通过调整加载的直流电流的方向，调整制冷或者加热模式。应用这一特点就不必在定体系内加入另外独立的加热或者制冷功能元件。
(5) 精确的温度控制：由于热电制冷器具有一个闭路温度控制循环，它可以在0.1℃范围内精确地控制温度。
(6) 高可靠性：由于全部为固态基构造，热电制冷器具有很高的可靠性。尽管某种程度上与应用技术有关，但是典型热电制冷器的寿命一般可达到200000小时以上。
(7) 电子静音：与传统的机械式冷器件不同，热电制冷器在工作过程中基本上不会产生任何电子干扰信号，它可以与敏感的电子感应器相连接，并不干扰其工作。另外，它在运行过程中不会产生任何噪音。
(8) 可以在任意角度下工作：热电制冷器可以在任意角度和零重力状态下工作。所以，在航天器械中应用非常广泛。
(9) 简单方便的能源供给：热电制冷器能够直接使用直流电源，并且加载电源能够在很大范围内变化，在许多条件下，还可以使用脉冲宽度调制。
(10) 点制冷：应用热电制冷器，可以做到对单独的单元或者很小的区域进行制冷，因此可以避免冷却整个封装器件或外壳时可能造成的能源浪费。
(11) 发电：通过在热电制冷器上加载温差来使用其“逆过程”，可以将其变为一个小的直流发电器。
(12) 环境友好：传统的机械式制冷系统在工作时不可避免的需要用到氟利昂或其他化学物质，并且工作过程中也会产生任何有害气体。
二、热电制冷技术在航空航天领域的应用
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。
1.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。
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。
2.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。
3.热电制冷器的抗震性能
在航空航天应用中,热电制冷器的抗震性能至关重要。国外有关实验研究结果证实了热电制冷器不仅具有优异的温控功能,而且还具有优良的抗震性能,这主要得益于热电制冷中的热电模块是固体电子元件(从理论上说,整个制冷系统仅由这一个元件组成)。
在抗震模拟试验中将一个四级制冷器安装在探测器上,在抗震试验后制冷器完好无损。实际飞行试验表明,将装配了热电模块冷却器的先进探测照相机安装在哈勃太空望远镜上,发射后一小时时,其高分辨率相机和宽视野相机上的CCD被冷却到预定温度,表明热电制冷器在空间环境中能够正常工作。
4.热电制冷技术应用于温控复合材料展望
在实际应用中,热电模块经常放在设备内部,甚至直接与被冷却器件或结构结合成为一个整体。例如,在光学应用中,热电模块可以是探测器或二极管的一部分;而在半导体设备中,它又可以与陶瓷封装成为一个整体。这就为热电致冷器与现有结构材料结合研制温控功能—结构一体化复合材料乃至智能温控复合材料奠定了基础。
特别是随着制冷模块结构的进一步微型化,内部接触层电阻以及热传导、热辐射等的不利影响将更加显著。因此,兼容性强的薄膜集成结构将成为微电子元件冷却的主流发展方向。
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。
然而,在将热电致冷器与材料结合,研制开发热电温控复合材料,特别是智能温控复合材料与结构的实用化方面,还面临着许多关键技术问题需要解决:如在设计中温控复合材料的结构和功能一体化问题,智能温控系统的多目标优化问题,温度传感器和热电制冷器与结构复合材料的相容性问题,系统的轻质化问题,抗震的问题等等。这些问题的解决需要材料、力学、结构等多学科的交叉与融合。
