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。
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。
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