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        熱電技術的優點及應用

        來源:鞍山核心電子技術有限公司 作者:核心電子

          基本內容

          主要刊載我國熱電事業的方針、政策、發展方向;熱電廠、熱力網、基建和設備制造領域中在設計、科研、生產等方面的成熟經驗;熱電聯產、集中供熱、設備改造、技術革新、節能、環保等方面的經驗和國內外在這些領域的動態等。

          一、熱電技術的優點

          在一些只需涉及較低或者中等熱量傳輸,但是需要復雜控溫的熱控制過程中,熱電制冷器可以提供很大的幫助,而且,在一些特定的情況下它是唯一的選擇。盡管沒有哪種制冷方式是萬能的,熱電制冷器也并不能應用在所有的領域,但是與其他制冷設備相比,熱電制冷器具有很多優勢。其中包括:

          (1) 沒有運動部件:熱電制冷器在工作的時候只用到電能,不會有任何運動的部件,這樣一來,它們基本上不需要維護保養。

          (2) 體積和質量很。阂粋熱電制冷系統的體積和重量要遠遠小于相應的機械制冷體積。除此之外,對于各種嚴格的應用要求,有各種標準或特殊的尺寸和布局方式可供選擇。

          (3) 可以降到環境溫度一下:傳統的散熱器需要將溫度升高到環境溫度以上才可以使用,與其不同的是熱電制冷器具有將物體溫度降到環境溫度一下的能力。

          (4) 同一器件可以滿足升溫和降溫的要求:熱電制冷器可以通過調整加載的直流電流的方向,調整制冷或者加熱模式。應用這一特點就不必在定體系內加入另外獨立的加熱或者制冷功能元件。

          (5) 精確的溫度控制:由于熱電制冷器具有一個閉路溫度控制循環,它可以在0.1℃范圍內精確地控制溫度。

          (6) 高可靠性:由于全部為固態基構造,熱電制冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與應用技術有關,但是典型熱電制冷器的壽命一般可達到200000小時以上。

          (7) 電子靜音:與傳統的機械式冷器件不同,熱電制冷器在工作過程中基本上不會產生任何電子干擾信號,它可以與敏感的電子感應器相連接,并不干擾其工作。另外,它在運行過程中不會產生任何噪音。

          (8) 可以在任意角度下工作:熱電制冷器可以在任意角度和零重力狀態下工作。所以,在航天器械中應用非常廣泛。

          (9) 簡單方便的能源供給:熱電制冷器能夠直接使用直流電源,并且加載電源能夠在很大范圍內變化,在許多條件下,還可以使用脈沖寬度調制。

          (10) 點制冷:應用熱電制冷器,可以做到對單獨的單元或者很小的區域進行制冷,因此可以避免冷卻整個封裝器件或外殼時可能造成的能源浪費。

          (11) 發電:通過在熱電制冷器上加載溫差來使用其“逆過程”,可以將其變為一個小的直流發電器。

          (12) 環境友好:傳統的機械式制冷系統在工作時不可避免的需要用到氟利昂或其他化學物質,并且工作過程中也會產生任何有害氣體。

          二、熱電制冷技術在航空航天領域的應用

          在各種冷卻技術中,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、無噪聲和無需維護等特點,近年來在國內外得到廣泛的重視。另外,熱電制冷屬于固態制冷,抗震性能優良,尺寸精確,特別適合替代超重狀態下不能使用的常規制冷方式。目前,熱電制冷器在航空航天領域已開始獲得實際應,并且發展迅速,有取代機械制冷的趨勢。

          1.熱電制冷技術的特點

          熱電制冷是用電能作動力、以珀爾帖效應為基礎的能量轉換過程,即當直流電通過兩種不同導電材料構成的回路時,結點上將產生吸熱(當電流方向相反時為放熱)現象。由于半導體材料(主要為碲化鉍)的珀爾帖效應特別顯著,因此,目前國內外熱電制冷采用的熱電模塊均由半導體材料組成。在實際應用中一般需要多個(如7~600對)N型和P型半導體對串聯,同時需要在熱端連接散熱器,冷端通過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,從而使冷端的產冷量或熱端的產熱量滿足實際需求;改變直流電的方向,可以改變冷、熱端的方向。在實際應用中,當一級制冷不能達到所需的工作溫度時,可用二級或多級制冷進行工作。

          熱電制冷中的熱電模塊是固體電子元件。在所有的冷卻系統中,熱電制冷系統是唯一一種僅由一個元件組成的冷卻系統。傳統的機械制冷單元是通過壓縮機使制冷劑循環從而從系統中吸收熱量,包括壓縮機和循環系統兩部分。盡管兩種冷卻系統遵守同樣的熱動力學原理,但熱電制冷顯然具有者多突出的優點:結構簡單、體積小、重量輕;作用速度快;可靠生高;壽命長;無噪聲等。此外,熱電冷卻不需要象機械制冷那樣不斷填充化學消耗品,沒有活動部件,也就沒有磨損,因此不需要維護,無污染,成本低,同時又具有小功耗的特點。由此可見,熱電制冷是一種理想的制冷方法,在對許多器件(如CCD)的冷卻中有逐漸取代機械制冷的趨勢。

          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需要加熱或冷卻介質,從而有利于實現智能溫控。研究表明,如果建立一個良好的熱量管理系統,利用熱電模塊可以實現精確的溫度控制(±0.1℃);采用同一個模塊進行加熱或冷卻;實現低于環境溫度的冷卻;實現點冷;實現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。

          2.熱電制冷技術的應用

          在武器裝備方面,國外將半導體制冷技術用于紅外制導的空對空導彈紅外探測器探頭的冷卻,以降低工作噪音,提高靈敏度和探測率(如硫化鉛、硒化鉛紅外探測器在-10℃時的響應比20℃時大幾倍,在-78℃時其探測率可提高一個數量級)。如果將制冷系統設計為三級半導體制冷器,可得到-78℃的溫度;如果使用四級制冷單元,則可得到-95℃的溫度,而包含散熱器及風扇在內的整個冷卻器重量只有0.75kg。例如,俄羅斯米格戰斗機配備的AA-8和AA-11系列導彈就采用熱電制冷對紅外探測系統進行溫控。由于熱電制冷的抗震性能極好,它還經常應用于不能采用常規制冷的地方,如熱電制冷片用于冷卻安裝在噴氣式戰斗機翼尖的無線電設備。

          熱電制冷技術在空間探測方面也有許多應用。例如,1995年由多國科學家組成的小組針對羅塞塔著陸器提出了一個擁有11個傳感器分系統的先進組件方案,將一個二級熱電制冷器直接放在傳感器石英晶體后面,根據需要對晶體進行加熱或冷卻。2002年,哈勃太空望遠鏡上安裝了近紅外相機和多目標光譜儀,其中相機的三個熱保護板中有兩個采用熱電冷卻,即熱電冷卻內板和熱電冷卻外板。將帶有熱保護板的相機裝在固體冷光學臺上,密封于氮/鋁泡沫杜瓦(瓶)中,可使相機的溫度保持在-215℃。2005年,美國、英國、意大利和德國共同研制的星載X射線望遠鏡(XRT)在其背陽面安裝的熱輻射器也采用了熱電制冷器,使探測器冷卻到-100℃,從而確保低的暗電流(目的是降低噪音),并且降低了對輻射損傷的靈敏度。衛星升空后,如熱電制冷器不能正常工作,就無法達到-100℃或無法維持一個穩定的在軌溫度。如果僅采用散熱系統,只能將溫度控制在-50℃~-70℃,探測器將無法正常工作。

          3.熱電制冷器的抗震性能

          在航空航天應用中,熱電制冷器的抗震性能至關重要。國外有關實驗研究結果證實了熱電制冷器不僅具有優異的溫控功能,而且還具有優良的抗震性能,這主要得益于熱電制冷中的熱電模塊是固體電子元件(從理論上說,整個制冷系統僅由這一個元件組成)。

          在抗震模擬試驗中將一個四級制冷器安裝在探測器上,在抗震試驗后制冷器完好無損。實際飛行試驗表明,將裝配了熱電模塊冷卻器的先進探測照相機安裝在哈勃太空望遠鏡上,發射后一小時時,其高分辨率相機和寬視野相機上的CCD被冷卻到預定溫度,表明熱電制冷器在空間環境中能夠正常工作。

          4.熱電制冷技術應用于溫控復合材料展望

          在實際應用中,熱電模塊經常放在設備內部,甚至直接與被冷卻器件或結構結合成為一個整體。例如,在光學應用中,熱電模塊可以是探測器或二極管的一部分;而在半導體設備中,它又可以與陶瓷封裝成為一個整體。這就為熱電致冷器與現有結構材料結合研制溫控功能—結構一體化復合材料乃至智能溫控復合材料奠定了基礎。

          特別是隨著制冷模塊結構的進一步微型化,內部接觸層電阻以及熱傳導、熱輻射等的不利影響將更加顯著。因此,兼容性強的薄膜集成結構將成為微電子元件冷卻的主流發展方向。

          由此可見,熱電制冷器與被冷卻的關鍵航空航天器結構在功能、結構方面的一體化設計和關鍵集成技術,符合未來熱電制冷技術應用的發展趨勢,特別是在航空航天器中的應用。將熱電制冷器與結構材料、功能材料有機結合,研制開發基于熱電制冷的溫控復合材料及智能溫控復合材料是熱電制冷技術未來應用的一大發展方向,也是未來熱電制冷技術應用研究的一個重要內容。

          然而,在將熱電致冷器與材料結合,研制開發熱電溫控復合材料,特別是智能溫控復合材料與結構的實用化方面,還面臨著許多關鍵技術問題需要解決:如在設計中溫控復合材料的結構和功能一體化問題,智能溫控系統的多目標優化問題,溫度傳感器和熱電制冷器與結構復合材料的相容性問題,系統的輕質化問題,抗震的問題等等。這些問題的解決需要材料、力學、結構等多學科的交叉與融合。

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