熱電制冷是一種環(huán)保清潔的制冷技術(shù),在各個領(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,近年來國內(nèi)外專家學者在熱電理論和熱電制冷上的研究進展,熱電制冷在現(xiàn)實生活的應(yīng)用,并對熱電學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、無噪聲和無需維護等特點,近年來在國內(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)域已開始獲得實際應(yīng),并且發(fā)展迅速,有取代機械制冷的趨勢。那么熱電制冷技術(shù)在航空航天領(lǐng)域有哪些優(yōu)勢呢?

　　一、熱電制冷技術(shù)的特點

　　熱電制冷是用電能作動力、以珀爾帖效應(yīng)為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換過程,即當直流電通過兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時,結(jié)點上將產(chǎn)生吸熱(當電流方向相反時為放熱)現(xiàn)象。由于半導(dǎo)體材料(主要為碲化鉍)的珀爾帖效應(yīng)特別顯著,因此,目前國內(nèi)外熱電制冷采用的熱電模塊均由半導(dǎo)體材料組成。在實際應(yīng)用中一般需要多個(如7～600對)N型和P型半導(dǎo)體對串聯(lián),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(chǎn)冷量或熱端的產(chǎn)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(yīng)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。

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元件組成的冷卻系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機械制冷單元是通過壓縮機使制冷劑循環(huán)從而從系統(tǒng)中吸收熱量,包括壓縮機和循環(huán)系統(tǒng)兩部分。盡管兩種冷卻系統(tǒng)遵守同樣的熱動力學原理,但熱電制冷顯然具有者多突出的優(yōu)點:結(jié)構(gòu)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(jù)需要加熱或冷卻介質(zhì),從而有利于實現(xiàn)智能溫控。研究表明,如果建立一個良好的熱量管理系統(tǒng),利用熱電模塊可以實現(xiàn)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(xiàn)低于環(huán)境溫度的冷卻;實現(xiàn)點冷;實現(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,國外將半導(dǎo)體制冷技術(shù)用于紅外制導(dǎo)的空對空導(dǎo)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(yīng)比20℃時大幾倍,在-78℃時其探測率可提高一個數(shù)量級)。如果將制冷系統(tǒng)設(shè)計為三級半導(dǎo)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(nèi)的整個冷卻器重量只有0.75kg。例如,俄羅斯米格戰(zhàn)斗機配備的AA-8和AA-11系列導(dǎo)彈就采用熱電制冷對紅外探測系統(tǒng)進行溫控。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)斗機翼尖的無線電設(shè)備。

　　熱電制冷技術(shù)在空間探測方面也有許多應(yīng)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(tǒng)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(jù)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(nèi)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(wèi)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(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℃,探測器將無法正常工作。

　　熱電制冷技術(shù)由于其獨特的優(yōu)點，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)用越來越廣泛，解決了許多特殊場合的制冷難題。尤其是在機器視覺系統(tǒng)中的運用，熱電制冷CCD相機越來越受到重視。雖然國內(nèi)對熱點制冷技術(shù)也有研究，但是因為起步非常晚，很多真正的制冷技術(shù)還沒有研究透徹。所以現(xiàn)在，大多的制冷相機都是由國外進口的。

　　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)計和關(guān)鍵集成技術(shù),符合未來熱電制冷技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢，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)未來應(yīng)用的一大發(fā)展方向，也是未來熱電制冷技術(shù)應(yīng)用研究的一個重要內(nèi)容。