基本內(nèi)容
主要刊載我國(guó)熱電事業(yè)的方針、政策、發(fā)展方向;熱電廠、熱力網(wǎng)、基建和設(shè)備制造領(lǐng)域中在設(shè)計(jì)、科研、生產(chǎn)等方面的成熟經(jīng)驗(yàn);熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱、設(shè)備改造、技術(shù)革新、節(jié)能、環(huán)保等方面的經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)外在這些領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)等。
一、熱電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
在一些只需涉及較低或者中等熱量傳輸，但是需要復(fù)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(yīng)用在所有的領(lǐng)域，但是與其他制冷設(shè)備相比，熱電制冷器具有很多優(yōu)勢(shì)。其中包括：
(1) 沒有運(yùn)動(dòng)部件：熱電制冷器在工作的時(shí)候只用到電能，不會(huì)有任何運(yùn)動(dòng)的部件，這樣一來，它們基本上不需要維護(hù)保養(yǎng)。
(2) 體積和質(zhì)量很�。阂粋�(gè)熱電制冷系統(tǒng)的體積和重量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相應(yīng)的機(jī)械制冷體積。除此之外，對(duì)于各種嚴(yán)格的應(yīng)用要求，有各種標(biāo)準(zhǔn)或特殊的尺寸和布局方式可供選擇。
(3) 可以降到環(huán)境溫度一下：傳統(tǒng)的散熱器需要將溫度升高到環(huán)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(huán)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(diào)整加載的直流電流的方向，調(diào)整制冷或者加熱模式。應(yīng)用這一特點(diǎn)就不必在定體系內(nèi)加入另外獨(dú)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(gè)閉路溫度控制循環(huán)，它可以在0.1℃范圍內(nèi)精確地控制溫度。
(6) 高可靠性：由于全部為固態(tài)基構(gòu)造，熱電制冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與應(yīng)用技術(shù)有關(guān)，但是典型熱電制冷器的壽命一般可達(dá)到200000小時(shí)以上。
(7) 電子靜音：與傳統(tǒng)的機(jī)械式冷器件不同，熱電制冷器在工作過程中基本上不會(huì)產(chǎn)生任何電子干擾信號(hào)，它可以與敏感的電子感應(yīng)器相連接，并不干擾其工作。另外，它在運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)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(tài)下工作。所以，在航天器械中應(yīng)用非常廣泛。
(9) 簡(jiǎn)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(nèi)變化，在許多條件下，還可以使用脈沖寬度調(diào)制。
(10) 點(diǎn)制冷：應(yīng)用熱電制冷器，可以做到對(duì)單獨(dú)的單元或者很小的區(qū)域進(jìn)行制冷，因此可以避免冷卻整個(gè)封裝器件或外殼時(shí)可能造成的能源浪費(fèi)。
(11) 發(fā)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?yōu)橐粋�(gè)小的直流發(fā)電器。
(12) 環(huán)境友好：傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷系統(tǒng)在工作時(shí)不可避免的需要用到氟利昂或其他化學(xué)物質(zhì)，并且工作過程中也會(huì)產(chǎn)生任何有害氣體。
二、熱電制冷技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
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(zhǎng)、無噪聲和無需維護(hù)等特點(diǎn),近年來在國(guó)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(shí)際應(yīng),并且發(fā)展迅速,有取代機(jī)械制冷的趨勢(shì)。
1.熱電制冷技術(shù)的特點(diǎn)
熱電制冷是用電能作動(dòng)力、以珀?duì)柼?yīng)為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換過程,即當(dāng)直流電通過兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時(shí),結(jié)點(diǎn)上將產(chǎn)生吸熱(當(dāng)電流方向相反時(shí)為放熱)現(xiàn)象。由于半導(dǎo)體材料(主要為碲化鉍)的珀?duì)柼?yīng)特別顯著,因此,目前國(guó)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(shí)際應(yīng)用中一般需要多個(gè)(如7～600對(duì))N型和P型半導(dǎo)體對(duì)串聯(lián),同時(shí)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(shí)際需求;改變直流電的方向,可以改變冷、熱端的方向。在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)一級(jí)制冷不能達(dá)到所需的工作溫度時(shí),可用二級(jí)或多級(jí)制冷進(jìn)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(tǒng)中,熱電制冷系統(tǒng)是唯一一種僅由一個(gè)元件組成的冷卻系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)械制冷單元是通過壓縮機(jī)使制冷劑循環(huán)從而從系統(tǒng)中吸收熱量,包括壓縮機(jī)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(dòng)力學(xué)原理,但熱電制冷顯然具有者多突出的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕;作用速度快;可靠生高;壽命長(zhǎng);無噪聲等。此外,熱電冷卻不需要象機(jī)械制冷那樣不斷填充化學(xué)消耗品,沒有活動(dòng)部件,也就沒有磨損,因此不需要維護(hù),無污染,成本低,同時(shí)又具有小功耗的特點(diǎn)。由此可見,熱電制冷是一種理想的制冷方法,在對(duì)許多器件(如CCD)的冷卻中有逐漸取代機(jī)械制冷的趨勢(shì)。
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(shí)現(xiàn)智能溫控。研究表明,如果建立一個(gè)良好的熱量管理系統(tǒng),利用熱電模塊可以實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制(±0.1℃);采用同一個(gè)模塊進(jìn)行加熱或冷卻;實(shí)現(xiàn)低于環(huán)境溫度的冷卻;實(shí)現(xiàn)點(diǎn)冷;實(shí)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。
2.熱電制冷技術(shù)的應(yīng)用
在武器裝備方面,國(guó)外將半導(dǎo)體制冷技術(shù)用于紅外制導(dǎo)的空對(duì)空導(dǎo)彈紅外探測(cè)器探頭的冷卻,以降低工作噪音,提高靈敏度和探測(cè)率(如硫化鉛、硒化鉛紅外探測(cè)器在-10℃時(shí)的響應(yīng)比20℃時(shí)大幾倍,在-78℃時(shí)其探測(cè)率可提高一個(gè)數(shù)量級(jí))。如果將制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三級(jí)半導(dǎo)體制冷器,可得到-78℃的溫度;如果使用四級(jí)制冷單元,則可得到-95℃的溫度,而包含散熱器及風(fēng)扇在內(nèi)的整個(gè)冷卻器重量只有0.75kg。例如,俄羅斯米格戰(zhàn)斗機(jī)配備的AA-8和AA-11系列導(dǎo)彈就采用熱電制冷對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)翼尖的無線電設(shè)備。
熱電制冷技術(shù)在空間探測(cè)方面也有許多應(yīng)用。例如,1995年由多國(guó)科學(xué)家組成的小組針對(duì)羅塞塔著陸器提出了一個(gè)擁有11個(gè)傳感器分系統(tǒng)的先進(jìn)組件方案,將一個(gè)二級(jí)熱電制冷器直接放在傳感器石英晶體后面,根據(jù)需要對(duì)晶體進(jìn)行加熱或冷卻。2002年,哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上安裝了近紅外相機(jī)和多目標(biāo)光譜儀,其中相機(jī)的三個(gè)熱保護(hù)板中有兩個(gè)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(hù)板的相機(jī)裝在固體冷光學(xué)臺(tái)上,密封于氮/鋁泡沫杜瓦(瓶)中,可使相機(jī)的溫度保持在-215℃。2005年,美國(guó)、英國(guó)、意大利和德國(guó)共同研制的星載X射線望遠(yuǎn)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(cè)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(duì)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(dá)到-100℃或無法維持一個(gè)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(cè)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(yīng)用中,熱電制冷器的抗震性能至關(guān)重要。國(guó)外有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果證實(shí)了熱電制冷器不僅具有優(yōu)異的溫控功能,而且還具有優(yōu)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(gè)制冷系統(tǒng)僅由這一個(gè)元件組成)。
在抗震模擬試驗(yàn)中將一個(gè)四級(jí)制冷器安裝在探測(cè)器上,在抗震試驗(yàn)后制冷器完好無損。實(shí)際飛行試驗(yàn)表明,將裝配了熱電模塊冷卻器的先進(jìn)探測(cè)照相機(jī)安裝在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上,發(fā)射后一小時(shí)時(shí),其高分辨率相機(jī)和寬視野相機(jī)上的CCD被冷卻到預(yù)定溫度,表明熱電制冷器在空間環(huán)境中能夠正常工作。
4.熱電制冷技術(shù)應(yīng)用于溫控復(fù)合材料展望
在實(shí)際應(yīng)用中,熱電模塊經(jīng)常放在設(shè)備內(nèi)部,甚至直接與被冷卻器件或結(jié)構(gòu)結(jié)合成為一個(gè)整體。例如,在光學(xué)應(yīng)用中,熱電模塊可以是探測(cè)器或二極管的一部分;而在半導(dǎo)體設(shè)備中,它又可以與陶瓷封裝成為一個(gè)整體。這就為熱電致冷器與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料結(jié)合研制溫控功能—結(jié)構(gòu)一體化復(fù)合材料乃至智能溫控復(fù)合材料奠定了基礎(chǔ)。
特別是隨著制冷模塊結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步微型化,內(nèi)部接觸層電阻以及熱傳導(dǎo)、熱輻射等的不利影響將更加顯著。因此,兼容性強(qiáng)的薄膜集成結(jié)構(gòu)將成為微電子元件冷卻的主流發(fā)展方向。
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(jì)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(shì),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(jī)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(gè)重要內(nèi)容。
然而,在將熱電致冷器與材料結(jié)合,研制開發(fā)熱電溫控復(fù)合材料,特別是智能溫控復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的實(shí)用化方面,還面臨著許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決:如在設(shè)計(jì)中溫控復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和功能一體化問題,智能溫控系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化問題,溫度傳感器和熱電制冷器與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的相容性問題,系統(tǒng)的輕質(zhì)化問題,抗震的問題等等。這些問題的解決需要材料、力學(xué)、結(jié)構(gòu)等多學(xué)科的交叉與融合。
