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(hù)等特點(diǎn),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(shí)際應(yīng),并且發(fā)展迅速,有取代機(jī)械制冷的趨勢。
熱電制冷技術(shù)的特點(diǎn)
熱電制冷是用電能作動力、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)N型和P型半導(dǎo)體對串聯(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)一級制冷不能達(dá)到所需的工作溫度時(shí),可用二級或多級制冷進(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(jī)械制冷那樣不斷填充化學(xué)消耗品,沒有活動部件,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,在對許多器件(如CCD)的冷卻中有逐漸取代機(jī)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(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。
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