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          熱電制冷技術在航空航天領域的重要作用

          來源:鞍山核心電子技術有限公司 作者:核心電子

            熱電制冷是一種環保清潔的制冷技術,在各個領域廣泛應用。 熱電制冷的基本原理,應用于熱電制冷的材料現狀,近年來國內外專家學者在熱電理論和熱電制冷上的研究進展,熱電制冷在現實生活的應用,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。那么熱電制冷技術在航空航天領域有哪些優勢呢?

            一、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。


          圖1 半導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。

            二、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。

            熱電制冷技術由于其獨特的優點,在電子、醫藥、工業、農業以及日常生活等各領域應用越來越廣泛,解決了許多特殊場合的制冷難題。尤其是在機器視覺系統中的運用,熱電制冷CCD相機越來越受到重視。雖然國內對熱點制冷技術也有研究,但是因為起步非常晚,很多真正的制冷技術還沒有研究透徹。所以現在,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。

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