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。
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。
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