论文-温差电致冷技术的空间应用.pdf

1 温差电致冷技术的空间应用 张建中 王泽深 齐雅青 任保国 王铁民 中国电子科技集团公司第十八研究所 天津市 296 信箱 邮编 300381 传真 022 23383783 电子信箱 wzste 摘要 温差电致冷 又称热电致冷 它是利用珀尔帖效应致冷的一种电子致冷方式 文章阐述了 单级和多级温差电致冷组件的原理 结构和主要性能 温差电致冷器是一种没有转动部件的固态 器件 体积小 寿命长 工作时无噪声 又不会释放有害物质 如氟氯烃 只要改变电流的方向 同一个致冷器可用于致冷 也可以致热 它能在任意角度安装运行 调节电压或电流就可以精确控 制温度 文章简要回顾了温差电致冷技术在我国空间工程中已经成功地获得了应用的例子 它们是 空间生命科学实验系列装置 空间微重力实验 温差电温控贮运系统 介绍了应用的原理 装置 简图 实际效果等 国际上 温差电致冷技术在和平站 国际空间站 月球 火星探测和深空探测中已经得到了广 泛的应用 文章简要地阐述了温差电致冷技术在我国空间工程中的应用前景 预言在我国未来空 间工程中温差电致冷技术将发挥愈来愈大的作用 获得更多的应用机会 关键词 空间应用 温差电致冷技术 珀尔帖效应 温差电致冷组件 1 前言 1 前言 1 温差电致冷 又称热电致冷 它是利用珀尔帖效应致冷的一种电子致冷方式 温差电致冷器有很多优点 它是一种没有转动部件的固态器件 体积小 寿命长 工作时无噪声 又不会释放有害物质 如氟氯烃 只要改变电流的方向 同一个致冷器可用于致冷 也可以致热 它能在 任意角度安装运行 调节电压或电流就可以精确控制温度 温差电致冷组件应用珀尔帖效应的原理 利用 BiTe 为基体的半导体材料制成 可分为单级和多级 2 6 级 组件 单级组件是由若干对 p n 型温差电元件通过导流片电串联 通过陶瓷片热并联的结构方式连 接而成 其结构见图 1 当通过直流电流时 热量从组件的一端传递到另一端 起到致冷的作用 如果将 电流反向 热量的传递方向也随之调转 致冷方式变为加热方式 精确调节温差电致冷组件的电压或电流 2 可以方便地实现精确控温 现有单级温差电致冷组件的最大致冷温差为 68 70 根据组件中所含致冷 元件数目及工作电流的不同 最大致冷功率从 1 150W 不等 1 热面陶瓷片 2 输入端 3 N 型元件 4 冷面陶瓷片 5 P 型元件 6 导流片 7 输入端 8 温差电单体 图 1 单级温差电致冷组件的结构 多级温差电致冷组件 常规的结构方式是上一级的热面作为下一级的冷面 由单级组件叠加成的多层 次组件 通常呈金字塔形式 一般情况下 各级温差电偶串联供电 根据级数的不同 多级致冷组件的最 大致冷温差可达 140 左右 可以满足各种致冷温度低的应用要求 在应用中 首先要根据实际应用所需温差及热负载数值 选用适当的致冷组件 做到既满足使用要求 又充分发挥组件的致冷能力 在目前的工艺水平 采用性能最好的温差电材料制作的单级和多级温差电致 冷组件可能达到的最大温差见表 1 表 1 各级温差电致冷组件的温差范围 级 数 最 大 温 差 1 60 70 2 80 95 3 95 110 4 100 120 5 120 135 6 130 140 使用优值为2 5 10 3 的温差电致冷材料 热面温度在27 时 各级温差电致冷组件的性能系数 定 义为致冷功率与输入功率之比 与冷面温度 Tc 或温差 T 的关系见图 2 3 图 2 温差电致冷组件的性能系数 与冷面温度 Tc 或温差 T 的关系 2 温差电致冷技术在我国空间工程中的应用 2 温差电致冷技术在我国空间工程中的应用 温差电致冷组件在导弹 卫星 雷达等国防重点工程 光纤通信 高精密科学仪器上获得了愈来愈 多的应用 如红外探测器 发光二极管 半导体激光器 电荷耦合器件 参量放大器等致冷 都需要体积 小 重量轻 耗电少 致冷速度快的温差电致冷组件 温差电温度调节系统在导弹发射车 弹头储运箱都 获得了成功应用 下面 将介绍温差电致冷技术在我国空间工程中几个成功应用的例子 1 1 1 1 空间生命科学实验系列装置 2 空间生物效应是我国空间工程中生命科学研究的重要课题 我国的空间生物效应研究中使用了中国科 学院上海技术物理研究所研制的空间生命科学实验系列装置 包括 空间通用生物培养箱 空间细胞生物 反应器 空间细胞电融合仪 中国电子科技集团公司第十八研究所为空间生命科学实验系列装置专门研 制了 TTE 系列温差电致冷器用作控温元件 为空间生物试验创造合适的热环境条件 1996 年 10 月 20 日 我国发射的第 17 颗返回式卫星上搭载的生物培养箱就使用了这种温差电致冷器 卫星于当年 11 月 4 日返 回并顺利回收 15 天在轨期间 成功地进行了一系列生物实验 取得了一批有价值的成果 图 3 为通用空间生物培养箱的结构示意图 1 基板 2 外壳 3 电子线路 4 绝热材料 5 生物样品盒 6 内胆 7 温差电致冷器 图 3 通用空间生物培养箱的结构示意图 4 温差电致冷器安装在箱体的基板上 通过改变致冷或加热工作模式完成控制生物培养箱内部温度的功 能 生物培养箱内部空间的温度维持在 25 2 适合于生物的生长 也可以通过遥控将生物培养箱内 部空间温度调节到 10 在以后的返回式卫星和神舟系列飞船上 一批温差电控温空间生命科学实验系列装置成功地用于我国 的空间生物实验中 1 2 空间微重力实验 1 2 空间微重力实验 3 空间材料科学 空间生命科学和空间生物技术等无不与微重力流体力学紧密相关 目前 微重力流体 力学的研究集中在微重力条件下流体的动力学机制 中国科学院力学研究所微重力实验室为实践 5 号卫星 的微重力实验研制了一台多层流体装置 该装置使用了中国电子科技集团公司第十八研究所研制的专用温 差电致冷组件 这种致冷组件作为多层流体装置的控温器件 为液槽提供了 30 多种温度梯度 从 1999 年 5 月 11 日至 19 日 8 天在轨期间该装置成功地完成了一系列微重力实验 取得了一批有价值的科研成果 图 4 所示为空间微重力实验用的多层流体装置的主要部件液槽单元的结构简图 槽内充满石蜡和 FC 70 的混合物 液槽的外侧的顶部和底部各安装一片不同致冷功率的温差电致冷组件 实践 5 号卫星发射前 为了避免两种液体过早混合 液槽内采用固 液态 卫星入轨后 固体缓慢融解 此后 固 液态变为液 液态 通过遥控操作不同温度梯度下的微重力实验 1 2 3 4 5 6 热电偶 thermocouples 图 4 微重力实验装置的液槽单元 1 3 温差电温控贮运系统1 3 温差电温控贮运系统 4 中国电子科技集团公司第十八研究所为神舟系列工程研制了两种空间生命科学实验系列装置地面温 控贮运系统 这种控温贮运系统由三部分组成 容积 70 升的温控箱 可充电电池组和电源控制器 该装 5 置的特点是控制温度范围广 能够耐受恶劣的环境条件 它可以在无市电的情况下连续工作 8 小时 这种 温控贮运系统已经在神舟 2 3 4 工程中应用 为空间生命科学实验系列装置在发射前和回收后的地面运 输立下了汗马功劳 图 5 是这种控温贮运系统的照片 图 5 温差电控温贮运系统的照片 3 温差电致冷技术在我国空间工程中的应用前景 3 温差电致冷技术在我国空间工程中的应用前景 未来几十年将是我国空间技术大发展的时代 已经计划的神舟系列飞船 天空实验室 探月工程一 二 三期 众多的地球卫星 等等 国际上 温差电致冷技术在地球卫星 和平站 国际空间站 月球 火星探测和深空探测中都得到了广泛的应用 在我国未来空间工程中温差电致冷技术也仍然将发挥特定的 作用 获得更多的应用机会 根据国外的经验 温差电致冷技术在未来空间工程中会在如下方面得到应用 空间生命保障系统 利用温差电致冷技术在发射和再入期间冷却宇航员 利用温差电致冷技术进 行尿液处理和回收 利用温差电致冷技术冷却宇航食品 保持其口味并保证其不变质 空间生物工程实验 为了保持长期空间任务期间代谢样品的科学价值 利用温差电致冷技术调温 进行科学研究 空间科学实验 如微重力实验 晶体生长实验等科学实验需要使用特殊的致冷器 冷冻器 采用 温差电致冷器可减小实验装置体积 且安装方式与重力场方向无关 高效率空调系统 空间实验室需要一种高效率 高可靠 具有高性能质量比的通风调温系统 温 差电致冷技术是实现这种空调系统的有效途径 空间光电子技术上的应用 具体用途为 半导体激光二极管及组件的冷却 高速半导体激光二极 管的冷却 热像仪的冷却 微光器件的冷却 可见光电荷耦合摄像器及组件的冷却 光纤传感的 冷却 红外遥感器件的冷却 红外焦平面探测器的冷却 高分辨率粒子探测器的冷却等等 6 以上的需求对温差电致冷技术和温差电致冷的应用技术提出了新的挑战 温差电致冷材料需要继续向 高优值方向努力 多级温差电致冷组件要优化设计 降低冷面工作温度 提高温差 例如 红外焦平面探 测器要求半导体致冷器工作温度范围 160 180K 冷面温度不高于 140K 正常热负荷 50mW 无论对温差电 致冷材料 多级温差电致冷组件的设计和集成技术都是一种挑战 这就需要针对工程应用的需求 对温差 电器件研究部门提出加强温差电致冷技术基础研究工作和产品开发工作 在温差电致冷的应用技术层面 我们在这里特别要强调针对工程应用 温差电致冷器的研制单位和使用单位之间的紧密合作 不断改进设 计 不断提高性能质量比 性能价格比和可靠性 使得温差电致冷技术在我国未来的空间工程中创造更多 的奇迹 参考文献 1 现代电子信息技术丛书 化学与物理电源 第三篇温差电致冷组件 国防工业出版社 2000 年 2 Jianzhong Zhang Tiemin Wang etc Application of the thermoelectric cooler in the 17th chinese retrevable satellite Proceedings of 5th International Conference on Solid state and Integrated Circuit Technology Beijing China 1998 English 3 Tiezhu Zu Yaqing Qi Jianzhong Zhang etc Thermoelectric cooler for space microgravity experiment Proceedings of the International Conference on Thermoelectrcs ICT 99 Baltimore USA