CN107750332B - 气体传感器中的光学元件 - Google Patents

Abstract

一种气体感测装置(48)，包括气体传感器，该气体传感器被布置为使用光以感测气体的存在；光学元件(12、40)，光学元件(12、40)被布置为使得所述光撞击在其上；以及热电热泵(2、24)，该热电热泵(2、24)具有冷侧(6、36)和热侧(8、34)。热电热泵(2、24)被配置为响应于提供到热电热泵(2、24)的电能的供应，将热能从所述冷侧(6、36)传递到所述热侧(8、34)。热电热泵(2、24)的热侧(8、34)与光学元件(12、40)热接触。

Description

气体传感器中的光学元件

技术领域

本发明涉及防止和/或去除气体传感器中光学元件上的冷凝，并且特别地涉及使用热电热泵以防止或去除冷凝。

背景技术

气体传感器用于有必要或期望检测特定气体或多种气体存在的各种应用中。例如，在使用爆炸性气体的行业中，有必要监测周围区域，以确保不存在由于气体的点燃而可能导致爆炸的气体泄漏。

本领域已知的一种类型的气体传感器通过检测由于气体的吸收而造成的电磁辐射的光谱的改变，确定气体的存在。此类气体传感器通常包括包含在气体传感器外壳内的气体测量容积。该外壳具有孔隙，以允许气体进出气体测量容积。电磁辐射从辐射源穿过气体测量容积到辐射检测器。该电磁辐射具有涵盖对应于感兴趣的气体的吸收带的频率的频带频谱。分析在检测器处接收的频率谱以确定是否已经吸收了吸收带频率范围内的任何辐射。如果已经吸收了吸收带频率范围内的辐射，则这指示感兴趣的气体可存在于气体测量容积中。电磁辐射的频率谱的分析可涉及将吸收带中的频率处的吸收与参考带内的频率处的吸收进行比较，其中参考带是未被感兴趣的气体吸收的电磁辐射的频率谱的一部分。

在此类气体传感器中，电磁辐射经过光学元件(诸如窗和镜子)或从光学元件(诸如窗和镜子)反射是常见的。然而，因为有必要允许周围大气进入测量容积，以便感测周围大气中的气体，所以不可能防止水蒸气进入测量容积。在某些环境状况下，冷凝可形成在光学元件上。当邻近表面的周围空气的温度处于比表面更高的温度时，冷凝形成。因而，当周围温度变化时，冷凝可能形成。例如，如果气体传感器降温(例如，过一夜)，则外壳和光学元件将使周围的事物热化，并且变冷。当温度上升时(例如，在白天期间)，周围温度将增加，但是外壳和光学表面将花费一些时间来热化，导致外壳和光学表面比周围温度更冷。然后冷凝将形成在光学元件的相对冷的表面上。当存在高湿度时，该问题可加剧。

光学元件上的冷凝在气体传感器中是有问题的，因为当电磁辐射穿过窗或从镜子反射时，该冷凝影响传输或反射的光谱。气体检测方法依赖于测量由于通过气体吸收而造成的电磁光谱的改变。如果由于光学元件上的冷凝还存在不可预测的吸收或散射量，则很难或不可能可靠地确定气体是否存在。光学元件上的冷凝可引起错误的肯定读数，或可导致气体传感器未能检测到气体的存在。前一种情况至少是不方便的，因为当不存在危险气体状况时前一种情况可导致监测系统的人认为存在危险的气体状况，并且如果因为气体传感器在其光学元件上具有冷凝而未检测到危险气体泄漏，则后一种情况可能是潜在危险的。

本领域已经应用以改善该问题的解决方案提供了与每个光学元件热接触的相应的电阻加热元件。

如上面所提及的，当光学元件的温度低于周围空气温度时，尤其是如果湿度高时，水蒸气将冷凝在光学元件的表面上。当这发生时，可通过接通与光学元件接触的电阻加热元件，防止或去除冷凝。该加热元件将热能传递到光学元件，从而升高光学元件的温度。一旦光学元件的温度高于周围温度，光学元件上的冷凝就会蒸发。在冷凝形成之前，通过使用电阻加热元件使光学元件加热，可类似地防止冷凝形成在光学元件上。

然而，该做法具有与该做法相关联的问题。由于需要气体监测的位置的性质，所以不总是能够方便地将气体传感器定位在可以得到电源的位置。于是，通常需要依赖于电池功率以操作气体传感器。然而，运行电阻加热元件所需的电池功率的量相对较高。这导致了气体传感器的电池寿命显著减少。

这在包括大量气体传感器单元的气体传感器网络中是特别成问题的，大量气体传感器单元可散布在大的面积上且可导致产品不是商业上可接受的。

发明内容

因而，本发明的目的是提供一种用于防止气体传感器的光学元件上的冷凝的更有效的装置。

当从第一方面来看时，本发明提供了一种气体感测装置，包括：

气体传感器，该气体传感器被布置为使用光以感测气体的存在；

光学元件，该光学元件被布置为使得所述光撞击在其上；以及

热电热泵，该热电热泵具有冷侧和热侧，其中该热电热泵被配置为响应于提供到该热电热泵的电能的供应，将热能从所述冷侧传递到所述热侧，并且其中该热电热泵的热侧与该光学元件热接触。

本发明扩展到一种防止、去除或减少气体感测装置中的光学元件上的冷凝的方法，其中该气体感测装置包括气体传感器，该气体传感器被布置为使用光以感测气体的存在，并且其中光学元件被布置为使得所述光撞击在其上，该方法包括：

使用热电热泵将热能传递到该光学元件，其中：

该热电热泵具有冷侧和热侧，并且该热电热泵响应于提供到该热电热泵的电能的供应，将热能从所述冷侧传递到所述热侧；以及

该热电热泵的热侧与光学元件热接触。

应当了解，根据本领域中通常理解的含义在本文中使用术语“热侧”和“冷侧”，本领域中通常理解的含义就是“冷”侧吸收热能，并且“热”侧发出热能，使得热能从冷侧泵送到热侧。这不一定是热侧处于比冷侧更高温度的情况。根据操作和周围状况(例如，湿度水平)，热侧可能处于比冷侧更低的温度。

此外，在热侧和冷侧的上下文中术语“侧”的使用意指热电热泵的表面或一部分，并且不将热电热泵限制于任何特定形状。热电热泵指的是在施加电流时使用热电效应以将热量从设备的一个部分传递到另一个部分的任何固态设备。因而，术语“热电热泵”包含热电加热器和热电冷却器(热电加热器和热电冷却器也可称为珀尔帖加热器、珀尔帖冷却器或珀尔帖热泵)。

还应当了解，本文中使用术语“光”用于意指电磁辐射，即，光可为但不一定是可见光。该光可具有任何合适的频率或(多个)频率范围。

申请人已经了解到为了避免气体感测装置中光学元件上的冷凝，甚至在100％相对湿度下，光学元件表面仅需要比周围空气略暖以避免冷凝。例如，虽然0.2℃的差可足以避免冷凝，但是应当了解，本发明不限于0.2℃的温差。由于需要非常小的温差，所以热电热泵非常有效。除了通过热电热泵的主动热泵以外，还存在起因于由热电热泵本身的电阻造成的焦耳加热的附加热能。该附加热能有助于光学元件温度的增加。

在优选实施例中，该气体感测装置包括与热电热泵的冷侧热接触的散热器。该方法优选地包括使用热电热泵，以将热能从散热器传递到光学元件。可使用任何合适的散热器。在优选实施例中，该散热器沿着气体感测装置的测量容积的基本全部长度，和/或基本全部宽度和/或基本全部深度延伸。该散热器可为本领域已知的任何类型，例如，该散热器可具有散热翅片和/或波纹状。该散热器可由金属或任何其他合适的材料或材料组合制成。该散热器可由多孔陶瓷材料制成。申请人已经了解到这是特别有利的，因为由多孔陶瓷材料制成的散热器由于多孔材料的大的表面积而在传递热量上可非常有效，例如，比金属更有效。

应当了解，术语“散热器”指的是可适合于常规用作散热器的结构，该散热器具有旨在使表面积和其上的气流最大化的形状，但是根据本发明的该散热器中的热流处于与散热器的常规使用相比相反的方向。在常规散热器布置中，散热器用于从热体(例如，部件)吸取热量以使热体降温。该热量通过散热器传导出去，并且从散热器的表面传递到周围空气。然而，根据本发明，该散热器从周围空气吸取热量，并且该热量通过散热器传导到冷体(即，光学元件)以使冷体变热。然而，根本考虑是相同的。

该散热器提供了另外的优点，该另外的优点有助于气体感测装置的效率。在包括散热器的实施例中，除了使光学元件的温度升高之外，热电热泵从散热器取得热能，反过来，散热器从周围空气取得热能，降低最接近地区的周围空气温度。当邻近表面的空气比表面更暖时冷凝形成，降低空气温度也用来防止或去除冷凝。因而，该热电热泵提供了帮助使光学元件达到比周围空气更高的温度的两个互补作用：该热电热泵使光学元件的温度升高，并且该热电热泵降低了周围空气的温度。

有助于去除和/或防止冷凝的该散热器的另外的作用在于该散热器用作冷凝阀。当远离该散热器泵送热能时，该散热器相对于周围空气变冷。因而，周围空气中的水蒸气冷凝在该散热器上，减少局部周围空气的湿度，帮助防止和/或去除光学元件上的冷凝。此外，当使水蒸气冷凝在该散热器上时，热能传递到散热器。由于该散热器上的冷凝而造成该能量释放然后通过热电热泵泵送到光学元件，并且因而有助于光学元件的加热。该散热器可具有表面涂层或表面微米或纳米结构。例如，该散热器可为多孔的。这可增强水吸附，并且提高散热器作为冷凝阀的效率，帮助减少周围空气的湿度。由于散热器上的冷凝，所以这也可增加能量释放。

应当了解，在不具有散热器的实施例中，通过热电热泵的冷侧在一定程度上提供了上面提及的益处。在这些实施例中，冷侧直接从局部周围空气吸取热能，使空气冷却。冷侧也可用作冷凝阀，并且来自冷凝在冷侧上的水蒸气的能量可有助于以上面所描述的方式加热光学元件。然而，由于散热器的大的表面积，所以通过提供散热器可增强这些效果。

根据本发明的气体感测装置包括至少一个光学元件。然而，在一组实施例中，气体感测装置总共包括多于一个光学元件。每个光学元件可选择由镜子和窗组成的组，但是可使用其他光学元件。

可提供一个或多个附加热电热泵。优选地，附加热电热泵中的每个被布置为使其相应的热侧与一个或多个附加光学元件中的一个热接触。在一些实施例中，附加热电热泵中的每个的冷侧与散热器热接触。

在一些实施例中，不管光学元件的数量或热电热泵的数量，可提供一个或多个附加散热器。于是，热电热泵还可使其冷侧与附加散热器中的一个，一些或全部热接触。在气体感测装置包括(多个)附加热电热泵的情况下，(多个)附加热电热泵可使其冷侧与附加散热器中的一个或多个热接触。

优选地，热电热泵的热侧凭借处于物理接触与光学元件热接触。该热电热泵的热侧可与光学元件直接物理接触，或可经由中间热传导元件或物质，例如，经由热传导接合材料或粘合剂接触。优选地，然而，热电热泵的热侧保持与光学元件直接物理接触。例如，热电热泵和光学元件可使用机械固定布置(诸如螺钉或夹具)保持在一起。

类似地，热电热泵的冷侧优选地凭借与散热器物理接触与散热器热接触。热电热泵的冷侧可与散热器直接物理接触，或可经由中间热传导元件或物质，例如，经由热传导接合材料或粘合剂接触。热电热泵的冷侧可经由热导体(例如，延伸的热导体或“热管”)与散热器热接触。依据散热器的位置，这可允许更大的设计自由度。优选地，然而，热电热泵的冷侧保持与散热器直接物理接触。例如，热电热泵和散热器可使用机械固定布置(诸如螺钉或夹具)保持在一起。

热电热泵可具有任何合适的形状。热电热泵可由在陶瓷基板上的交替的n型和p型片状器件的正方形或矩形阵列形成，其中另外的陶瓷基板覆盖在片状器件上，使得热电热泵具有正方形或矩形形状。然而，其他形状是可能的。热电热泵可具有用于允许电磁辐射穿过的孔隙或间隙。例如，热电热泵可为环形或C形。当热电热泵与窗一起使用时，这是特别有利的，因为这允许电磁辐射经由孔隙或间隙穿过窗，同时允许热电热泵的热侧与围绕或基本上围绕辐射穿过的区域的窗的区域热接触(且由此使围绕或基本上围绕辐射穿过的区域的窗的区域加热)。类似地，具有孔隙或间隙的热电热泵可有利地与镜子一起使用，因为这允许热电热泵固定到镜子的反射侧，而不是固定到镜子的后方，不会阻止辐射的通过(因为辐射可穿过间隙或孔)。这可提供镜子的反射侧的更有效的加热。

在一组实施例中，该气体感测装置包括测量容积。气体感测装置可包括外壳，并且可在外壳中提供孔，以允许气体进入测量容积中。优选地，热电热泵和散热器(如果提供的话)设置在测量容积中。例如，热电热泵和散热器可被布置为使测量容积中的镜子，或在测量容积与气体感测装置的另一个容积之间的窗加热。然而，气体感测装置包括测量容积不是必要的。例如，气体感测装置可为开路检测器。因而，热电热泵和/或散热器可不一定设置在测量容积中。另外，甚至在具有测量容积的实施例中，热电热泵可用于使不在测量容积内部的光学元件(或光学元件的表面)加热。于是，甚至在具有测量容积的实施例中，散热器可设置在除了测量容积之外的气体感测装置的容积中。

优选地，光学元件与外壳绝热。光学元件可安装在绝热结构上。例如，镜子可被固定到绝热支架，其中绝热支架被固定到外壳的壁。镜子可通过镜架保持在适当位置，例如，镜架可将镜子夹紧或钉扎到适当位置。镜架可由绝热材料(例如，塑料)制成。附加地或供选择地，该镜架可具有与镜子很小的接触面积。例如，该镜架可包括将镜子保持在多个分立点处的少量(例如，六个或更少)的支撑或钉扎元件，例如，销钉，袢扣或挂钩。例如，可使用多个销钉(例如，三个销钉)将镜子安装在或保持在外壳中的位置中。

在一种可能的布置中，该镜架形成散热器的一部分，例如，该镜架可与散热器整体形成，或该镜架可热连接到散热器，并且由与散热器相同的材料制成。在此类布置中，镜子可凭借如上所述的与镜架具有很小的接触面积与散热器基本上绝热。在一些实施例中，散热器、热电热泵和镜子被布置成堆叠，其中散热器绕着镜子的前方延伸，以抵靠热电热泵和散热器将镜子钉住。然后散热器可经由绝热支架安装在外壳上。

其他光学元件可通过保持器保持在适当的位置，该保持器可具有参考镜架上面所描述的特征中的任一个。

窗可安装在气体感测装置的绝热内壁中。该绝热是为了防止或大大减少光学元件与外壳之间的热传递，外壳可具有高热容量，并且(像光学元件)在可能发生冷凝的情况下可能比周围空气冷。这是有利的，因为这防止传递到光学元件以加热光学元件的热能在外壳中消散。

类似地，散热器优选地与外壳绝热，以防止热能散热器传递到外壳或大大减少从散热器传递到外壳的热能。将热能从散热器传递到外壳是不期望的，因为这可降低散热器温度。热电热泵的效率取决于冷侧(且因而散热器)和热侧之间的温差。如果散热器由于到外壳的热传递而降温，则散热器的温度可显著地低于热电热泵的热侧的温度(例如，几度)，导致低泵送效率。这是因为当热泵的热侧和冷侧之间的温差很大时，焦耳加热与热电传热相比占主导地位，并且焦耳加热显著低于热电传热的效率。

应当了解，本发明可用于去除，减少和/或防止冷凝，并且如果热电热泵在预期存在冷凝中打开，则可能完全防止冷凝形成，而不是一旦冷凝已经形成就仅仅去除冷凝。期望完全避免冷凝，这可通过使热电热泵连续操作来实现。然而，还应当了解，连续操作将比间歇使用更快耗尽电池功率。因而，虽然热电热泵可连续地被接通，但是优选地热电热泵间歇地被接通。

热电热泵可在预定的(例如，定期)间隔(例如，响应计时器)接通。热电热泵可在预定的时间(例如，当更可能发生冷凝时每天的特定时间(例如，在早晨))接通。热电热泵可响应于环境状况(例如，周围温度或湿度中的测量的改变)接通。热电热泵可响应于指示冷凝的存在的状况的检测接通。该气体感测装置可被配置为由用于检测气体的数据确定冷凝的存在。例如，在一些实施例中，气体传感器测量指示一个或多个气体吸收带中和一个或多个参考带中电磁辐射的吸收的值。吸收中的某些改变可指示冷凝的存在，吸收中的某些改变例如，在(多个)参考带中，或在(多个)参考带和(多个)吸收带中吸收的不预期的增加。该气体感测装置可由吸收中的这些改变来确定冷凝的存在(或存在的可能性)，并且然后可引起热电热泵接通。

类似地，该热电热泵可响应于检测(通过气体传感器或以其他方式)已经消除或充分减少冷凝而切断。该热电热泵可响应于环境状况中的改变而切断。一旦预定的时间量已经过去，该热电热泵就可切断。

如上所述的热电热泵、光学元件和散热器的可选特征也可分别应用于(多个)附加热电热泵、(多个)附加光学元件和(多个)附加散热器(如果提供的话)。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述某些优选实施例，在附图中：

图1示出根据本发明的实施例的用于在气体感测装置中使用的珀尔帖加热器；

图2示出根据本发明的实施例的与气体感测装置的镜子的后表面热接触的图1中的珀尔帖加热器；

图3示出根据本发明的实施例的与窗和镜子一起使用的环形珀尔帖加热器；

图4示出根据本发明的实施例的被布置为与气体感测装置的窗热接触的图3的珀尔帖加热器；

图5示出根据本发明的气体感测装置，该气体感测装置包括根据图1的珀尔帖加热器，以及根据图3的用于防止气体感测装置中的窗和镜子上冷凝的环形珀尔帖加热器；

图6示出根据本发明的实施例的用于相对于散热器和气体传感器的外壳将镜子和珀尔帖加热器保持在适当的位置的布置。

图7示出图6的布置的三维分解视图。

图8示出气体感测装置的供选择的实施例，其中两个环形珀尔帖加热器用于窗和镜子。

图9示出典型珀尔帖加热器的性能系数图。

具体实施方式

图1示出用于在本发明的实施例中使用的珀尔帖加热器2。该珀尔帖加热器2包括具有冷侧6和热侧8的主体4。该珀尔帖加热器是固态设备，该珀尔帖加热器响应于经由电气连接10供应的电流，将热量从冷侧6传递到热侧8。应当了解，标记“冷”和“热”不一定暗指热侧处于比冷侧更高的温度。在本发明的一些布置中，特别地在潮湿状况下，冷侧可比热侧更暖。该标记冷和热指示热传递的方向，热传递的方向为从冷侧到热侧。

该珀尔帖加热器的主体4可具有任何合适的形状。应当了解，该珀尔帖加热器通常是矩形或正方形，但是并未从本发明排除其他形状。该珀尔帖加热器包括布置在矩形陶瓷基板(对应于热侧8的)上的交替的n型4a和p型4b热电元件的阵列。类似的矩形陶瓷基板(对应于冷侧6的)覆盖在该阵列上。

图2示出布置为与镜子12热接触的图1的珀尔帖加热器2。该镜子具有前(反射)表面14和后(非反射)表面16。该珀尔帖加热器2被布置为使得其热侧8与镜子12的后表面16热接触。在图2所示的布置中，珀尔帖加热器2通过夹具18保持在镜子14的后表面16上的适当位置，夹钳18被拧入到镜子14的后表面16的适当位置。然而，应当了解，可使用用于将珀尔帖加热器2固定在镜子12的供选择的方法。例如可使用导热粘合剂。当电流被供应到珀尔帖加热器2的电气连接10时，热能从珀尔帖加热器2的冷侧6传递到热侧8。

散热器被提供与珀尔帖加热器2的冷侧6热接触。为清晰起见，从图2省略了该散热器，但在图5和图6中示出且下面参考图5和图6描述该散热器。从冷侧6到珀尔帖加热器的热侧8的热传递导致主要经由散热器从围绕冷侧的空气吸取热能，并且将热能传递到镜子12，从而升高镜子12的温度。相对于周围空气20镜子12的增加的温度防止冷凝形成在镜子12的前表面14上。用于气体感测的电磁辐射22可从镜子12的前表面14反射，而不会使辐射22的光谱受冷凝的影响。

图3示出用于在本发明的实施例中使用的环形珀尔帖加热器24。该环形珀尔帖加热器包括布置在环形陶瓷基板32a上的多个n型26a和p型26b热电元件，其中另外的环形陶瓷基板32b覆盖在热电元件26a、热电元件26b上。该环形珀尔帖加热器24具有热侧34、冷侧36和电气连接38。类似于图1中所描述的珀尔帖加热器2，当电流供应到电气连接38时，热量从冷侧36传递到热侧34。

图4示出被布置为与窗40热接触的图3的珀尔帖加热器24。该珀尔帖加热器24通过导热粘合剂42保持与窗40接触。应当了解，在其他实施例中，供选择的方法可用于将珀尔帖加热器24附接到窗40。在根据本发明的实施例的气体感测装置中，散热器被提供为与珀尔帖加热器24的冷侧36热接触。为清晰起见，从图4省略了该散热器，但是下面参考图5和图6另外描述了该散热器。

当电流被供应到电气连接38时，热能从冷侧36传递到珀尔帖加热器24的热侧34。于是，主要经由散热器(未示出)从邻近冷侧的周围空气44a吸取热量，并且将热量传输到窗40的主体中。这升高了窗40的温度。

由于与周围空气44a和窗40的另一侧上的周围空气44b相比较窗40的增加的温度，所以防止了冷凝形成在窗40上。于是，当电磁辐射46在气体感测装置的操作期间穿过窗40时，该辐射46能够穿过窗40而不会通过窗40上的冷凝更改该辐射46的光谱。从而，显著提高该气体感测装置的可靠性。

根据图2和图4所示的两种布置，除了通过珀尔帖加热器2、珀尔帖加热器24的热量的传递之外，在珀尔帖加热器2、珀尔帖加热器24中也存在焦耳加热。除了通过珀尔帖效应传递的热量之外，通过焦耳加热生成的能量被传递到镜子12或窗40。这提供了镜子12和窗40的附加加热。该附加加热有助于用于防止冷凝的珀尔帖加热器布置的高效率。

图5示出根据本发明的使用两个珀尔帖加热器2、珀尔帖加热器24的气体感测装置48。该气体感测装置48包括在外壳50中的气体传感器49。该外壳50包括塑料风帽51，例如，为了清洁的目的，可从外壳50去除塑料风帽51。除了塑料风帽51之外，外壳50由钢制成。该风帽51具有用于气体进入的孔52。该外壳50包括容纳气体传感器49的部件外壳部分54，气体传感器49包括部件(例如，控制部件、用于辐射的生成和检测的部件等)。为清晰起见，从图5省略了该部件。该气体感测装置48还包括测量容积56。在气体感测装置48的操作期间，电磁辐射58经由窗40从部件外壳部分54传输到测量容积56中。该电磁辐射58从镜子12反射回来，通过窗40到检测器(未示出)。

应当了解，图5所示的特定气体感测装置代表了可能的布置。可在合并反射或透射光学元件的任何气体感测装置，或冷凝可形成在其上的任何其他光学元件中有利地采用本发明。

如上面参考图4所描述的，窗40被提供有环形珀尔帖加热器24。该珀尔帖加热器24具有热侧34和冷侧36。热侧34附接到窗40，并且与窗40热接触。冷侧36与两个散热器64热接触。该散热器64由金属制成，并且具有散热翅片66以促进来自测量容积56中的周围空气68的热能的吸收。应当了解，可使用任何数量的散热器。可使用一个散热器，例如，延伸穿过测量容积56(像图5中所示的散热器64)的顶部和底部，但是被接合在镜子12和珀尔帖加热器2的后面。该(多个)散热器可具有孔，以允许气体在外壳内流动。此类孔对于基本上封装测量容积56的部分的散热器(例如，具有圆柱对称性的散热器)可为必需的。

当电功率被供应到珀尔帖加热器24时，将热能从与冷侧36热接触的散热器64传递到与热侧34热接触的窗40。此外，来自珀尔帖加热器24的焦耳加热生成传递到窗40的热量。于是，升高窗40的温度，从而防止和/或去除来自窗40的冷凝，如上面参考图4所描述的。

由于远离散热器64传递的热量，所以散热器的温度下降。这具有两个主要的影响。

第一，散热器64处于比周围空气68更低的温度。结果，周围空气68中的任何水蒸气趋于冷凝在相对较冷的散热器64上。这减少周围空气中的湿度水平，还减少了在窗40上产生冷凝的可能性。此外，通过使水蒸气冷凝将额外的热能传递到散热器64，并且额外的热能经由热电热泵2、热电热泵24传递到镜子12和窗40。该附加热能可帮助减少或消除在散热器64(且因而珀尔帖加热器24的冷侧36)与珀尔帖加热器24的热侧36之间的温差，显著地增加了珀尔帖加热器24的效率。

第二，由于与周围空气68相比较散热器64的较低温度，所以将热能从周围空气68传递到散热器64。因此，周围空气68冷却，增加了窗40与周围空气68之间的温差。这还帮助消除来自窗40的冷凝。

窗40安装在具有孔隙72的绝热壁70上以允许电磁辐射58通过到测量容积56中。绝热显著减少了从窗40到外壳50的热量传递。这样的优点在于，由珀尔帖效应和珀尔帖加热器24的焦耳加热提供的热能被传递到窗40以升高窗40的温度，但是防止在外壳50中使该热能消散。因为外壳50(外壳50主要是钢)具有高热容量，所以不期望允许将该热能传递到外壳50。如果珀尔帖加热器24必须使外壳50以及窗40加热，则将需要传递更大量的热能。这将大大减少珀尔帖加热布置的效率。窗40的绝热可通过其它绝热布置来实现，例如，窗可安装在放置在钢内壁中的孔周围的的绝热环上。

窗(或其他光学元件)直接安装在绝热支架上并非必要的。例如，光学元件可安装在子组件上，其中子组件可安装在绝热支架上。如果该子组件合并经由焦耳加热(例如，光电子)生成热量的部件，则这可提供附加优点，因为焦耳加热可有助于光学元件的加热。

如上面参考图1和图2所描述的，镜子12被提供有珀尔帖加热器2。如上面参考图2所描述的，珀尔帖加热器2与镜子12的后表面16热接触。镜子12的前表面14是反射性的，以便将电磁辐射58反射回来，通过测量容积56。珀尔帖加热器2的热侧8与镜子12热接触。珀尔帖加热器2的冷侧6与散热器64热接触，并且安装在绝热块74上，绝热块74本身安装在外壳50的后壁76上。如上面参考图2所描述的，珀尔帖加热器2经由珀尔帖效应和焦耳加热将热能提供到镜子。于是，防止冷凝形成在镜子12上和/或从镜子12去除冷凝。如上面参考珀尔帖加热器24所描述的，珀尔帖加热器2经由冷侧6从散热器64吸取热能。以该方式，珀尔帖加热器2帮助降低周围空气68的温度，并且引起散热器64充当冷凝阀。

出于如上面参考绝热壁70描述的类似的原因，绝热支架74被提供用于防止从散热器64到外壳50的热量传递。如上面所提及的，外壳50具有显著的热容量。本布置的一个优点在于散热器64从周围空气68且从冷凝在散热器64上的水蒸气吸取热量。该热能增加了散热器64的温度，这可减少或消除散热器64和珀尔帖加热器2的热侧8之间的温差，从而提高了珀尔帖加热器2的效率。如果散热器64与外壳50热接触，则散热器64中的热能中的一些可在外壳50中被消散。由于外壳50的显著的热容量以及在可能发生冷凝的情况下外壳(像光学元件)可能比周围空气更冷的事实，这可降低散热器64的温度。这可导致散热器64变得比珀尔帖加热器的热侧8显著更冷(例如，几度)，从而减少珀尔帖加热器2的效率。

图6示出了相对于散热器65和外壳50用于将镜子12和珀尔帖加热器2保持在适当位置的供选择的布置。为清晰起见，图6中省略了外壳50。珀尔帖加热器2与镜子12热接触，并且珀尔帖加热器2与镜子12通过镜架92保持抵靠散热器65，使得珀尔帖加热器2的冷侧与散热器65热接触。

如在其他实施例中的，散热器65可由任何合适的材料(例如，金属或陶瓷)制成。散热器65可具有任何合适的形状，例如，圆盘形，或散热器65可具有散热翅片。散热器65可为多孔的，例如，在微米或纳米尺度上，例如，散热器65可为微孔陶瓷散热器。

镜架92可由绝热材料(例如，塑料)制成。供选择地，镜架92可由导热材料(例如，金属)制成。镜架92与镜子12之间的接触面积可足够小，以使得镜子12与镜架92基本绝热。

图7示出了图6的布置的三维分解视图。镜架92包括三个支持销钉94，该支持销钉94使镜子12和珀尔帖加热器2保持抵靠散热器65。该支持销钉基本上减少了镜架92与镜子12、珀尔帖加热器2以及散热器65组件之间的热接触，从而使镜子12和外壳之间的热传递最小化。可使用多于或少于三个支持销钉94。

在一些实施例中，镜架92由与散热器65相同的材料制成，并且可与散热器65整体形成。在此类实施例中，该镜架可有效地充当散热器或散热器的部分。在此类实施例中，支持销钉94用于使镜子与散热器65之间的热传递最小化，以使得珀尔帖加热器2能够有效地使镜子12加热。

图8示出气体感测装置78的供选择的布置，气体感测装置78具有与气体感测装置50中的相同构造中的珀尔帖加热器24和窗40，还具有镜子80和环形珀尔帖加热器84的不同布置，以将电磁辐射反射回测量容积56之外。气体感测装置78的布置在其他方面与图5中所示的气体感测装置50的布置相同。因而，将不再现相同的元件的描述。

气体感测装置78中的镜子80被安置在与气体感测装置50中的镜子12略微不同的位置中。镜子80直接安装在绝热支架82上，该绝热支架82安装在气体感测装置78的后壁76上。代替使珀尔帖加热器被安置在镜子80与绝热支架82之间，将环形珀尔帖加热器84安装在镜子的前(反射)表面90上。环形珀尔帖加热器84中的孔允许电磁辐射58到达镜子80的反射表面90，并且从而被反射回测量容积56之外。

珀尔帖加热器84被布置为使珀尔帖加热器84的热侧86与镜子80热接触，并且珀尔帖加热器84的冷侧88与散热器64热接触。环形珀尔帖加热器84实现与气体感测装置50中的珀尔帖加热器2相同的效果，但是具有不同的取向和形状，以允许使环形珀尔帖加热器84附着到镜子80的前表面90。

应当了解，仅已描述了一些可能的实施例，并且其他变型是可能的。还应当了解，由于热电热泵的高效率，所以结合附加焦耳加热，本发明可提供防止和/或去除来自气体感测装置中的光学元件的冷凝的非常有效的方式。特别地通过仅需要小的温差以去除或防止冷凝来增强该优点。可用热电热泵非常有效地实现小的温差。

这由图9明显可知，图9示出典型的珀尔帖热泵的性能系数图。如下定义珀尔帖热泵的性能系数(COP)：

y轴示出性能系数，并且x轴示出供应到珀尔帖热泵的电流。由于性能系数是与温度有关的，所以不同的曲线被示出用于热侧与冷侧之间的不同温差。按照DTmax表达温差(DT)，其中DTmax是通过珀尔帖热泵可获得的最大温差。x轴上的电流相对于Imax被归一化，Imax是产生DTmax温差的电流。

由于仅需要将光学元件的温度增加一度的几分之一以防止冷凝，所以感兴趣的DT/DTmax线为上线(0.0-0.1)。可看出，对于广泛的操作条件，性能系数大于1。

性能系数(与热效率不同)可超过1，因为性能系数是输出(通过泵送传递的热量)与损耗(驱动泵送所需的电能)的比率，然而热泵的热效率是输出能量与输入能量的比率。

对于不泵送热能的电阻元件，由于能量节约，所以输出(来自焦耳加热的热量)不能超过损耗(操作电阻元件所需的电能)。因而，对于不泵送热量的电阻元件，等效性能系数不能超过1。对于纯电阻元件，等效性能系数等于1。因而，对于广泛的操作条件，珀尔帖热泵比电阻元件表现更好。

Claims (34)

1.一种气体感测装置，包括：

气体传感器，所述气体传感器被布置为使用光以感测气体的存在；

光学元件，所述光学元件被布置为使得所述光撞击在其上；

热电热泵，所述热电热泵具有冷侧和热侧，其中所述热电热泵被配置为响应于提供到所述热电热泵的电能的供应，将热能从所述冷侧传递到所述热侧，并且其中所述热电热泵的所述热侧与所述光学元件热接触；

测量容积；以及

散热器，所述散热器与所述热电热泵的所述冷侧热接触，其中所述散热器设置在所述测量容积中。

2.根据权利要求1所述的气体感测装置，其中所述散热器包括表面涂层和/或表面微米或纳米结构。

3.根据权利要求1所述的气体感测装置，其中所述散热器包括多孔陶瓷材料。

4.根据权利要求1所述的气体感测装置，总共包括多于一个光学元件。

5.根据权利要求1所述的气体感测装置，其中所述光学元件或所述光学元件中的一个或多个选自由镜子和窗组成的组。

6.根据权利要求1所述的气体感测装置，还包括一个或多个附加热电热泵。

7.根据权利要求6所述的气体感测装置，其中，每个所述附加热电热泵被布置为使其相应的热侧与所述光学元件热接触。

8.根据权利要求6所述的气体感测装置，其中，每个所述附加热电热泵的相应的冷侧与所述散热器热接触。

9.根据权利要求1所述的气体感测装置，包括散热器，所述散热器与所述热电热泵的所述冷侧热接触，并且还包括一个或多个附加散热器。

10.根据权利要求9所述的气体感测装置，其中所述热电热泵使其冷侧与所述附加散热器中的一个、一些或全部热接触。

11.根据权利要求9所述的气体感测装置，还包括一个或多个附加热电热泵，并且其中所述一个或多个附加热电热泵使其相应的冷侧与所述附加散热器中的一个或多个热接触。

12.根据权利要求1所述的气体感测装置，其中所述热电热泵的所述热侧凭借与所述光学元件物理接触与所述光学元件热接触。

13.根据权利要求1所述的气体感测装置，其中所述热电热泵的所述冷侧凭借与所述散热器物理接触与所述散热器热接触。

14.根据权利要求1所述的气体感测装置，其中所述热电热泵具有用于允许电磁辐射穿过的孔隙或间隙。

15.根据权利要求14所述的气体感测装置，其中所述光学元件是窗。

16.根据权利要求1至12中任一项所述的气体感测装置，其中所述热电热泵设置在所述测量容积中。

17.根据权利要求1至12中任一项所述的气体感测装置，其中所述散热器沿着所述测量容积的全部长度，和/或全部宽度和/或全部深度延伸。

18.根据权利要求1至12中任一项所述的气体感测装置，还包括外壳，并且其中所述光学元件与所述外壳绝热。

19.根据权利要求1至12中任一项所述的气体感测装置，包括保持所述光学元件的保持器。

20.根据权利要求19所述的气体感测装置，其中所述保持器由绝热材料制成。

21.根据权利要求19所述的气体感测装置，其中所述保持器形成为与所述热电热泵的所述冷侧热接触的散热器或所述散热器的一部分。

22.根据权利要求19所述的气体感测装置，其中所述保持器包括保持所述光学元件的多个分立的保持元件。

23.根据权利要求1至12中任一项所述的气体感测装置，还包括外壳，并且其中所述散热器与所述外壳绝热。

24.根据权利要求1至12中任一项所述的气体感测装置，被配置为间歇地接通所述热电热泵。

25.根据权利要求1至12中任一项所述的气体感测装置，被配置为以预定间隔和/或以预定时间接通所述热电热泵。

26.根据权利要求1至12中任一项所述的气体感测装置，被配置为响应于环境状况和/或响应于指示冷凝存在的状况的检测，接通所述热电热泵。

27.根据权利要求1至12中任一项所述的气体感测装置，被配置为响应于检测已经消除或充分减少冷凝和/或响应于环境状况的改变和/或一旦预定的时间量已经过去，切断所述热电热泵。

28.一种防止、去除或减少气体感测装置中的光学元件上的冷凝的方法，其中所述气体感测装置包括测量容积以及气体传感器，所述气体传感器被布置为使用光以感测气体的存在，并且其中所述光学元件被布置为使得所述光撞击在其上，所述方法包括：

使用热电热泵以将热能传递到所述光学元件，其中：

所述热电热泵具有冷侧和热侧，并且所述热电热泵响应于提供到所述热电热泵的电能的供应，将热能从所述冷侧传递到所述热侧；以及

所述热电热泵的所述热侧与所述光学元件热接触，

其中，所述气体感测装置包括散热器，所述散热器与所述热电热泵的所述冷侧热接触，其中所述散热器设置在所述测量容积中。

29.根据权利要求28所述的方法，还包括使用所述热电热泵将热能从所述散热器传递到所述光学元件。

30.根据权利要求28或29所述的方法，其中所述热电热泵设置在所述测量容积中。

31.根据权利要求28或29所述的方法，还包括间歇地接通所述热电热泵。

32.根据权利要求28或29所述的方法，还包括以预定间隔和/或以预定时间接通所述热电热泵。

33.根据权利要求28或29所述的方法，还包括响应于环境状况和/或响应于指示冷凝存在的状况的检测，接通所述热电热泵。

34.根据权利要求28或29所述的方法，还包括响应于检测已经消除或充分减少冷凝和/或响应于环境状况的改变，和/或一旦预定的时间量已经过去，切断所述热电热泵。

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