李婷 孫海義

摘要：基于半導體制冷技術，針對航天、軍事、醫(yī)療、生物制品、車載等特殊有限工作空間的獨特需求，設計了體積小、成本低、性能高、結構合理緊湊、功耗低且節(jié)能環(huán)保的微型半導體溫控箱箱體，并對溫控箱的溫度及變化速率等各種參數能夠實時精確控制，為高性能生物制劑、功能材料等的實驗室制備方法以及性能研究提供技術支撐。本文選用TEC-12706半導體制冷片并進行了半導體制冷原理進行驗證實驗。半導體恒溫箱采用強制對流方式，提高了儲藏室空氣之間的熱交換率，由此在距離儲藏室內膽一定距離的三維空間區(qū)域形成一個恒溫控制區(qū)，該區(qū)域內溫度均勻無差異，且能迅速響應半導體片的溫度切換。仿真表明，該系統(tǒng)具有結構簡單、控制精度高、可靠性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：半導體制冷;恒溫控制;強制對流;熱交換;

中圖分類號：TB657

文獻標識碼：A

1 引言

近年來，隨著現代工農業(yè)技術的發(fā)展及人們對生活環(huán)境要求的提高，國內外對于測溫系統(tǒng)的研究越來越深入，恒溫箱被廣泛應用于醫(yī)療保健、智能家居、工農業(yè)生產、航天科研等領域[1-2]。半導體制冷也叫溫差制冷、熱電制冷或電子制冷，是利用“塞貝克效應”的逆效應一“珀爾帖效應”進行制冷[3]。其結構簡單、工作環(huán)境要求很低、無制冷工質、無機械部件、無振動、可做到很長壽命，制冷迅速，而且交換電流方向即可實現制冷或制熱，調節(jié)電流大小即可控制冷量輸出，改變電臂大小及溫差電對的排布方式，就可滿足各種不同需要，制成大到千瓦級的空調，小到冷卻紅外探測器件的毫瓦級的微型制冷器。

半導體制冷系統(tǒng)在不同的應用場合、不同的散熱條件下其最佳工作參數是不同的。如何確定一定條件下半導體制冷系統(tǒng)的最佳工作參數，是目前半導體制冷系統(tǒng)設計中的難點，也是影響半導體制冷推廣應用的因素之一。半導體制冷系統(tǒng)的工作溫度主要取決于冷、熱端傳熱狀況和工作電流，深入研究這些因素對半導體制冷系統(tǒng)最佳工作狀態(tài)的影響，既有理論意義又有實際應用價值。

因為內膽與空氣對流換熱，所以在半導體制冷系統(tǒng)箱體內的溫度是不均勻分布的，離冷端越遠溫度越高，這必然影響箱體空氣的換熱。本文在多種散熱方式中選取水冷散熱并對半導體恒溫箱內的溫度及速率等進行仿真，實現恒溫箱的溫度同步變化的解決方法和仿真實驗。

2 半導體制冷原理驗證

2.1 半導體制冷原理

半導體制冷[4]就是帕爾貼效應在半導體材料上的成功應用，半導體有n型半導體和p型半導體之分，n型半導體含有多余的電子，因此含有負溫差電勢，而p型半導體中電子不足，有多余的空穴，因此含有正的溫差電勢，把一只n型半導體元件和一只p型半導體元件聯結成為一個熱電偶，形成一個P-N結，當有直流電通過這個P-N結時，由于溫差電勢的存在，就會產生能量的轉移，也就是在結點處，會和外界環(huán)境進行能量的交換。

半導體制冷原理[5]如圖1所示，通上直流電源后，在上面的接頭處，電流由n型半導體流向p型半導體，也就是由負溫差電勢流向正溫差電勢，由低能級流向高能級，就會從外界吸收能量，因此成為冷端，溫度降低;相反，在下面的接頭處，電流是從p型半導體流向n型半導體，釋放能量，形成熱端，溫度升高。

把若干對p型半導體與n型半導體元件按如圖1所示的方式串聯起來，然后與直流電源、散熱器等元器件串聯起來，就構成了一個半導體制冷器。按圖示方式接通直流電源后，該熱電堆的上端就是冷端，將起到放置在需要降溫的場合，就可以達到制冷的目的，同時要將其熱端與散熱器相連接，不斷將產生的熱量發(fā)散出去，才可以使冷端不斷制冷，這就是半導體制冷的工作原理。

2.2 半導體制冷器件

半導體制冷片可分為單級半導體制冷片和多級半導體制冷片。單級半導體制冷片指的是只有一個熱面和一個冷面的單層溫差電制冷組件。為了獲得更大溫差或者更大性能系數，將上一級溫差電制冷組件的熱端與下一級溫差電制冷組件的冷端熱禍合，如此疊加形成的多層次的組件被稱為多級半導體制冷片。

熱電制冷又被稱為半導體制冷或溫差電制冷，它建立在熱電效應的基礎上，是一種通過直流電制冷的新型制冷方式，具有輕巧、無噪音、無污染的優(yōu)點。但其制冷效率相對于另兩種制冷方式較低，對半導體制冷箱的研究就是要研究如何提高半導體材料的制冷效率。圖2為TEC半導體制冷片，外部尺寸為40×40×3.75mm，內部阻值2.1～2.4 Ω，額定電壓12 v，制冷功率約60 w，最大溫差67℃以上，四周標準704硅橡膠密封。圖3為半導體制冷片示意圖，電源正接，半導體上標記型號字的一面為制冷端，另一面為散熱端。電源反接，則冷熱端互換。鑒于以上特點，最終TEC系列半導體制冷片被選作溫控箱的溫控源。

半導體制冷過程中熱端散熱的效果將直接影響半導體的制冷效率，如果熱端溫度不能及時的降下來，則勢必會將熱量傳給冷端，進而使冷端的制冷效果降低，只有使熱端的熱量及時轉移，冷端才能持續(xù)制冷。然而能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，它只能被轉移不能被消滅。要使冷端持續(xù)制冷則需要對熱端選擇最優(yōu)的散熱方式。

2.3 半導體制冷片熱端散熱方式

水冷散熱系統(tǒng)[6][7]通過水流來帶走需要揮散掉的熱量，水冷散熱器的散熱原理[8]是通過多條水道中的水流從進水口進入散熱系統(tǒng)中再從出水口流出帶走熱量從而達到散熱的目的。水冷散熱系統(tǒng)的構成較為簡單，利用水作為散熱介質，該介質容易獲得可循環(huán)利用且對環(huán)境無污染?？梢酝ㄟ^增加水道數量的方式提高散熱能力，是一種較為實用的散熱方式。半導體制冷系統(tǒng)的水冷散熱就是在半導體制冷器的熱端連接一個冷卻水箱，通過冷卻水管中的水把熱端的熱量不斷帶走，散熱原理如圖4所示。這種方法的效率很高，其換熱系數比空氣自然對流散熱大約一百倍，因此冷卻效果很好，散熱器的尺寸也大大縮小。

水冷散熱器一般通過泵和散熱器來形成循環(huán)回路，也有將水箱分隔成若干個流道并插上翅片增加散熱器與器壁之間的換熱系數的。水冷散熱換熱效果較好，但對水質要求比較高，如果水冷表面結垢，傳熱性能會下降。

我們選擇半導體水冷散熱方式作為溫控箱的溫控核心，因為采用水冷散熱方式，通過泵和冷卻水管不斷的將熱量帶走。水冷散熱方式是所有散熱方式中散熱效率最高的一個，水冷散熱的熱交換系數比自然對流大100-1000倍，溫控箱半導體片熱端采用密集多腔道熱交換器，既提高了散熱效率又減小散熱器的面積。

2.4 制冷原理驗證

為了驗證所選制冷方式的可行性，我們利用必要的器材搭建了一個簡易溫控箱實驗平臺，如圖5所示。此實驗平臺利用一片TEC半導體制冷片在室溫25。C環(huán)境下對所設置的沒有絕熱條件下的模擬儲藏室區(qū)域進行制冷，其中，利用隔膜泵對模擬儲藏室區(qū)域進行強制空氣對流，同時利用臺式測溫器XH-LF162和手持式數字溫度計apuhuaTM-902（-50～1300℃）對半導體制冷片冷端和模擬成型室區(qū)域分別進行溫度測量，在7分鐘左右時各自溫度分別是1.2℃和2.8℃，如圖6、圖7所示。

從圖6圖7我們可知，半導體制冷片冷端為1.2℃，模擬儲藏室區(qū)域的溫度為2.8℃。二者在10分鐘內達到了良好的制冷效果，使得模擬儲藏室區(qū)域溫度較環(huán)境溫度下降了22.2℃。這說明我們的制冷片的選擇以及散熱方式的選擇是合理可行的。但是我們也看到制冷片冷端的溫度為1.2℃并沒有達到結霜溫度。這可能是因為半導體片、熱交換器以及模擬儲藏室之間貼合不夠緊密，硅脂涂抹不均勻。模擬儲藏室區(qū)域的溫度為2.8℃，較半導體制冷片冷端有差異。這是因為我們沒有對模擬儲藏室進行良好的絕熱處理。模擬儲藏室采用噴漆鋁板搭建，在未進行絕熱處理時與室溫環(huán)境存在熱交換，從而導致模擬儲藏室的溫度高于制冷片冷端溫度。

3 半導體制冷仿真

從以上對半導體熱電制冷的研究來看，半導體熱電制冷理論研究基本成熟，但大多實驗選取溫控箱內幾個點進行溫度測量并取平均值。例如在蔣穎[9]等人做的實驗中，探討了環(huán)境溫度、熱端強制對流散熱、自然對流散熱對熱端、冷端、恒溫箱內溫度的影響。實驗中，采用經過標定的熱電偶測量冷端溫度、熱端溫度、恒溫箱內的空氣溫度。冷、熱端的溫度測點設在各自肋片的中間位置。在遠離擾流風扇的方向，選取箱體長度的50%、67%的位置作為箱內溫度的測點，取平均值。如圖8可知各測點溫度隨時間的變化，A.Gangopadhyay等人[10]統(tǒng)辨識的方法，通過試驗估測系統(tǒng)的參數，認為可以通過建立高階模型、改變激勵方式、減少采樣間隔等方法進一步提高參數辨識的精度。但是對于實際應用中我們期望溫控箱內溫度變化均勻同步，來確保散熱、制冷和恒溫的效果最優(yōu)。

為實現溫控箱內區(qū)域溫度均勻無差異，且能迅速響應半導體片的溫度切換，我們需要進行進一步完善和仿真。在考慮溫控箱儲藏室尺寸時，我們以容易購買到的鋁板外形尺寸作為儲藏室尺寸依據，并考慮被儲藏物品的普遍實際大小，最終我們選定尺寸為200×156×200 mm的方形儲藏室。為了進一步驗證在絕熱條件優(yōu)良時溫控箱儲藏室的溫度變化情況，我們利用COMSOL Multiphysics軟件庫中的傳熱模塊進行仿真。首先，利用comsol自帶繪圖命令繪制儲藏室的三維模型，我們選擇兩塊同型號TEC制冷片對稱放置，藍色區(qū)域為其中一塊制冷片安裝位置，如圖9。

為了提高計算速度，我們以模型的一個對稱面將該模型分割為各自包含一個半導體片的1/2模型進行計算處理，如圖10所示。

之后我們定義系統(tǒng)的應用模式為由薄層和殼體組成的結構中的傳熱膜式，規(guī)定系統(tǒng)屬性為傳熱時變系統(tǒng)，半導體片安裝面設置為恒溫0℃，其余表面的邊界條件設定為絕熱，假定初始環(huán)境溫度為25℃。自動生成有限元網格，如圖11所示。

為了驗證擾流風扇存在的必要性，在進行結構設計前需要對這個影響因素進行仿真分析，我們追蹤1/2模型中離半導體片冷端較遠的一個紅色節(jié)點，坐標（90，78，100），如圖12所示。設定無擾流風扇仿真時間為7000 s，有擾流風扇仿真時間為3500 s，分別計算兩種情況下同一截點的溫度T隨時間t變化的曲線圖和溫度切片圖，其仿真分析結果如圖13和圖14所示。

圖13（a）（b）分別是在沒有加入擾流風扇和加入擾流風扇時儲藏室溫度隨時間變化的曲線圖。在無擾流風扇（a）圖中，時間從0至3000 s期間溫度有較大下降趨勢，3000 s以后，溫度下降緩慢，溫度從室溫25℃降至所設定的0℃大約需要6000 s。在有擾流風扇（b）圖中，時間從0至1000 s期間溫度有較大下降趨勢，1000 s以后，溫度下降緩慢，溫度從室溫25℃降至所設定的0℃大約僅需要1500 s。

圖14（a）（b）（c）分別是截點在t=1000 s、t=3000 s和t=5000 s時無擾流風扇條件下的溫度切片，（D（e）①分別是同一截點在t=500 s、t=1000 s和t=1500 s時有擾流風扇條件下的溫度切片。（a）（d）兩圖分別表示在無擾流風扇和有擾流風扇條件時溫度下降至280 k所用時間分別為1000 s和500 s。（b）（e）兩圖分別表示在無擾流風扇和有擾流風扇條件時溫度下降至274.5 k所用時間分別為3000 s和1000 s。（c）（D兩圖分別表示在無擾流風扇和有擾流風扇條件時溫度下降至273.5k所用時間分別為5000 s和1500 s。綜上，可以看出在擾流風扇的幫助下，儲藏室的溫度能較沒有擾流風扇下降更快，并且通過觀察溫度切片圖我們可以發(fā)現沒有擾流風扇時背離半導體片冷端的直線上，溫度是呈梯度變化的，這不利于溫控箱的恒溫控制。而在有擾流風扇時，三個時間點的溫度切片沒有梯度變化，整個儲藏室可視為同步降溫，這對于溫控箱恒溫控制十分重要。因此，擾流風扇的存在是十分必要的。

溫控箱的理想狀態(tài)即要實現儲藏室區(qū)域內溫度相同且同步變化，為此我們對有擾流風扇條件下的儲藏室為模型，假定環(huán)境溫度為25℃，對垂直于半導體片冷端的一條直線上的不同位置進行溫度追蹤，追蹤的直線如圖14 （a）所示。并分析各位置在400 s、800 s、1200 s、1600 s、2000 s五個時間點追蹤直線上的溫度情況，結果如圖14 （b）所示。

從圖14 （b）可以看出，在距離制冷片0至15mm范圍內直線的各點處，溫度在五個時間點處是線性變化狀態(tài);在距離制冷片15至100 mm范圍內直線的各點處，溫度在五個時間點處是恒溫狀態(tài)。這是由于擾流風扇的存在使的該區(qū)域內空氣不斷均勻對流從而溫度恒定。由此可知，在距離儲藏室壁大約15 mm的三維空間內形成了一個恒溫同步變化控制區(qū)，如圖15所示。

通過半導體片冷端自然對流和強制對流溫度場的對比分析和溫控箱儲藏室區(qū)域同步溫控分析，我們選擇采用雙半導體制冷片對稱放置，并采用擾流風扇強制熱交換。

4 結論

選取TEC-12706半導體制冷片對半導體制冷原理進行驗證實驗，證明制冷片的選擇以及散熱方式的選擇是合理可行的。對溫控箱的理想狀態(tài)即要實現儲藏室區(qū)域內溫度相同且同步變化進行精確設計，對溫控箱的溫度及速率等各種參數能夠實時精確控制進行了仿真實驗。從而為接下來對進一步微型半導體溫控箱箱體設計做出準備。

參考文獻

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