摘要  介紹了半導體熱電制冷的研究現(xiàn)狀。設(shè)計了小型半導體恒溫箱，對其結(jié)構(gòu)進行了分析，建立了小型半導體恒溫箱測試系統(tǒng)。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(nèi)溫度的影響。分析了穩(wěn)定工況下，對半導體芯片施加不同電壓時，冷端溫度及電功率變化。環(huán)境溫度越低，熱端采用強制對流散熱時冷端的溫度越低。當處于穩(wěn)定工況時，施加的電壓增大到一定值后，即使電壓繼續(xù)增大，冷端溫度的變化也不明顯。應(yīng)在盡可能控制耗電量的前提下，選擇最佳電壓。<?xml:namespace prefix = "o" />

關(guān)鍵詞：  半導體熱電制冷；  恒溫箱；  半導體芯片；  熱端；  冷端；  最優(yōu)電壓

Experimental Research on Refrigeration Performance of Small Semiconductor Thermostat

Abstract：The research situation of semiconductor thermoelectric refrigeration is introduced．A small semiconductor thermostat is designed，its structure is analyzed，and the testing system of the thermostat is built．The influences of environmental temperature，forced convection heat dissipation and natural convection heat dissipation on temperatures at the heat end，cold end and inside the thermostat are discussed．The changes of the cold end temperature and the power are analyzed when applying different voltages to the semiconductor chip under the stable condition．When the environmental temperature is low，and the forced convection heat dissipation is used at the heat end ,the temperature at the cold end is low．When the applied voltage is increased to a certain extent under the stable condition，the temperature at the cold end does not change obviously even if the voltage is increased．The optimum voltage should be selected based on controlling the power consumption．

Key words： semiconductor thermoelectric refrigeration；thermostat；  semiconductor chip；heat end；  cold end；  optimum voltage

1概述

半導體熱電制冷自20世紀60年代發(fā)明以來，便備受關(guān)注。它具有體積小、質(zhì)量輕、無噪聲、無污染、壽命長、可靠性高、易于高精度恒溫控制及熱慣性小等優(yōu)點^[1-5]，因此被應(yīng)用于科研、軍事、航空航天、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療衛(wèi)生等許多領(lǐng)域^[6]。

國內(nèi)外專家對半導體熱電制冷技術(shù)展開了大量的研究。在半導體熱電制冷過程的非穩(wěn)態(tài)研究方面：P.J.Taylor等人^[7]建立了半導體熱電制冷非穩(wěn)態(tài)工況下的溫度場模型。殷亮等人^[8-9]對熱電效應(yīng)溫度場變化和非穩(wěn)態(tài)傳熱方程進行數(shù)值求解，并提出了目標控制法的數(shù)值調(diào)節(jié)。李茂德等人^[10]對非穩(wěn)態(tài)熱電制冷過程理論及應(yīng)用進行了深入研究和分析。

在半導體熱電制冷機理的研究方面：吳麗清等人^[11]認為湯姆遜效應(yīng)在實際熱電循環(huán)中是不能被輕易忽視的，并從平衡態(tài)熱力學理論出發(fā)建立了包含3種熱電效應(yīng)相互作用的模型。

在半導體熱電制冷理論的研究方面：楊玉順等人^[12]從理論上分析了如何獲得最大制冷系數(shù)、最大制冷溫差和最大制冷量，并給出了兩種不同設(shè)計方法的最佳特性參數(shù)選擇的原則。J.C.Stoclcholm等人^[13]通過建立數(shù)學模型，從熱力學和傳熱學角度對半導體熱電制冷過程進行了深入的理論討論，并研究了電流、空氣流量、熱電材料厚度及特性對制冷性能的影響。樂偉等人^[14]對熱電堆的非穩(wěn)態(tài)溫度場進行數(shù)值模擬，利用數(shù)值模擬的方法求得了以最短的時間穩(wěn)定冷端溫度所需的調(diào)節(jié)電壓。A．Gangopadhyay等人^[15]利用系統(tǒng)辨識的方法，通過試驗估測系統(tǒng)的參數(shù)，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(shù)辨識的精度。

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，但較少涉及半導體熱電制冷優(yōu)化控制方面的試驗研究。本文以小型半導體恒溫箱作為試驗對象，對影響半導體熱電制冷性能的因素進行研究。

2試驗系統(tǒng)

①小型半導體恒溫箱的設(shè)計

小型半導體恒溫箱(以下簡稱恒溫箱)主要由箱體、半導體芯片、冷熱端散熱肋片組成，主剖面結(jié)構(gòu)見圖1，試驗恒溫箱裝置布置見圖2。恒溫箱的內(nèi)部空間尺寸為長<?xml:namespace prefix = "st1" />280 mm、寬l50 mm、高l60 mm。箱體絕熱層太薄則絕熱效果不好，易導致耗電量增加；絕熱層太厚，在保證容積的前提下，易降低恒溫箱的便攜性。綜合考慮絕熱性能和成本，試驗恒溫箱采用0.5 cm厚聚氨酯泡沫塑料作為絕熱材料，外面貼一層l cm厚的白色橡膠。在箱體壁面開孔安裝半導體芯片，冷端散熱肋片、擾流風扇置于箱體內(nèi)部，熱端散熱肋片、散熱風扇置于箱體外部。

試驗選用的半導體芯片為TECL-12705型，最大制冷能力為41 W，冷熱端溫差為30～67 K。冷端散熱肋片寬×高為40 mm×40 mm，數(shù)量為6片，熱端散熱肋片寬×高為120 mm×40 mm，數(shù)量為10片。擾流風扇、散熱風扇均選用l2 V、5.2 W的直流軸流風扇。半導體芯片、散熱風扇、擾流風扇分別采用交流變直流電源供電，電壓調(diào)節(jié)范圍為0～15V。試驗時，散熱風扇、擾流風扇的工作電壓保持15V。

②測量裝置

采用電流表、電壓表對半導體芯片的電流、電壓進行測量，根據(jù)測量結(jié)果計算電功率。采用經(jīng)過標定的熱電偶測量冷端溫度、熱端溫度、恒溫箱內(nèi)的空氣溫度(以下簡稱箱內(nèi)溫度)。冷、熱端的溫度測點設(shè)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(nèi)溫度的測點，取平均值。熱電偶與數(shù)據(jù)采集儀連接，實現(xiàn)采集測量數(shù)據(jù)。在靠近恒溫箱處懸掛標準水銀溫度計測量環(huán)境溫度，環(huán)境溫度由空調(diào)設(shè)備控制。

3試驗方案

啟動恒溫箱內(nèi)擾流風扇，使箱體內(nèi)的空氣充分混合，并開啟數(shù)據(jù)采集儀。當箱內(nèi)溫度穩(wěn)定后，啟動電源。電源啟動后，每隔5 min記錄各測點溫度、工作電壓、工作電流。

方案l：保持工作電壓為l2 V，散熱風扇運行，在正常環(huán)境溫度下，測量各測點溫度，直至冷端溫度、箱內(nèi)溫度穩(wěn)定為止。然后降低環(huán)境溫度，并記錄各測點溫度。

方案2：保持工作電壓為l2 V，環(huán)境溫度控制在28℃左右時，分別測量散熱風扇運行、停運情況下各測點溫度。

方案3：環(huán)境溫度控制在26℃，散熱風扇運行，調(diào)節(jié)工作電壓(6～12 V)，記錄各測點溫度、工作電流。

4試驗結(jié)果及分析

①方案1

方案l各測點溫度隨時問的變化見圖3。由圖3可知，在前35 min，熱端溫度快速升高，經(jīng)過l5min升高到43．2℃，之后保持在42℃左右。在這一時間段，冷端溫度急劇下降，經(jīng)過25 min溫度降至0℃左右。箱內(nèi)溫度在30 min時降至25.6℃,30～35 min保持在25.5℃左右，這說明半導體熱電制冷系統(tǒng)已處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。在35 min打開率調(diào)設(shè)備(設(shè)定溫度為20℃)，隨著環(huán)境溫度的降低，熱端溫度開始下降，冷端溫度、箱內(nèi)溫度也隨著下降。可以認為35～50 min為過渡期，50 min后，各測點的溫度又處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。由于環(huán)境溫度的降低，其他各測點溫度明顯降低>由此可知環(huán)境溫度對半導體熱電制冷效果影響顯著。

②方案2

方案2各測點溫度隨時間的變化見圖4。在前50 min內(nèi)，散熱風扇保持運行狀態(tài)。在前10 min

內(nèi)，箱內(nèi)溫度、冷端溫度快速下降，熱端溫度快速上升。在10～50 min時，各測點溫度基本不變。50min后，散熱風扇停止運行，熱端溫度、冷端溫度隨著運行時問快速上升。在70 min時，冷端溫度接近箱內(nèi)溫度。因此，熱端的散熱效果對半導體熱電制冷效果的影響顯著，加強熱端的散熱，有利于增強制冷效果。

③方案3

方案3冷端溫度隨時問的變化見圖5。由圖5可知，對于不同工作電壓，前16 min，冷端溫度下降明顯，且均降至0℃以下。l6～30 min冷端溫度下降緩慢。不同工作電壓下，冷端溫度存在一定的差別。

當系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)下(即運行時間大于16min)，不同工作電壓下各項實測數(shù)據(jù)平均值見表1。

由表l可知，工作電壓在6～10 V范圍內(nèi)，隨著工作電壓的增大，冷端平均溫度明顯減低。當工作電壓在10～12 V范圍內(nèi)，即使工作電壓繼續(xù)增大，冷端平均溫度變化也不大，但平均電功率快速增加。因此，在半導體熱電制冷控制中，并不是工作電壓越大，制冷效果越好，應(yīng)在盡可能降低耗電量的前提下，選擇最佳的工作電壓。

5結(jié)論

①環(huán)境溫度、熱端散熱效果對半導體熱電制冷性能的影響顯著。

②并不是工作電壓越大，制冷效果越好，應(yīng)在盡可能降低耗電量的前提下，選擇最佳的工作電壓。

參考文獻：

[1] 鄭大宇，顏濤，劉衛(wèi)黨，等．基于半導體制冷的小型制冷系統(tǒng)研究[J]．制冷與空調(diào)，2011，25(5)：425-428．

[2] 呂玉坤，李艷奇．半導體制冷在投影儀散熱中的應(yīng)用展望[J]．微型機與應(yīng)用，2010(1)：1-2．

[3] 劉昆，符影杰，洪俊明．半導體制冷溫度控制算法的實驗研究[J]．工業(yè)儀表與自動化裝置，2010(1)：55-57、80．

[4] 王衍金，羅清海，熊軍，等．熱電制冷器冷熱端傳熱特性分析[J]．煤氣與熱力，2011，31(1)：A04-A08．

[5] 張泠，徐敏，劉忠兵，等．熱電熱泵相變蓄熱裝置原理及性能實驗[J]．煤氣與熱力，2010，30(12)：A07-A10．

[6] 唐春暉．半導體制冷——21世紀的綠色“冷源”[J]．半導體技術(shù)，2005，30(5)：32-34．

[7] TAYLOR P J，JESSER W A，ROSI F D．et al．A model for the non-steady-state temperature behavior of thermoelectric cooling semiconductor devices[J]．Semiconductor Science and Technology，1997(12)：443-447．

[8] 殷亮，李茂德，何文莉．半導體制冷系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)溫度工況的模型及實驗分析[J]．能源技術(shù)，2004，25(1)：5-9．

[9] 殷亮，李茂德．熱電制冷系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)溫度場數(shù)值模擬及其冷端溫度的分析[J]．低溫工程，2003(6)：54-60．

[10] 李茂德，殷亮，樂偉，等．半導體制冷系統(tǒng)電極非穩(wěn)態(tài)溫度場的數(shù)值分析[J]．同濟大學學報：自然科學版，2004，32(6)：767-770、810．

[11] 吳麗清，陳金燦，嚴子浚．湯姆遜效應(yīng)對半導體制冷器性能的影響[J]．半導體學報，1997，18(6)：448-453．

[12] 楊玉順，王國慶．熱電制冷循環(huán)最佳特性分析[J]．哈爾濱工業(yè)大學學報，l990(8)：50-59．

[13] STOCLCHOLM J C，BUFFET J P．Large gas to gas thermoelectric heat pumps[C]//Proceedings of the 3 rd International Conference on Thermoelectric Energy Conversion．Texas：IEEE，1980：120-I25．

[14] 樂偉，李茂德，殷亮．半導體制冷系統(tǒng)的適應(yīng)性調(diào)節(jié)[J]．華北電力大學學報，2005，32(2)：108-112．

[15] GANGOPADHYAY A，MECKL P H．Extracting physical parameters from system identification of a natural gas engine[J]．IEEE Transactions on Control Systems Technology，2001(3)：425-434．

本文作者：蔣穎 方趙嵩 蔡偉光 梁斯麒

作者單位：重慶大學建設(shè)管理與房地產(chǎn)學院  重慶大學城市建設(shè)與環(huán)境工程學院  廣州市輕工高級技工學校