本文摘要：摘 要：基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)，針對(duì)航天、軍事、醫(yī)療、生物制品、車(chē)載等特殊有限工作空間的獨(dú)特需求，設(shè)計(jì)了體積
摘 要：基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)，針對(duì)航天、軍事、醫(yī)療、生物制品、車(chē)載等特殊有限工作空間的獨(dú)特需求，設(shè)計(jì)了體積小、成本低、性能高、結(jié)構(gòu)合理緊湊、功耗低且節(jié)能環(huán)保的微型半導(dǎo)體溫控箱箱體，并對(duì)溫控箱的溫度及變化速率等各種參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)精確控制，為高性能生物制劑、功能材料等的實(shí)驗(yàn)室制備方法以及性能研究提供技術(shù)支撐。本文選用 TEC-12706 半導(dǎo)體制冷片并進(jìn)行了半導(dǎo)體制冷原理進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。半導(dǎo)體恒溫箱采用強(qiáng)制對(duì)流方式，提高了儲(chǔ)藏室空氣之間的熱交換率，由此在距離儲(chǔ)藏室內(nèi)膽一定距離的三維空間區(qū)域形成一個(gè)恒溫控制區(qū)，該區(qū)域內(nèi)溫度均勻無(wú)差異，且能迅速響應(yīng)半導(dǎo)體片的溫度切換。仿真表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高、可靠性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷;恒溫控制;強(qiáng)制對(duì)流;熱交換;
1 引 言
近年來(lái)，隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)生活環(huán)境要求的提高，國(guó)內(nèi)外對(duì)于測(cè)溫系統(tǒng)的研究越來(lái)越深入，恒溫箱被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、智能家居、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天科研等領(lǐng)域[1-2]。半導(dǎo)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(yīng)”的逆效應(yīng)—“珀?duì)柼?yīng)”進(jìn)行制冷[3]。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作環(huán)境要求很低、無(wú)制冷工質(zhì)、無(wú)機(jī)械部件、無(wú)振動(dòng)、可做到很長(zhǎng)壽命，制冷迅速，而且交換電流方向即可實(shí)現(xiàn)制冷或制熱，調(diào)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(duì)的排布方式，就可滿(mǎn)足各種不同需要，制成大到千瓦級(jí)的空調(diào)，小到冷卻紅外探測(cè)器件的毫瓦級(jí)的微型制冷器。
半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)在不同的應(yīng)用場(chǎng)合、不同的散熱條件下其最佳工作參數(shù)是不同的。如何確定一定條件下半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的最佳工作參數(shù)，是目前半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，也是影響半導(dǎo)體制冷推廣應(yīng)用的因素之一。半導(dǎo)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(duì)半導(dǎo)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
因?yàn)閮?nèi)膽與空氣對(duì)流換熱，所以在半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)箱體內(nèi)的溫度是不均勻分布的，離冷端越遠(yuǎn)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(duì)半導(dǎo)體恒溫箱內(nèi)的溫度及速率等進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)恒溫箱的溫度同步變化的解決方法和仿真實(shí)驗(yàn)。
2 半導(dǎo)體制冷原理驗(yàn)證
2.1 半導(dǎo)體制冷原理
半導(dǎo)體制冷[4]就是帕爾貼效應(yīng)在半導(dǎo)體材料上的成功應(yīng)用，半導(dǎo)體有 n 型半導(dǎo)體和 p 型半導(dǎo)體之分，n 型半導(dǎo)體含有多余的電子，因此含有負(fù)溫差電勢(shì)，而 p 型半導(dǎo)體中電子不足，有多余的空穴，因此含有正的溫差電勢(shì)，把一只 n 型半導(dǎo)體元件和一只 p 型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成為一個(gè)熱電偶，形成一個(gè) P-N 結(jié)，當(dāng)有直流電通過(guò)這個(gè) P-N 結(jié)時(shí)，由于溫差電勢(shì)的存在，就會(huì)產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，也就是在結(jié)點(diǎn)處，會(huì)和外界環(huán)境進(jìn)行能量的交換。
半導(dǎo)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(dǎo)體流向 p 型半導(dǎo)體，也就是由負(fù)溫差電勢(shì)流向正溫差電勢(shì)，由低能級(jí)流向高能級(jí)，就會(huì)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(dǎo)體流向 n 型半導(dǎo)體，釋放能量，形成熱端，溫度升高。
把若干對(duì) p 型半導(dǎo)體與 n 型半導(dǎo)體元件按如圖 1 所示的方式串聯(lián)起來(lái)，然后與直流電源、散熱器等元器件串聯(lián)起來(lái)，就構(gòu)成了一個(gè)半導(dǎo)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(chǎng)合，就可以達(dá)到制冷的目的，同時(shí)要將其熱端與散熱器相連接，不斷將產(chǎn)生的熱量發(fā)散出去，才可以使冷端不斷制冷，這就是半導(dǎo)體制冷的工作原理。
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2.2 半導(dǎo)體制冷器件
半導(dǎo)體制冷片可分為單級(jí)半導(dǎo)體制冷片和多級(jí)半導(dǎo)體制冷片。單級(jí)半導(dǎo)體制冷片指的是只有一個(gè)熱面和一個(gè)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(shù)，將上一級(jí)溫差電制冷組件的熱端與下一級(jí)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(chēng)為多級(jí)半導(dǎo)體制冷片。
熱電制冷又被稱(chēng)為半導(dǎo)體制冷或溫差電制冷，它建立在熱電效應(yīng)的基礎(chǔ)上，是一種通過(guò)直流電制冷的新型制冷方式，具有輕巧、無(wú)噪音、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)。但其制冷效率相對(duì)于另兩種制冷方式較低，對(duì)半導(dǎo)體制冷箱的研究就是要研究如何提高半導(dǎo)體材料的制冷效率。圖 2 為 TEC 半導(dǎo)體制冷片，外部尺寸為 40 × 40 × 3.75mm，內(nèi)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(biāo)準(zhǔn) 704 硅橡膠密封。圖 3 為半導(dǎo)體制冷片示意圖，電源正接，半導(dǎo)體上標(biāo)記型號(hào)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(diǎn)，最終 TEC 系列半導(dǎo)體制冷片被選作溫控箱的溫控源。
半導(dǎo)體制冷過(guò)程中熱端散熱的效果將直接影響半導(dǎo)體的制冷效率，如果熱端溫度不能及時(shí)的降下來(lái)，則勢(shì)必會(huì)將熱量傳給冷端，進(jìn)而使冷端的制冷效果降低，只有使熱端的熱量及時(shí)轉(zhuǎn)移，冷端才能持續(xù)制冷。然而能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能被轉(zhuǎn)移不能被消滅。要使冷端持續(xù)制冷則需要對(duì)熱端選擇最優(yōu)的散熱方式。
2.3 半導(dǎo)體制冷片熱端散熱方式
水冷散熱系統(tǒng)[6] [7]通過(guò)水流來(lái)帶走需要揮散掉的熱量，水冷散熱器的散熱原理[8]是通過(guò)多條水道中的水流從進(jìn)水口進(jìn)入散熱系統(tǒng)中再?gòu)某鏊诹鞒鰩ё邿崃繌亩_(dá)到散熱的目的。水冷散熱系統(tǒng)的構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，利用水作為散熱介質(zhì)，該介質(zhì)容易獲得可循環(huán)利用且對(duì)環(huán)境無(wú)污染�？梢酝ㄟ^(guò)增加水道數(shù)量的方式提高散熱能力，是一種較為實(shí)用的散熱方式。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的水冷散熱就是在半導(dǎo)體制冷器的熱端連接一個(gè)冷卻水箱，通過(guò)冷卻水管中的水把熱端的熱量不斷帶走，散熱原理。這種方法的效率很高，其換熱系數(shù)比空氣自然對(duì)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。
水冷散熱原理水冷散熱器一般通過(guò)泵和散熱器來(lái)形成循環(huán)回路，也有將水箱分隔成若干個(gè)流道并插上翅片增加散熱器與器壁之間的換熱系數(shù)的。水冷散熱換熱效果較好，但對(duì)水質(zhì)要求比較高，如果水冷表面結(jié)垢，傳熱性能會(huì)下降。我們選擇半導(dǎo)體水冷散熱方式作為溫控箱的溫控核心，因?yàn)椴捎盟渖岱绞�，通過(guò)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(gè)，水冷散熱的熱交換系數(shù)比自然對(duì)流大 100-1000 倍，溫控箱半導(dǎo)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(yàn)證
為了驗(yàn)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(gè)簡(jiǎn)易溫控箱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用一片 TEC 半導(dǎo)體制冷片在室溫 25℃環(huán)境下對(duì)所設(shè)置的沒(méi)有絕熱條件下的模擬儲(chǔ)藏室區(qū)域進(jìn)行制冷，其中，利用隔膜泵對(duì)模擬儲(chǔ)藏室區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)制空氣對(duì)流，同時(shí)利用臺(tái)式測(cè)溫器 XH-LF162 和手持式數(shù)字溫度計(jì) apuhuaTM-902 (-50 ~ 1300 ℃) 對(duì)半導(dǎo)體制冷片冷端和模擬成型室區(qū)域分別進(jìn)行溫度測(cè)量，在7 分鐘左右時(shí)各自溫度分別是 1.2 ℃和 2.8 ℃。
3半導(dǎo)體制冷仿真
從以上對(duì)半導(dǎo)體熱電制冷的研究來(lái)看，半導(dǎo)體熱電制冷理論研究基本成熟，但大多實(shí)驗(yàn)選取溫控箱內(nèi)幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量并取平均值。例如在蔣穎[9]等人做的實(shí)驗(yàn)中，探討了環(huán)境溫度、熱端強(qiáng)制對(duì)流散熱、自然對(duì)流散熱對(duì)熱端、冷端、恒溫箱內(nèi)溫度的影響。實(shí)驗(yàn)中，采用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的熱電偶測(cè)量冷端溫度、熱端溫度、恒溫箱內(nèi)的空氣溫度。冷、熱端的溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)在各自肋片的中間位置。在遠(yuǎn)離擾流風(fēng)扇的方向，選取箱體長(zhǎng)度的 50% 、67% 的位置作為箱內(nèi)溫度的測(cè)點(diǎn)，取平均值。如圖 8 可知各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化，A.Gangopadhyay 等人[10]統(tǒng)辨識(shí)的方法，通過(guò)試驗(yàn)估測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)，認(rèn)為可以通過(guò)建立高階模型、改變激勵(lì)方式、減少采樣間隔等方法進(jìn)一步提高參數(shù)辨識(shí)的精度。但是對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中我們期望溫控箱內(nèi)溫度變化均勻同步，來(lái)確保散熱、制冷和恒溫的效果最優(yōu)。
為實(shí)現(xiàn)溫控箱內(nèi)區(qū)域溫度均勻無(wú)差異，且能迅速響應(yīng)半導(dǎo)體片的溫度切換，我們需要進(jìn)行進(jìn)一步完善和仿真。在考慮溫控箱儲(chǔ)藏室尺寸時(shí)，我們以容易購(gòu)買(mǎi)到的鋁板外形尺寸作為儲(chǔ)藏室尺寸依據(jù)，并考慮被儲(chǔ)藏物品的普遍實(shí)際大小，最終我們選定尺寸為 200 × 156 × 200 mm 的方形儲(chǔ)藏室。為了進(jìn)一步驗(yàn)證在絕熱條件優(yōu)良時(shí)溫控箱儲(chǔ)藏室的溫度變化情況，我們利用 COMSOL Multiphysics 軟件庫(kù)中的傳熱模塊進(jìn)行仿真。首先，利用 comsol 自帶繪圖命令繪制儲(chǔ)藏室的三維模型，我們選擇兩塊同型號(hào) TEC 制冷片對(duì)稱(chēng)放置，藍(lán)色區(qū)域?yàn)槠渲幸粔K制冷片安裝位置。
為了提高計(jì)算速度，我們以模型的一個(gè)對(duì)稱(chēng)面將該模型分割為各自包含一個(gè)半導(dǎo)體片的 1/2 模型進(jìn)行計(jì)算處理。之后我們定義系統(tǒng)的應(yīng)用模式為由薄層和殼體組成的結(jié)構(gòu)中的傳熱膜式，規(guī)定系統(tǒng)屬性為傳熱時(shí)變系統(tǒng)，半導(dǎo)體片安裝面設(shè)置為恒溫 0 ℃，其余表面的邊界條件設(shè)定為絕熱，假定初始環(huán)境溫度為 25℃。
通過(guò)半導(dǎo)體片冷端自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流溫度場(chǎng)的對(duì)比分析和溫控箱儲(chǔ)藏室區(qū)域同步溫控分析，我們選擇采用雙半導(dǎo)體制冷片對(duì)稱(chēng)放置，并采用擾流風(fēng)扇強(qiáng)制熱交換。恒溫控制區(qū) 儲(chǔ)藏室圖 15 恒溫同步變化控制區(qū) 4 結(jié) 論選取 TEC-12706 半導(dǎo)體制冷片對(duì)半導(dǎo)體制冷原理進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明制冷片的選擇以及散熱方式的選擇是合理可行的。對(duì)溫控箱的理想狀態(tài)即要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)藏室區(qū)域內(nèi)溫度相同且同步變化進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，對(duì)溫控箱的溫度及速率等各種參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)精確控制進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。從而為接下來(lái)對(duì)進(jìn)一步微型半導(dǎo)體溫控箱箱體設(shè)計(jì)做出準(zhǔn)備。
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