基于半導體制冷技術的恒溫控制仿真

　　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(jié)構(gòu)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(shù)能夠?qū)崟r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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)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;

　　1 引 言

　　近年來，隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術的發(fā)展及人們對生活環(huán)境要求的提高，國內(nèi)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、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—“珀爾帖效應”進行制冷[3]。其結(jié)構(gòu)簡單、工作環(huán)境要求很低、無制冷工質(zhì)、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(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(diào)，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(shù)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(shù)，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(nèi)膽與空氣對流換熱，所以在半導體制冷系統(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(nèi)的溫度及速率等進行仿真，實現(xiàn)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(lián)結(jié)成為一個熱電偶，形成一個 P-N 結(jié)，當有直流電通過這個 P-N 結(jié)時，由于溫差電勢的存在，就會產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，也就是在結(jié)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(lián)起來，然后與直流電源、散熱器等元器件串聯(lián)起來，就構(gòu)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(chǎn)生的熱量發(fā)散出去，才可以使冷端不斷制冷，這就是半導體制冷的工作原理。

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　　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(shù)，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(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(zhuǎn)移，冷端才能持續(xù)制冷。然而能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，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(gòu)成較為簡單，利用水作為散熱介質(zhì)，該介質(zhì)容易獲得可循環(huán)利用且對環(huán)境無污染�？梢酝ㄟ^增加水道數(shù)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。這種方法的效率很高，其換熱系數(shù)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。

　　水冷散熱原理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(shù)的。水冷散熱換熱效果較好，但對水質(zhì)要求比較高，如果水冷表面結(jié)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(shù)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。此實驗平臺利用一片 TEC 半導體制冷片在室溫 25℃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(shù)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 ℃。

　　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(nèi)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(nèi)溫度的影響。實驗中，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。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(nèi)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(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。但是對于實際應用中我們期望溫控箱內(nèi)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(xiàn)溫控箱內(nèi)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(jù)，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。

　　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。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(jié)構(gòu)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℃。

　　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。恒溫控制區(qū) 儲藏室圖 15 恒溫同步變化控制區(qū) 4 結(jié) 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(xiàn)儲藏室區(qū)域內(nèi)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(shù)能夠?qū)崟r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

　　[1] 高遠.半導體制冷材料的發(fā)展[J].廣東有色金屬學報，2003，13 (1):34—36.

　　[2] 王懷化.半導體制冷技術研究綜述[J].四川兵工學報，2012 (11):134—137

　　[3] 王超.基于半導體制冷技術的微型溫控箱研制[D].西安：陜西師范大學，2014.

　　[4] 穆江勃，盧菡涵，劉志奇，等.基于半導體制冷的醫(yī)用恒溫箱的設計研究[J].制冷，2013，32(03)：86—89.

　　[5] 徐昌貴，賈艷婷，閆獻國，等.半導體制冷技術及其應用[J].機械工程與自動化，2012，(3):209—211.

　　半導體論文范文還可以查閱《電子論文半導體電子器件》

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