随晶侠
佛山市顺德区美的饮水机制造有限公司 广东省佛山市528000
摘要：科研人员进行了大量的科学研究，最终获得了当前基于半导体制冷的技术。根据半导体制冷使用的温差冷却效果，珀尔帖效应是相匹配的，因此半导体制冷也称为温差冷却。相较于传统的制冷技术，半导体制冷技术不需要应用大量制冷剂和相关制冷设备。另外，在整个制冷过程中不易引起噪声和振动，所以不会轻易对周围人群的正常日常生活产生不利影响，应用市场前景十分广阔。
关键词:温控系统;半导体制冷片;调节仪
引言
半导体制冷器(TEC)具有体积小、重量轻、无振动噪声、无需制冷剂、性能稳定、寿命长等特点，被广泛应用于小型电子设备。TEC工作原理基于珀尔帖效应:当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，一端吸收热量，另一端释放热量，是一种高热流密度器件。在生物医学领域，微全分析系统(μTAS)对环境温度变化十分敏感，因此，该系统需具备精准测温能力，并将测得的温度信息实时传输给主控芯片进行数据处理，再对所需温度范围进行整定。在TEC应用研究方面，考虑到电热激励驱动方式和生化反应中的反应热对温度所造成的影响，研究设计了基于DSP的生化分析仪温控系统;利用ANSYSWorkbench中的热电耦合模块对半导体制冷器进行建模与数值模拟，发现在热端散热条件受到限制时，适当减小器件的输入功率反而可以得到更好的制冷性能，且更适合小功率器件;依据TEC制冷工作特性曲线中最大制冷量和最高制冷效率所对应的工作电流不一致的现象，为提升制冷性能，设计一种能根据冷热端面的温度情况，自动调节制冷芯片电流使其处于最佳工作状态的模糊控制系统。
1半导体制冷技术原理
半导体制冷设备是由具有高效率和良好热电效应的半导体材料热阻组成的。如图1所示，由N型半导体组件和P型半导体组件组成的热敏电阻在插入后会在接头处引起热传递和温差。对于N型半导体，其导电结构是自由电荷，类似于金属材料地价电子；对于导电结构是空穴的Р型半导体来说，它与自由电子的电荷数量一致。所以，上接头为冷端，为吸热反应，温度降低，电流方向为从N到P；下接头是热端，为放热反应，温度升高，电流方向为Р到N。其次，依靠各种热传导方法（例如热交换器）使热电堆的热端继续散发热量并维持一定的温度，然后将热电堆的冷端放入工作环境中，以持续发生吸热反应并降低温度。这是半导体制冷的工作原理。如图1所示。
2加装喷水器喷淋散热工况下半导体制冷装置的制冷性能
通过加装喷水器来实现热端的蒸发冷却,喷淋的冷却水水温维持在26.5℃,热端散热器进口空气温度维持在27.1℃左右,热端散热器出口空气温度如图2所示。从图2中可以看出,随着风速的增大或喷水量的加大,热端散热器的出口温度均随之下降。当实验进行时间约为240s时,热端出口的温度逐渐趋于稳定。在大风速且喷水量为最大(7.73g/s)时,热端出口温度最低,约为33.8℃;在小风速且喷水量为最小(4.17g/s)时,热端出口温度最高,约为38.5℃。由数据可得,与强制对流工况相比,在喷水量为7.73g/s时,制冷效果最佳,制冷量、COP分别增加18.9%、11.0%,这是因为喷水器所喷淋的水量越多且风速越大时,翅片表面的蒸发吸热速度越快,蒸发冷却的效果越好。通过加装喷水器喷淋散热可提高半导体制冷装置的COP,与强制对流散热相比,在小风速情况下,调节三档不同喷水量,COP分别提高5.2%、13.3%、15.0%;在大风速情况下,随着喷水量的增加,COP分别提高1.3%、5.9%、6.9%。随着喷水量的加大,COP的提升速率变缓,这是因为半导体制冷装置的制冷性能还受材料等因素的限制,并不能无限制通过提高热端散热强度来提高制冷装置的COP。
图2加装喷水器喷淋散热工况下热端出口温度
3半导体制冷温控系统设计
3.1实用的具有加热冷却控制功能的温控系统
图3是一种以神港调节仪(温控表)、开关电源、AC/DC受控电源、热电阻和半导体制冷片等构成的温控系统。以调节仪上设定的温度SV与热电阻Pt100测得的容器内温度PV比较，控制A1的动作(动作点可事先在调节仪上设定)和受控电源的输出。A1闭合时，K2继电器接通，调节仪从1+、1－输出(加热)切换到2+、2－输出(冷却)，控制受控电源的输出。与此同时，K1继电器接通，使主开关电源输出的电流由原来的从上到下流过制冷片，改变为从下到上流过制冷片。Q为硅NPN外延平面晶体管，K为电磁继电器(控制容量AC250V、3A)，控制A1的断开或闭合，D为保护二极管。A1的动作接收来自MCU输出的B端信号控制。此电路已集成在调节仪表内部。为了保证半导体制冷片有效工作，在冷端制冷的同时常需要在热端不断地移除抽运出来的热量和器件工作时消耗功率而产生的热量，故24V开关电源输出端还接一风机，此风机也可用调节仪输出的开关信号控制。
图3以神港调节仪控制半导体制冷片的一种温控电路
由帕尔帖效应建立的冷端处热平衡方程知，该接头处单位时间从外界进入的制冷量Qc为:
式中:Ｒ为N、P电偶臂的电阻;α为N、P电偶臂的温差电势，与制冷器的电偶臂对数有关;I为通过回路的电流;k为电偶臂的热阻总和;最后一项温差(Th－Tc)=ΔT。在无外加热负载，即Qc=0的情况下，令d(ΔT)/dI=0，得ΔT取极值时的最佳电流IT=α·Tc/Ｒ，此时可得最大温差ΔTmax。神港调节仪内的参数可参照半导体制冷片的特性和受控电源的特性事先设定。除P、I、D外，这些参数还包括输出的上限和输出的下限等。温控系统是一闭路反馈系统，以PID方式自动调节输入半导体制冷片的电流的大小。与使用手动调控的直流电源或普通单片机控制系统相比，这种自动调节系统的精度更高、更方便、构建也简单。在热载荷稳定的应用条件下，可以在很长时间范围内，使温度的上下波动不超过±0．5℃，温度控制的精度也可优于±0．5℃。
3.2单片半导体散热试验装置设计
对TEC1-12706和TEC1-12704两种型号半导体制冷片分别进行了散热器无热管强制对流、散热器有热管强制对流散热试验。装置主要由半导体制冷片、可调电源模块、电源调压器、保温材料、测温仪和散热器等6个部分组成。半导体制冷片热端通过导热胶与铝翅片无热管散热器进行接触，为了更好接触散热和更准确测得热端温度，在铝片上加工一个凹槽放置热端温度传感器，并采用双风扇进行强制对流散热。为了更加准确测得冷端温度，采用导热系数小的保温材料进行保温，并在冷端与保温材料之间涂层导热胶，温度传感器接头嵌入导热胶内。半导体制冷片与风扇电压由DC直流电源提供，并通过可调电源模块对半导体制冷片输入电流进行调节。散热器有热管散热试验装置中其核心部件是热管，热管的蒸发段与半导体制冷片的热面紧贴，冷凝段安装翅片并采用双风扇进行强制对流散热冷凝。除了散热器外，散热器有热管散热试验装置其他设计部分与散热器无热管散热的试验装置相同。
3.3信号强度
载气流速变化对元素信号强度有着十分显著的影响，如果载气流速过小，则无法高效将样品引入到等离子体中，实现样品的离子化；如果过大又会降低等离子体温度，影响离子化效率。鉴于此，本文设置载气流速范围为０．９２～１．００Ｌ／ｍｉｎ。实验发现，当雾室温度从０℃降至－５℃相对从２０℃降至０℃信号强度下降幅度大很多。当载气流速为０．９５Ｌ／ｍｉｎ时，雾室温度为－５℃，９Ｂｅ、８９ Ｙ、１１５Ｉｎ和２０９ Ｂｉ的信号强度比２０℃时分别下降３８％、３５％、３８％和３６％；而相同条件下，０℃时信号强度仅下降９％、８％、１０％和９％。考虑到０℃及以下温度，气溶胶可能逐渐凝固结冰导致堵塞雾化器，因此并不推荐雾室温度低于０℃，一般来说，０～５℃可以满足测试的需求。故在雾室温度为０～２０℃范围内进行了试验。随着半导体制冷的开启，对于一些元素，雾室温度下降会引起信号强度的下降，载气流速为０．９４Ｌ／ｍｉｎ时的９Ｂｅ和２０９Ｂｉ；而对另一些元素，也可能会引起信号强度上升，载气流速为１．００Ｌ／ｍｉｎ时的８９ Ｙ和载气流速为０．９８Ｌ／ｍｉｎ时的１４０Ｃｅ。雾室温度对信号强度的影响趋势与载气流速有很大关系：载气流速偏低（例如１４０Ｃｅ和８９ Ｙ，不大于０．９４Ｌ／ｍｉｎ）时，随着雾室温度降低信号强度呈下降趋势；载气流速偏高（例如１４０Ｃｅ和８９ Ｙ，不小于０．９６Ｌ／ｍｉｎ）时，随着雾室温度降低信号强度随之下降的幅度减小，或者信号强度呈上升趋势。
3.4散热器对半导体制冷器功能的改进
改变电流方向就能使散热面和吸热的位置发生改变，转换电动势正负极，使上极板成为放热端，下极板成为吸热端。在上极板处布置芯片，下极板布置散热器，并在冷热面处均匀地涂上导热硅胶(脂)，在20℃的室温下，需要将芯片加热到63℃才能反应，这接近最大电压下的温差上限，对元件损耗很大;因此，需在冷端增设散热器(用于环境气流交换)，升高冷端温度。而珀尔帖效应不受散热器的影响，大致上保持恒定的温度差，所以热端温度也会相应的上升，可以在不用增大电压的条件下达到所需反应温度。
4半导体制冷技术在生活领域的应用
半导体制冷技术具有环保无气味，体积小，寿命长，冷热转化速率快，易于操作等优势，如今半导体制冷技术已被用于中小型冷冻机的研发，例如便携式的车载空调，酒店使用的小型冰箱，半导体空调的特征在于它不需要制冷剂并且噪音低，通过改变直流电流的方向，可以实现从冷却到加热运行。因此，它适用于独特环境中的空调，例如不允许制冷剂泄漏的潜水艇，电子通信车辆等。半导体制冷的恒温器具有体积小，温度控制精度高的特点，可用于要求较为精密的仪表测试设备。例如，以半导体零点仪器与半导体恒温水浴为实验标准，精确测量半导体材料的热电堆，温度线性度可达到0.01K。具有半导体制冷的立式饮水机的特点是不需要制冷剂，制冷单元结构紧凑，适用于不允许制冷剂泄漏的应用，并且所需的制冷器重量更轻，尺寸更小，例如在空客飞机上使用的半导体制冷立式饮水机。
结束语
本文在简介半导体制冷技术的基础上，较详细地介绍了神港调节仪、调节仪的输出电路和以这种调节仪、开关电源、受控电源、热电阻和半导体制冷片等构成的温控系统。图示温控系统已成功应用在某制冷公司的冷肼处理装置中。
参考文献
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