半導體制冷技術原理及其在便攜式樣品恒溫箱的應用

摘 要 本文簡要介紹了半導體制冷技術原理及其特點，并對根據該原理所開發的半導體制冷便攜式樣品恒溫箱進行了分析探討，指出半導體制冷技術在研發便攜式樣品恒溫箱產品中具有無可替代的優勢。

關鍵詞 半導體制冷 珀爾貼效應 恒溫箱 制冷片 驅動電路

中圖分類號：TN37 文獻標識碼：A

0 引言

便攜式樣品恒溫箱是衛生防疫、醫學、農林畜牧、生物實驗、工業化工等行業和大專院校、科研機構、部門實驗室或生產單位的重要的實驗設備。由于便攜式樣品恒溫箱具有特定的使用范圍和專業性強的特點，因此對該產品有著特別的要求。在各種制冷技術中，半導體制冷由于具有體積小、重量輕、作用速度快、可靠性高等特點，近年來在國內外得到廣泛的重視，因此，半導體制冷技術在研發便攜式樣品恒溫箱產品方面具有不可替代的優勢。

1 半導體制冷技術原理及其優、缺點

1.1 半導體制冷原理

半導體制冷是建立在溫差電效應基礎上的，所以半導體制冷也稱溫差電制冷。如果把兩種不同的金屬導線的一端連在一起，另一端接上直流電源，則一端將會產生吸熱（制冷）效應，另一端產生放熱效應（圖1），這就是著名的珀爾貼效應。

事實上，組成溫差電制冷器的材料不是任意兩種不同金屬就能達到理想效果的。一般是取N型和P型兩種半導體組件組成熱電堆。圖2為半導體制冷器工作原理圖。

直流電流沿回路依次從N型半導體流向P型半導體，然后又從P型半導體流向N型半導體，電流這樣連續流過去，半導體的A、B兩端便產生吸、放熱現象。如果不斷地把放熱端B的熱量移走，那么A端就不斷地向周圍吸取熱量，從而達到制冷之目的。

1.2 半導體制冷的優、缺點

半導體制冷，它的優點十分明顯：制冷迅速，操作簡單，可靠性強，容易實現高精度的溫度控制，無噪音污染和有害物質排放，壽命長，穩定性好等。但同時，也有其缺點：主要表現在制冷系數低，制冷量小而且電流大。半導體制冷效果主要取決于半導體材料的選擇和熱端散熱冷卻的程度。由于當今科技，特別是電子技術的飛速發展，世界各國的科技人員從改進半導體材料和開發新工藝兩方面，做了大量工作，來不斷提高半導體制冷的制冷系數。在一些制冷量要求小，熱流量大，傳統蒸氣壓縮制冷不方便或不經濟的場合，半導體制冷得到了很多的應用。

2 半導體制冷技術在便攜式樣品恒溫箱的應用

由于半導體制冷便攜式樣品恒溫箱采用箱體底部固定連接半導體控溫元件，半導體控溫元件與可充電電池固定連接，箱體的正面左上端固定連接電子溫度控制及顯示裝置，箱體上蓋和箱體內壁固定連接保溫層的結構形式，箱體的背后右下端固定連接電源插孔，插入家庭交流電直接使用，也可插接到汽車點煙器上，另外，在沒有交流電的情況下，還可以使用充電電池內的電能來控制溫度。

2.3.2 半導體制冷便攜式樣品恒溫箱的驅動電路設計

半導體制冷便攜式樣品恒溫箱的最核心部件是半導體制冷片的控制及驅動電路，因為半導體制冷片根據流過半導體的電流方向和大小來決定其工作狀態的（電流的方向決定制冷或者制熱，電流的大小決定制冷或者制熱的程度和效果）。為了使半導體制冷片能夠自動進行恒溫控制，就必須設計好其驅動電路和控制電路。PID控制系統是目前精度較高的技術，可以用來對半導體制冷片的電流進行控制，以實現高精度的控溫效果。

A、總體框圖：見圖5。B、基于H橋的驅動電路：見圖6

當設置OUT3為高、OUT4為低電平，OUT2為低、OUT1為高電平時，Q3和Q4斷開，Q1和Q2導通，電流由TEC（半導體制冷片）左至右；反之OUT3為低、OUT4為高電平，OUT2為高、OUT1為低電平時，Q3和Q4導通，Q1和Q2斷開，電流由右至左。通過單片機PID控制設置OUT1或者OUT4的PWM（脈沖寬度調制）波占空比，控制Q1或者Q4的導通時間來控制TEC的工作時間，從而達到控溫的效果。

2.3.3 半導體制冷便攜式樣品恒溫箱半導體制冷器的散熱裝置

熱端散熱冷卻的程度是影響半導體制冷效果的重要因素，所以解決好散熱問題對制冷效率的提高起到至關重要的作用。

半導體制冷的幾種散熱方式：（1）自然散熱，采用導熱較好的材料，做成各種散熱器，利用空氣的自然對流來帶走熱量，優點是使用方便，缺點是體積較大；（2）充液散熱，它是用較好的材料做成水箱，用通液體或通水的方法降溫，缺點是用水不方便，浪費太大，優點是體積小，散熱效果好；（3）強迫風冷散熱，散熱器采用的材料和自然散熱器相同，使用方便，體積比自然散熱小，缺點是增加一個風機，出現噪音和耗用功率；（4）“熱管”散熱器，是最常用的一種形式，它利用蒸發潛熱快速傳遞熱量。因此本半導體制冷便攜式樣品恒溫箱的半導體制冷散熱采用熱管散熱。結構設計要點：熱管散熱熱管采用銅鋁復合管制成，冷凝段很長，而蒸發段很短，工質為戊烷，自然對流散熱。

3 結束語

隨著目前半導體制冷片已經規模化生產、大功率可充式鋰電池組工藝的成熟、汽車的普及、光伏電池的普及以及高精度半導體制冷式溫度控制系統技術的成熟和塑料工業的發展，為生產出輕便、節能、環保、高效的便攜式樣品恒溫箱提供了有利條件。便攜式樣品恒溫箱具有特定的使用環境和條件的要求，而這些要求與半導體制冷技術的特點又相符，因此半導體制冷技術在便攜式樣品恒溫箱及其類似產品的開發必將得到廣泛的應用。

參考文獻

[1] 陳國邦等.最新低溫制冷技術.機械工業出版社，2003.

[2] 倪美琴，陳興華.關注半導體制冷與發展.制冷與空調，2001.2.