半導體恒溫箱的性能實驗研究

張喬丹，張華*，王子龍，柏霄翔，劉占杰

（1-上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093；2-青島海爾生物醫療股份有限公司，山東青島 266101）

0 引言

隨著現代生活節奏不斷加快，人們越來越向往田園生活，在陽臺上種植綠植已經是城市中非常普遍的現象；同時因為生活條件的不斷提升，人們在各方面越來越注重生活品質，食物的健康和安全就是其中之一，因此很多人選擇在房頂或陽臺種植花卉和蔬菜[1-4]。但是由于我國冬夏溫差較大，許多綠植在冬季溫度較低時無法存活。為解決這一問題，本文搭建設計了半開放式恒溫箱，以滿足家庭綠植在冬季對溫度的要求。

半導體制冷也叫熱電制冷，是利用帕爾貼效應（Peltier Effect）達到制冷目的[5]。帕爾貼效應就是在兩種不同金屬組成的閉合回路中，直流電通過不同材料的接點時，一個接點變冷，而另一個接點變熱。熱電制冷系統與傳統制冷系統相比，具有體積小、重量輕、壽命長、無噪音、制冷迅速、安全環保無污染等優點[6-8]。因此熱電制冷系統在電子、醫學、軍事等領域以及日常生活的冰箱、空調等被廣泛研究與應用[9-10]。熱電制冷技術主要應用于對空間的冷卻、對器件的冷卻和對溫度的精準控制，提高熱電制冷性能的方法主要分為兩部分：提高熱電材料的自身性能和降低外部換熱的不可逆過程[11]。普希望等[12]提出一種新型太陽能熱電輻射空調系統，提供了熱電技術在綠色建筑中應用的新思路。所以，以半導體作為溫控原件的恒溫箱實際上是在傳統恒溫箱的基礎上做了替換和優化，通過改變經過半導體元件的電流方向，實現制冷和制熱的雙向功能，使得恒溫箱內部溫度處在理想設定范圍[13]。

對于半導體溫控系統的應用，很多學者進行了相關研究。桑策等[14]建立了半導體制冷器的實際模型，討論了界面接觸效應對半導體制冷器性能的影響。MIRMANTO等[15]在半導體冷卻箱頂部、底部和墻壁上分別放置半導體制冷片，最終得出半導體放置的最佳位置為墻壁上。李婷等[16]進行了半導體制冷原理仿真模擬驗證實驗，恒溫箱內部采用強制對流方式，在儲藏室內形成的恒溫區溫度均勻無差異，對半導體片的溫度切換響應迅速。周倩等[17]利用半導體制冷特性發明了一種新型冷熱溫飲水機，可以同時獲得熱水、冷水和溫水。陳光輝等[18]采用半導體制冷片與單片機配合，多個模塊輔助，采用了多級制冷的核心方法設計了一個小型冷熱箱。ABDUL-WAHAB等[19]基于熱電模塊的原理為居住在阿曼偏遠地區的貝都因人設計和建造一個價格合理的太陽能熱電冰箱。王一幟等[20]設計了一個用鋰電池作電能來源的恒溫箱，可隨時充電，方便攜帶，實現溫度顯示和控制功能及自動檢測調節功能。HE等[21]提出并研制了一種以熱電制冷器為基礎的便攜式無毒低溫恒溫箱，研究了制冷箱內部溫度、制冷量和性能系數對制冷機性能的影響。

從以上的研究來看，將半導體熱電制冷技術用于密封恒溫箱的應用相對比較成熟，而本文搭建了一個半開放式的恒溫箱，半導體制冷片的熱端作為熱源，對箱內空氣進行加熱，適用于冬季低溫環境。本文分析了半導體元件冷端和熱端的溫度變化、半導體元件輸入電流、功率變化以及恒溫箱的溫度分布變化。

1 實驗系統

本文搭建的恒溫箱溫度控制實驗系統主要由主箱體、半導體制冷片、散熱片、導熱板、溫度計、溫度控制器以及電扇等組成。

主箱體為亞克力材料，長600 mm，寬300 mm，高600 mm，厚度為5 mm，分為上下兩層，每層高度 300 mm。中間隔板有空隙，使上下兩層貫通。箱體背面長180 mm、寬90 mm的窗口用于安裝核心溫控系統，窗口左側距恒溫箱左邊緣 215 mm，上邊緣105 mm。箱體使用正面雙開門設計。

恒溫箱核心溫控系統如圖1所示，由3部分組成：半導體模塊、導冷翅片板、導熱平板。半導體模塊由8個型號為Ferrotec 72001/127/110B的單級熱電制冷器以4排2列的方式組合，每個半導體長寬均為40 mm、厚3 mm，每個半導體相隔5 mm。半導體模塊安裝在箱子背面窗口的居中位置。半導體模塊的箱外導冷裝置為導冷翅片板，翅片板長220 mm、寬 100 mm、底厚 5.2 mm，肋片厚度2.7 mm、高度14.8 mm、肋間距4.6 mm，翅片板直接與半導體模塊接觸部分有8個4排2列的2 mm高、長寬各40 mm、間隔5 mm的方臺。半導體模塊的箱內導熱裝置為導熱平板，導熱平板長50 mm、寬50 mm、厚2 mm，安裝在恒溫箱里面居中位置，與半導體模塊接觸部分有8個4排2列的3 mm高、長寬各40 mm、間隔5 mm的方臺。半導體模塊介于翅片板和導熱板的方臺之間，夾緊固定，間隙用導熱系數0.042 W/(m?K)的發泡劑填充。

圖1 恒溫箱核心溫控系統

導熱板與箱體間隙 4 mm填充導熱系數為0.024 W/(m?K)的保溫棉，以防止半導體片冷熱面接觸產生的熱損失和箱內外溫差引起的熱損失。同時整個箱體上下左右均覆蓋導熱系數為0.024 W/(m?K)的保溫棉，箱門部分使用9 mm厚的雙層塑料薄膜，薄膜導熱系數為 0.05 W/(m?K)，既對箱體進行了良好的保溫，同時也保證了植物所需的日常光照。

為使箱內空氣溫度均勻，箱內接觸半導體模塊的導熱板、箱體頂部和中間隔板下方各安裝一個小型電風扇。

溫度計與溫度控制器配合，控制繼電器的開關以控制半導體模塊來達到對箱內溫度的控制，保證箱內溫度處于適宜范圍內，取中層溫度20 ℃～23 ℃為最佳控制溫度。本文設計實驗條件為環境初始溫度分別為 0 ℃和 10 ℃，每一片半導體上的電壓為6 V和7.25 V，經串并聯后總電壓各為24 V和30 V。系統采用型號為Agilent 34790數據記錄儀，采集熱電偶的溫度信號，數據記錄取小數點后3位，掃描時間間隔為5 s。為減少實驗數據的誤差，每組實驗重復3次，數據取平均值。

2 實驗數據及分析

2.1 半導體片冷熱端溫度、輸入電流和輸入功率的變化分析

半導體片通電后，對冷熱端溫度及溫差進行分析。為減少誤差，熱端溫度取導熱板發熱中心3個點的平均溫度，冷端溫度取散熱器底板3個點平均溫度。

圖2為環境溫度為 0 ℃和 10 ℃時，輸入電壓分別為24 V和30 V時半導體冷熱端溫度隨時間的變化趨勢圖。由圖可知，不同工況和輸入電壓下冷熱端溫度變化趨勢相似：半導體片通電后，熱端溫度迅速上升，冷端溫度降低，隨后熱端溫度增速逐漸減慢，冷端溫度回升，后冷熱端溫差保持穩定。這一現象表明通電后的初始運行階段，半導體元件熱電效應響應迅速，冷熱端溫度變化明顯，30 s后，因半導體冷熱端接觸，發生熱傳導，使熱端放熱傳導至冷端，故冷端溫度逐漸升高并保持一定溫差。

圖3、圖4為在不同工況下半導體冷端溫度和熱端溫度分別隨時間變化趨勢對比圖。由圖可知，當環境溫度為10 ℃、輸入電壓30 V時，冷端和熱端溫度最高；當環境溫度為 0 ℃、輸入電壓 24 V時，冷端和熱端溫度最低。當環境溫度相同時，輸入電壓較大，則升溫較大；當輸入電壓相同時，環境溫度高，升溫較快。

圖2 半導體片冷熱端溫度

圖4 不同工況下的半導體冷端溫度

圖5為在不同工況下，半導體冷熱端溫差變化趨勢對比圖。隨著時間變化，冷熱端溫差逐漸增加，增速逐漸減慢，最后溫差達到穩定。由圖可知，當輸入電壓為24 V時，冷熱端溫差最終約為40 ℃；當輸入電壓為30 V，冷熱端溫差最終約為50 ℃。環境溫度相同時，輸入電壓高，冷熱端溫差大；輸入電壓相同時，環境溫度高，冷熱端溫差略高。表明輸入電壓的大小對冷熱端溫差有明顯的影響。當系統持續運行，冷熱端溫差達到穩定數值。

圖5 不同工況下的半導體兩端溫差

圖6為不同工況下半導體元件輸入電流的變化趨勢圖。結合圖5、圖6可知，半導體元件輸入電流與半導體冷熱端溫差有關。隨著冷熱端溫差增加，半導體的輸入電流逐漸降低，降速逐漸減慢，當溫差達到穩定時，電流也達到穩定狀態。當輸入電壓相同時，半導體冷熱端溫差大，則電流小。當環境溫度相同時，輸入電壓 24 V工況的輸入電流明顯小于輸入電壓 30 V的輸入電流，且輸入電壓為 30 V時，輸入電流降速較快。當輸入電壓相同時，環境溫度0 ℃工況的輸入電流略高于環境溫度10 ℃的輸入電流，且當環境溫度為0 ℃時，輸入電流降速較快。

圖6 不同工況下的半導體元件輸入電流

圖7為不同工況下半導體元件輸入功率的變化趨勢圖。功率為電壓與電流的乘積，故圖7與圖6的變化趨勢相同。當環境溫度相同時，輸入電壓24 V工況的輸入功率明顯小于輸入電壓30 V的輸入功率，且輸入電壓為 30 V時，輸入功率降速較快。當輸入電壓相同時，環境溫度0 ℃工況的輸入功率略高于環境溫度 10 ℃的輸入功率，且當環境溫度為0 ℃時，輸入功率降速較快。

圖7 不同工況下的半導體元件輸入功率

2.2 恒溫箱溫度分布

植物生長的適宜溫度為17 ℃～27 ℃，最佳溫度為20 ℃～25 ℃。恒溫箱內部使用溫度控制器進行溫度控制，保證箱內溫度處于適宜范圍內，取中層溫度20 ℃～23 ℃為最佳控制溫度。

為減少誤差，箱內溫度取每層橫截面距導熱板15 cm處的5個點的平均溫度，每一層的溫度測點相隔 10 cm。上層平均溫度取上層中間橫截面的平均溫度，中間平均溫度取隔板處橫截面的平均溫度，下層平均溫度取下層中間橫截面的平均溫度，底層平均溫度取箱體底部橫截面的平均溫度。

實驗所得的恒溫箱內溫度分布變化趨勢如圖 8所示。

由圖8(a)可知，環境溫度0 ℃、電壓24 V時，恒溫箱內溫度未達到最佳控制溫度，并最終保持穩定。箱內溫度上層平均溫度為 21 ℃，中層平均溫度 18.3 ℃，下層平均溫度 17.5 ℃，底層平均溫度為 17 ℃。整個箱子大部分處于適宜溫度區間，上層處于最佳溫度區間。在穩定狀態時，半導體元件整體平均耗功125 W。

由圖8(b)可知，環境溫度10 ℃，電壓24 V時，約22 min達到合適控制范圍，最終控制器處于平均378 s停、330 s開的時停時開狀態，停機時間與開機時間比值為1/0.87。處于溫度控制狀態時，上層平均溫度為 20.5 ℃～26.5 ℃，中層平均溫度 21.3 ℃～22.8 ℃，下層平均溫度20.8 ℃～23.0 ℃，底層平均溫度為20.3 ℃～23.0 ℃，恒溫箱內溫度分布基本均勻，均處于最佳溫度狀態。

由圖8(c)可知，環境溫度0 ℃，電壓30 V時，約45 min達到合適控制范圍，最終控制器處于200 s停、930 s開的時停時開狀態，停機時間與開機時間比值為1/4.65。處于溫度控制狀態時，上層平均溫度為 20.8 ℃～27.5 ℃，中層平均溫度 20.5 ℃～22.2 ℃，下層平均溫度 18.8 ℃～21.0 ℃，底層平均溫度為18.0 ℃～20.0 ℃，處于適宜溫度區間，上、中、下層基本處于最佳溫度狀態，底層處于適宜溫度區間。

由圖8(d)可知，環境溫度10 ℃，電壓30 V時，約13 min達到合適控制范圍，最終控制器處于平均486 s停、221 s開的時停時開狀態。停機時間與開機時間比值為1/0.45。處于溫度控制狀態時，上層平均溫度為 20.3 ℃～26.5 ℃，中層平均溫度 20.8 ℃～22.9 ℃，下層平均溫度20.8 ℃～23.4 ℃，底層平均溫度為20.3 ℃～22.9度，恒溫箱內基本均勻，均處于最佳溫度狀態。

由圖8可知，恒溫箱中上層溫度增加最快，最先達到適宜溫度；中層溫度增加起初最慢，但最終高于下層和底層，表明在預熱狀態時，由于發熱點處于上層，所以上層溫度升高，與底層低溫區產生明顯溫差，形成箱內自然對流，并由于箱內電扇強制對流影響，整個箱體內部對流換熱強于導熱板換熱，故開始時中層溫度最低；待箱內對流換熱達到平衡狀態，導熱板導熱強于對流換熱，故中層溫度高于下層和底層。

通過實驗對比可知，本恒溫箱適用于冬季低溫環境，在實驗工況下，均能達到植物生長的適宜溫度區間。當環境溫度10 ℃時，輸入電壓30 V，箱內溫度最快達到適宜溫度區間，穩定狀態時溫度分布最為均勻，且均處于最佳溫度區間，停機時間與開機時間比值最大，性能最佳。

圖8 恒溫箱內溫度分布變化趨勢

3 總結

本文搭建了一個半開放式的恒溫暖箱，半導體制冷片的熱端作為熱源，比較并分析了環境溫度和半導體輸入功率對半導體性能的影響以及半開放式恒溫暖箱內部的溫度分布，得出如下結論。

1）半導體元件通電后響應迅速，一端溫度升高，一端溫度降低。由于冷熱端接觸，故在通電一段時間后，熱端熱量會傳導至冷端，需及時將熱端熱量導出才能保證冷端溫度較低。

2）半導體元件的輸入電壓的大小對冷熱端溫差有明顯的影響。當系統持續運行，冷熱端溫差達到不變的穩定數值。控制半導體元件的輸入電壓是保證恒溫暖箱達到最佳性能的重要因素之一。

3）半導體元件輸入電流隨著冷熱端溫差變大而逐漸降低，降速逐漸減慢，最終趨于穩定狀態。半導體冷熱端溫差越大，電流越小。故若想使半導體冷熱端溫差增加，可以減小半導體輸入功率。

4）當環境溫度相同時，半導體的輸入電壓越高，輸入電流越大，輸入功率越大，同時熱端溫度也越高。

5）半開放恒溫箱的設計目的是用于冬季的綠植種植，所以整個恒溫箱的溫度控制均處于適宜溫度區間17 ℃～27 ℃，基本符合要求。由于箱內溫差導致對流換熱，內部溫度分布變化為上層溫度增加最快，中層溫度增加起初最慢；當對流換熱達到平衡，導熱板導熱強于對流換熱，最終中層溫度高于下層和底層。其中當環境溫度10 ℃時，輸入電壓30 V，箱內溫度最快達到適宜溫度區間，穩定狀態時溫度分布最為均勻，且均處于最佳溫度區間，停機時間與開機時間比值最大，性能最佳。