基于半导体制冷技术的恒温控制仿真

李婷 孙海义

摘要：基于半导体制冷技术，针对航天、军事、医疗、生物制品、车载等特殊有限工作空间的独特需求，设计了体积小、成本低、性能高、结构合理紧凑、功耗低且节能环保的微型半导体温控箱箱体，并对温控箱的温度及变化速率等各种参数能够实时精确控制，为高性能生物制剂、功能材料等的实验室制备方法以及性能研究提供技术支撑。本文选用TEC-12706半导体制冷片并进行了半导体制冷原理进行验证实验。半导体恒温箱采用强制对流方式，提高了储藏室空气之间的热交换率，由此在距离储藏室内胆一定距离的三维空间区域形成一个恒温控制区，该区域内温度均匀无差异，且能迅速响应半导体片的温度切换。仿真表明，该系统具有结构简单、控制精度高、可靠性好、性能稳定等优点，具有广泛的应用前景。

关键词：半导体制冷;恒温控制;强制对流;热交换;

中图分类号：TB657

文献标识码：A

1 引言

近年来，随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，国内外对于测温系统的研究越来越深入，恒温箱被广泛应用于医疗保健、智能家居、工农业生产、航天科研等领域[1-2]。半导体制冷也叫温差制冷、热电制冷或电子制冷，是利用“塞贝克效应”的逆效应一“珀尔帖效应”进行制冷[3]。其结构简单、工作环境要求很低、无制冷工质、无机械部件、无振动、可做到很长寿命，制冷迅速，而且交换电流方向即可实现制冷或制热，调节电流大小即可控制冷量输出，改变电臂大小及温差电对的排布方式，就可满足各种不同需要，制成大到千瓦级的空调，小到冷却红外探测器件的毫瓦级的微型制冷器。

半导体制冷系统在不同的应用场合、不同的散热条件下其最佳工作参数是不同的。如何确定一定条件下半导体制冷系统的最佳工作参数，是目前半导体制冷系统设计中的难点，也是影响半导体制冷推广应用的因素之一。半导体制冷系统的工作温度主要取决于冷、热端传热状况和工作电流，深入研究这些因素对半导体制冷系统最佳工作状态的影响，既有理论意义又有实际应用价值。

因为内胆与空气对流换热，所以在半导体制冷系统箱体内的温度是不均匀分布的，离冷端越远温度越高，这必然影响箱体空气的换热。本文在多种散热方式中选取水冷散热并对半导体恒温箱内的温度及速率等进行仿真，实现恒温箱的温度同步变化的解决方法和仿真实验。

2 半导体制冷原理验证

2.1 半导体制冷原理

半导体制冷[4]就是帕尔贴效应在半导体材料上的成功应用，半导体有n型半导体和p型半导体之分，n型半导体含有多余的电子，因此含有负温差电势，而p型半导体中电子不足，有多余的空穴，因此含有正的温差电势，把一只n型半导体元件和一只p型半导体元件联结成为一个热电偶，形成一个P-N结，当有直流电通过这个P-N结时，由于温差电势的存在，就会产生能量的转移，也就是在结点处，会和外界环境进行能量的交换。

半导体制冷原理[5]如圖1所示，通上直流电源后，在上面的接头处，电流由n型半导体流向p型半导体，也就是由负温差电势流向正温差电势，由低能级流向高能级，就会从外界吸收能量，因此成为冷端，温度降低;相反，在下面的接头处，电流是从p型半导体流向n型半导体，释放能量，形成热端，温度升高。

把若干对p型半导体与n型半导体元件按如图1所示的方式串联起来，然后与直流电源、散热器等元器件串联起来，就构成了一个半导体制冷器。按图示方式接通直流电源后，该热电堆的上端就是冷端，将起到放置在需要降温的场合，就可以达到制冷的目的，同时要将其热端与散热器相连接，不断将产生的热量发散出去，才可以使冷端不断制冷，这就是半导体制冷的工作原理。

2.2 半导体制冷器件

半导体制冷片可分为单级半导体制冷片和多级半导体制冷片。单级半导体制冷片指的是只有一个热面和一个冷面的单层温差电制冷组件。为了获得更大温差或者更大性能系数，将上一级温差电制冷组件的热端与下一级温差电制冷组件的冷端热祸合，如此叠加形成的多层次的组件被称为多级半导体制冷片。

热电制冷又被称为半导体制冷或温差电制冷，它建立在热电效应的基础上，是一种通过直流电制冷的新型制冷方式，具有轻巧、无噪音、无污染的优点。但其制冷效率相对于另两种制冷方式较低，对半导体制冷箱的研究就是要研究如何提高半导体材料的制冷效率。图2为TEC半导体制冷片，外部尺寸为40×40×3.75mm，内部阻值2.1～2.4 Ω，额定电压12 v，制冷功率约60 w，最大温差67℃以上，四周标准704硅橡胶密封。图3为半导体制冷片示意图，电源正接，半导体上标记型号字的一面为制冷端，另一面为散热端。电源反接，则冷热端互换。鉴于以上特点，最终TEC系列半导体制冷片被选作温控箱的温控源。

半导体制冷过程中热端散热的效果将直接影响半导体的制冷效率，如果热端温度不能及时的降下来，则势必会将热量传给冷端，进而使冷端的制冷效果降低，只有使热端的热量及时转移，冷端才能持续制冷。然而能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能被转移不能被消灭。要使冷端持续制冷则需要对热端选择最优的散热方式。

2.3 半导体制冷片热端散热方式

水冷散热系统[6][7]通过水流来带走需要挥散掉的热量，水冷散热器的散热原理[8]是通过多条水道中的水流从进水口进入散热系统中再从出水口流出带走热量从而达到散热的目的。水冷散热系统的构成较为简单，利用水作为散热介质，该介质容易获得可循环利用且对环境无污染。可以通过增加水道数量的方式提高散热能力，是一种较为实用的散热方式。半导体制冷系统的水冷散热就是在半导体制冷器的热端连接一个冷却水箱，通过冷却水管中的水把热端的热量不断带走，散热原理如图4所示。这种方法的效率很高，其换热系数比空气自然对流散热大约一百倍，因此冷却效果很好，散热器的尺寸也大大缩小。

水冷散热器一般通过泵和散热器来形成循环回路，也有将水箱分隔成若干个流道并插上翅片增加散热器与器壁之间的换热系数的。水冷散热换热效果较好，但对水质要求比较高，如果水冷表面结垢，传热性能会下降。

我们选择半导体水冷散热方式作为温控箱的温控核心，因为采用水冷散热方式，通过泵和冷却水管不断的将热量带走。水冷散热方式是所有散热方式中散热效率最高的一个，水冷散热的热交换系数比自然对流大100-1000倍，温控箱半导体片热端采用密集多腔道热交换器，既提高了散热效率又减小散热器的面积。

2.4 制冷原理验证

为了验证所选制冷方式的可行性，我们利用必要的器材搭建了一个简易温控箱实验平台，如图5所示。此实验平台利用一片TEC半导体制冷片在室温25。C环境下对所设置的没有绝热条件下的模拟储藏室区域进行制冷，其中，利用隔膜泵对模拟储藏室区域进行强制空气对流，同时利用台式测温器XH-LF162和手持式数字温度计apuhuaTM-902（-50～1300℃）对半导体制冷片冷端和模拟成型室区域分别进行温度测量，在7分钟左右时各自温度分别是1.2℃和2.8℃，如图6、图7所示。

从图6图7我们可知，半导体制冷片冷端为1.2℃，模拟储藏室区域的温度为2.8℃。二者在10分钟内达到了良好的制冷效果，使得模拟储藏室区域温度较环境温度下降了22.2℃。这说明我们的制冷片的选择以及散热方式的选择是合理可行的。但是我们也看到制冷片冷端的温度为1.2℃并没有达到结霜温度。这可能是因为半导体片、热交换器以及模拟储藏室之间贴合不够紧密，硅脂涂抹不均匀。模拟储藏室区域的温度为2.8℃，较半导体制冷片冷端有差异。这是因为我们没有对模拟储藏室进行良好的绝热处理。模拟储藏室采用喷漆铝板搭建，在未进行绝热处理时与室温环境存在热交换，从而导致模拟储藏室的温度高于制冷片冷端温度。

3 半导体制冷仿真

从以上对半导体热电制冷的研究来看，半导体热电制冷理论研究基本成熟，但大多实验选取温控箱内几个点进行温度测量并取平均值。例如在蒋颖[9]等人做的实验中，探讨了环境温度、热端强制对流散热、自然对流散热对热端、冷端、恒温箱内温度的影响。实验中，采用经过标定的热电偶测量冷端温度、热端温度、恒温箱内的空气温度。冷、热端的温度测点设在各自肋片的中间位置。在远离扰流风扇的方向，选取箱体长度的50%、67%的位置作为箱内温度的测点，取平均值。如图8可知各测点温度随时间的变化，A.Gangopadhyay等人[10]统辨识的方法，通过试验估测系统的参数，认为可以通过建立高阶模型、改变激励方式、减少采样间隔等方法进一步提高参数辨识的精度。但是对于实际应用中我们期望温控箱内温度变化均匀同步，来确保散热、制冷和恒温的效果最优。

为实现温控箱内区域温度均匀无差异，且能迅速响应半导体片的温度切换，我们需要进行进一步完善和仿真。在考虑温控箱储藏室尺寸时，我们以容易购买到的铝板外形尺寸作为储藏室尺寸依据，并考虑被储藏物品的普遍实际大小，最终我们选定尺寸为200×156×200 mm的方形储藏室。为了进一步验证在绝热条件优良时温控箱储藏室的温度變化情况，我们利用COMSOL Multiphysics软件库中的传热模块进行仿真。首先，利用comsol自带绘图命令绘制储藏室的三维模型，我们选择两块同型号TEC制冷片对称放置，蓝色区域为其中一块制冷片安装位置，如图9。

为了提高计算速度，我们以模型的一个对称面将该模型分割为各自包含一个半导体片的1/2模型进行计算处理，如图10所示。

之后我们定义系统的应用模式为由薄层和壳体组成的结构中的传热膜式，规定系统属性为传热时变系统，半导体片安装面设置为恒温0℃，其余表面的边界条件设定为绝热，假定初始环境温度为25℃。自动生成有限元网格，如图11所示。

为了验证扰流风扇存在的必要性，在进行结构设计前需要对这个影响因素进行仿真分析，我们追踪1/2模型中离半导体片冷端较远的一个红色节点，坐标（90，78，100），如图12所示。设定无扰流风扇仿真时间为7000 s，有扰流风扇仿真时间为3500 s，分别计算两种情况下同一截点的温度T随时间t变化的曲线图和温度切片图，其仿真分析结果如图13和图14所示。

图13（a）（b）分别是在没有加入扰流风扇和加入扰流风扇时储藏室温度随时间变化的曲线图。在无扰流风扇（a）图中，时间从0至3000 s期间温度有较大下降趋势，3000 s以后，温度下降缓慢，温度从室温25℃降至所设定的0℃大约需要6000 s。在有扰流风扇（b）图中，时间从0至1000 s期间温度有较大下降趋势，1000 s以后，温度下降缓慢，温度从室温25℃降至所设定的0℃大约仅需要1500 s。

图14（a）（b）（c）分别是截点在t=1000 s、t=3000 s和t=5000 s时无扰流风扇条件下的温度切片，（D（e）①分别是同一截点在t=500 s、t=1000 s和t=1500 s时有扰流风扇条件下的温度切片。（a）（d）两图分别表示在无扰流风扇和有扰流风扇条件时温度下降至280 k所用时间分别为1000 s和500 s。（b）（e）两图分别表示在无扰流风扇和有扰流风扇条件时温度下降至274.5 k所用时间分别为3000 s和1000 s。（c）（D两图分别表示在无扰流风扇和有扰流风扇条件时温度下降至273.5k所用时间分别为5000 s和1500 s。综上，可以看出在扰流风扇的帮助下，储藏室的温度能较没有扰流风扇下降更快，并且通过观察温度切片图我们可以发现没有扰流风扇时背离半导体片冷端的直线上，温度是呈梯度变化的，这不利于温控箱的恒温控制。而在有扰流风扇时，三个时间点的温度切片没有梯度变化，整个储藏室可视为同步降温，这对于温控箱恒温控制十分重要。因此，扰流风扇的存在是十分必要的。

温控箱的理想状态即要实现储藏室区域内温度相同且同步变化，为此我们对有扰流风扇条件下的储藏室为模型，假定环境温度为25℃，对垂直于半导体片冷端的一条直线上的不同位置进行温度追踪，追踪的直线如图14 （a）所示。并分析各位置在400 s、800 s、1200 s、1600 s、2000 s五个时间点追踪直线上的温度情况，结果如图14 （b）所示。

从图14 （b）可以看出，在距离制冷片0至15mm范围内直线的各点处，温度在五个时间点处是线性变化状态;在距离制冷片15至100 mm范围内直线的各点处，温度在五个时间点处是恒温状态。这是由于扰流风扇的存在使的该区域内空气不断均匀对流从而温度恒定。由此可知，在距离储藏室壁大约15 mm的三维空间内形成了一个恒温同步变化控制区，如图15所示。

通过半导体片冷端自然对流和强制对流温度场的对比分析和温控箱储藏室区域同步温控分析，我们选择采用双半导体制冷片对称放置，并采用扰流风扇强制热交换。

4 结论

选取TEC-12706半导体制冷片对半导体制冷原理进行验证实验，证明制冷片的选择以及散热方式的选择是合理可行的。对温控箱的理想状态即要实现储藏室区域内温度相同且同步变化进行精确设计，对温控箱的温度及速率等各种参数能够实时精确控制进行了仿真实验。从而为接下来对进一步微型半导体温控箱箱体设计做出准备。

参考文献

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