半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理及其在便攜式樣品恒溫箱的應(yīng)用

摘 要 本文簡要介紹了半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理及其特點(diǎn)，并對(duì)根據(jù)該原理所開發(fā)的半導(dǎo)體制冷便攜式樣品恒溫箱進(jìn)行了分析探討，指出半導(dǎo)體制冷技術(shù)在研發(fā)便攜式樣品恒溫箱產(chǎn)品中具有無可替代的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體制冷 珀?duì)栙N效應(yīng) 恒溫箱 制冷片 驅(qū)動(dòng)電路

中圖分類號(hào)：TN37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

便攜式樣品恒溫箱是衛(wèi)生防疫、醫(yī)學(xué)、農(nóng)林畜牧、生物實(shí)驗(yàn)、工業(yè)化工等行業(yè)和大專院校、科研機(jī)構(gòu)、部門實(shí)驗(yàn)室或生產(chǎn)單位的重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。由于便攜式樣品恒溫箱具有特定的使用范圍和專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此對(duì)該產(chǎn)品有著特別的要求。在各種制冷技術(shù)中，半導(dǎo)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(diǎn)，近年來在國內(nèi)外得到廣泛的重視，因此，半導(dǎo)體制冷技術(shù)在研發(fā)便攜式樣品恒溫箱產(chǎn)品方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理及其優(yōu)、缺點(diǎn)

1.1 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷是建立在溫差電效應(yīng)基礎(chǔ)上的，所以半導(dǎo)體制冷也稱溫差電制冷。如果把兩種不同的金屬導(dǎo)線的一端連在一起，另一端接上直流電源，則一端將會(huì)產(chǎn)生吸熱（制冷）效應(yīng)，另一端產(chǎn)生放熱效應(yīng)（圖1），這就是著名的珀?duì)栙N效應(yīng)。

事實(shí)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(dá)到理想效果的。一般是取N型和P型兩種半導(dǎo)體組件組成熱電堆。圖2為半導(dǎo)體制冷器工作原理圖。

直流電流沿回路依次從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體，然后又從P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體，電流這樣連續(xù)流過去，半導(dǎo)體的A、B兩端便產(chǎn)生吸、放熱現(xiàn)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(dá)到制冷之目的。

1.2 半導(dǎo)體制冷的優(yōu)、缺點(diǎn)

半導(dǎo)體制冷，它的優(yōu)點(diǎn)十分明顯：制冷迅速，操作簡單，可靠性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，無噪音污染和有害物質(zhì)排放，壽命長，穩(wěn)定性好等。但同時(shí)，也有其缺點(diǎn)：主要表現(xiàn)在制冷系數(shù)低，制冷量小而且電流大。半導(dǎo)體制冷效果主要取決于半導(dǎo)體材料的選擇和熱端散熱冷卻的程度。由于當(dāng)今科技，特別是電子技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各國的科技人員從改進(jìn)半導(dǎo)體材料和開發(fā)新工藝兩方面，做了大量工作，來不斷提高半導(dǎo)體制冷的制冷系數(shù)。在一些制冷量要求小，熱流量大，傳統(tǒng)蒸氣壓縮制冷不方便或不經(jīng)濟(jì)的場合，半導(dǎo)體制冷得到了很多的應(yīng)用。

2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)在便攜式樣品恒溫箱的應(yīng)用

由于半導(dǎo)體制冷便攜式樣品恒溫箱采用箱體底部固定連接半導(dǎo)體控溫元件，半導(dǎo)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(nèi)壁固定連接保溫層的結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(nèi)的電能來控制溫度。

2.3.2 半導(dǎo)體制冷便攜式樣品恒溫箱的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體制冷便攜式樣品恒溫箱的最核心部件是半導(dǎo)體制冷片的控制及驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)榘雽?dǎo)體制冷片根據(jù)流過半導(dǎo)體的電流方向和大小來決定其工作狀態(tài)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(dǎo)體制冷片能夠自動(dòng)進(jìn)行恒溫控制，就必須設(shè)計(jì)好其驅(qū)動(dòng)電路和控制電路。PID控制系統(tǒng)是目前精度較高的技術(shù)，可以用來對(duì)半導(dǎo)體制冷片的電流進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)高精度的控溫效果。

A、總體框圖：見圖5。B、基于H橋的驅(qū)動(dòng)電路：見圖6

當(dāng)設(shè)置OUT3為高、OUT4為低電平，OUT2為低、OUT1為高電平時(shí)，Q3和Q4斷開，Q1和Q2導(dǎo)通，電流由TEC（半導(dǎo)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(shí)，Q3和Q4導(dǎo)通，Q1和Q2斷開，電流由右至左。通過單片機(jī)PID控制設(shè)置OUT1或者OUT4的PWM（脈沖寬度調(diào)制）波占空比，控制Q1或者Q4的導(dǎo)通時(shí)間來控制TEC的工作時(shí)間，從而達(dá)到控溫的效果。

2.3.3 半導(dǎo)體制冷便攜式樣品恒溫箱半導(dǎo)體制冷器的散熱裝置

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

半導(dǎo)體制冷的幾種散熱方式：（1）自然散熱，采用導(dǎo)熱較好的材料，做成各種散熱器，利用空氣的自然對(duì)流來帶走熱量，優(yōu)點(diǎn)是使用方便，缺點(diǎn)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(diǎn)是用水不方便，浪費(fèi)太大，優(yōu)點(diǎn)是體積小，散熱效果好；（3）強(qiáng)迫風(fēng)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(diǎn)是增加一個(gè)風(fēng)機(jī)，出現(xiàn)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(fā)潛熱快速傳遞熱量。因此本半導(dǎo)體制冷便攜式樣品恒溫箱的半導(dǎo)體制冷散熱采用熱管散熱。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：熱管散熱熱管采用銅鋁復(fù)合管制成，冷凝段很長，而蒸發(fā)段很短，工質(zhì)為戊烷，自然對(duì)流散熱。

3 結(jié)束語

隨著目前半導(dǎo)體制冷片已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn)、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(dǎo)體制冷式溫度控制系統(tǒng)技術(shù)的成熟和塑料工業(yè)的發(fā)展，為生產(chǎn)出輕便、節(jié)能、環(huán)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(huán)境和條件的要求，而這些要求與半導(dǎo)體制冷技術(shù)的特點(diǎn)又相符，因此半導(dǎo)體制冷技術(shù)在便攜式樣品恒溫箱及其類似產(chǎn)品的開發(fā)必將得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳國邦等.最新低溫制冷技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

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