半导体制冷技术原理及其在便携式样品恒温箱的应用

摘 要 本文简要介绍了半导体制冷技术原理及其特点，并对根据该原理所开发的半导体制冷便携式样品恒温箱进行了分析探讨，指出半导体制冷技术在研发便携式样品恒温箱产品中具有无可替代的优势。

关键词 半导体制冷 珀尔贴效应 恒温箱 制冷片 驱动电路

中图分类号：TN37 文献标识码：A

0 引言

便携式样品恒温箱是卫生防疫、医学、农林畜牧、生物实验、工业化工等行业和大专院校、科研机构、部门实验室或生产单位的重要的实验设备。由于便携式样品恒温箱具有特定的使用范围和专业性强的特点，因此对该产品有着特别的要求。在各种制冷技术中，半导体制冷由于具有体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高等特点，近年来在国内外得到广泛的重视，因此，半导体制冷技术在研发便携式样品恒温箱产品方面具有不可替代的优势。

1 半导体制冷技术原理及其优、缺点

1.1 半导体制冷原理

半导体制冷是建立在温差电效应基础上的，所以半导体制冷也称温差电制冷。如果把两种不同的金属导线的一端连在一起，另一端接上直流电源，则一端将会产生吸热（制冷）效应，另一端产生放热效应（图1），这就是著名的珀尔贴效应。

事实上，组成温差电制冷器的材料不是任意两种不同金属就能达到理想效果的。一般是取N型和P型两种半导体组件组成热电堆。图2为半导体制冷器工作原理图。

直流电流沿回路依次从N型半导体流向P型半导体，然后又从P型半导体流向N型半导体，电流这样连续流过去，半导体的A、B两端便产生吸、放热现象。如果不断地把放热端B的热量移走，那么A端就不断地向周围吸取热量，从而达到制冷之目的。

1.2 半导体制冷的优、缺点

半导体制冷，它的优点十分明显：制冷迅速，操作简单，可靠性强，容易实现高精度的温度控制，无噪音污染和有害物质排放，寿命长，稳定性好等。但同时，也有其缺点：主要表现在制冷系数低，制冷量小而且电流大。半导体制冷效果主要取决于半导体材料的选择和热端散热冷却的程度。由于当今科技，特别是电子技术的飞速发展，世界各国的科技人员从改进半导体材料和开发新工艺两方面，做了大量工作，来不断提高半导体制冷的制冷系数。在一些制冷量要求小，热流量大，传统蒸气压缩制冷不方便或不经济的场合，半导体制冷得到了很多的应用。

2 半导体制冷技术在便携式样品恒温箱的应用

由于半导体制冷便携式样品恒温箱采用箱体底部固定连接半导体控温元件，半导体控温元件与可充电电池固定连接，箱体的正面左上端固定连接电子温度控制及显示装置，箱体上盖和箱体内壁固定连接保温层的结构形式，箱体的背后右下端固定连接电源插孔，插入家庭交流电直接使用，也可插接到汽车点烟器上，另外，在没有交流电的情况下，还可以使用充电电池内的电能来控制温度。

2.3.2 半导体制冷便携式样品恒温箱的驱动电路设计

半导体制冷便携式样品恒温箱的最核心部件是半导体制冷片的控制及驱动电路，因为半导体制冷片根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的（电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果）。为了使半导体制冷片能够自动进行恒温控制，就必须设计好其驱动电路和控制电路。PID控制系统是目前精度较高的技术，可以用来对半导体制冷片的电流进行控制，以实现高精度的控温效果。

A、总体框图：见图5。B、基于H桥的驱动电路：见图6

当设置OUT3为高、OUT4为低电平，OUT2为低、OUT1为高电平时，Q3和Q4断开，Q1和Q2导通，电流由TEC（半导体制冷片）左至右；反之OUT3为低、OUT4为高电平，OUT2为高、OUT1为低电平时，Q3和Q4导通，Q1和Q2断开，电流由右至左。通过单片机PID控制设置OUT1或者OUT4的PWM（脉冲宽度调制）波占空比，控制Q1或者Q4的导通时间来控制TEC的工作时间，从而达到控温的效果。

2.3.3 半导体制冷便携式样品恒温箱半导体制冷器的散热装置

热端散热冷却的程度是影响半导体制冷效果的重要因素，所以解决好散热问题对制冷效率的提高起到至关重要的作用。

半导体制冷的几种散热方式：（1）自然散热，采用导热较好的材料，做成各种散热器，利用空气的自然对流来带走热量，优点是使用方便，缺点是体积较大；（2）充液散热，它是用较好的材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温，缺点是用水不方便，浪费太大，优点是体积小，散热效果好；（3）强迫风冷散热，散热器采用的材料和自然散热器相同，使用方便，体积比自然散热小，缺点是增加一个风机，出现噪音和耗用功率；（4）“热管”散热器，是最常用的一种形式，它利用蒸发潜热快速传递热量。因此本半导体制冷便携式样品恒温箱的半导体制冷散热采用热管散热。结构设计要点：热管散热热管采用铜铝复合管制成，冷凝段很长，而蒸发段很短，工质为戊烷，自然对流散热。

3 结束语

随着目前半导体制冷片已经规模化生产、大功率可充式锂电池组工艺的成熟、汽车的普及、光伏电池的普及以及高精度半导体制冷式温度控制系统技术的成熟和塑料工业的发展，为生产出轻便、节能、环保、高效的便携式样品恒温箱提供了有利条件。便携式样品恒温箱具有特定的使用环境和条件的要求，而这些要求与半导体制冷技术的特点又相符，因此半导体制冷技术在便携式样品恒温箱及其类似产品的开发必将得到广泛的应用。

参考文献

[1] 陈国邦等.最新低温制冷技术.机械工业出版社，2003.

[2] 倪美琴，陈兴华.关注半导体制冷与发展.制冷与空调，2001.2.