摘要  介绍了半导体热电制冷的研究现状。设计了小型半导体恒温箱，对其结构进行了分析，建立了小型半导体恒温箱测试系统。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。分析了稳定工况下，对半导体芯片施加不同电压时，冷端温度及电功率变化。环境温度越低，热端采用强制对流散热时冷端的温度越低。当处于稳定工况时，施加的电压增大到一定值后，即使电压继续增大，冷端温度的变化也不明显。应在尽可能控制耗电量的前提下，选择最佳电压。<?xml:namespace prefix = "o" />

关键词：  半导体热电制冷；  恒温箱；  半导体芯片；  热端；  冷端；  最优电压

Experimental Research on Refrigeration Performance of Small Semiconductor Thermostat

Abstract：The research situation of semiconductor thermoelectric refrigeration is introduced．A small semiconductor thermostat is designed，its structure is analyzed，and the testing system of the thermostat is built．The influences of environmental temperature，forced convection heat dissipation and natural convection heat dissipation on temperatures at the heat end，cold end and inside the thermostat are discussed．The changes of the cold end temperature and the power are analyzed when applying different voltages to the semiconductor chip under the stable condition．When the environmental temperature is low，and the forced convection heat dissipation is used at the heat end ,the temperature at the cold end is low．When the applied voltage is increased to a certain extent under the stable condition，the temperature at the cold end does not change obviously even if the voltage is increased．The optimum voltage should be selected based on controlling the power consumption．

Key words： semiconductor thermoelectric refrigeration；thermostat；  semiconductor chip；heat end；  cold end；  optimum voltage

1概述

半导体热电制冷自20世纪60年代发明以来，便备受关注。它具有体积小、质量轻、无噪声、无污染、寿命长、可靠性高、易于高精度恒温控制及热惯性小等优点^[1-5]，因此被应用于科研、军事、航空航天、农业和医疗卫生等许多领域^[6]。

国内外专家对半导体热电制冷技术展开了大量的研究。在半导体热电制冷过程的非稳态研究方面：P.J.Taylor等人^[7]建立了半导体热电制冷非稳态工况下的温度场模型。殷亮等人^[8-9]对热电效应温度场变化和非稳态传热方程进行数值求解，并提出了目标控制法的数值调节。李茂德等人^[10]对非稳态热电制冷过程理论及应用进行了深入研究和分析。

在半导体热电制冷机理的研究方面：吴丽清等人^[11]认为汤姆逊效应在实际热电循环中是不能被轻易忽视的，并从平衡态热力学理论出发建立了包含3种热电效应相互作用的模型。

在半导体热电制冷理论的研究方面：杨玉顺等人^[12]从理论上分析了如何获得最大制冷系数、最大制冷温差和最大制冷量，并给出了两种不同设计方法的最佳特性参数选择的原则。J.C.Stoclcholm等人^[13]通过建立数学模型，从热力学和传热学角度对半导体热电制冷过程进行了深入的理论讨论，并研究了电流、空气流量、热电材料厚度及特性对制冷性能的影响。乐伟等人^[14]对热电堆的非稳态温度场进行数值模拟，利用数值模拟的方法求得了以最短的时间稳定冷端温度所需的调节电压。A．Gangopadhyay等人^[15]利用系统辨识的方法，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。

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，但较少涉及半导体热电制冷优化控制方面的试验研究。本文以小型半导体恒温箱作为试验对象，对影响半导体热电制冷性能的因素进行研究。

2试验系统

①小型半导体恒温箱的设计

小型半导体恒温箱(以下简称恒温箱)主要由箱体、半导体芯片、冷热端散热肋片组成，主剖面结构见图1，试验恒温箱装置布置见图2。恒温箱的内部空间尺寸为长<?xml:namespace prefix = "st1" />280 mm、宽l50 mm、高l60 mm。箱体绝热层太薄则绝热效果不好，易导致耗电量增加；绝热层太厚，在保证容积的前提下，易降低恒温箱的便携性。综合考虑绝热性能和成本，试验恒温箱采用0.5 cm厚聚氨酯泡沫塑料作为绝热材料，外面贴一层l cm厚的白色橡胶。在箱体壁面开孔安装半导体芯片，冷端散热肋片、扰流风扇置于箱体内部，热端散热肋片、散热风扇置于箱体外部。

试验选用的半导体芯片为TECL-12705型，最大制冷能力为41 W，冷热端温差为30～67 K。冷端散热肋片宽×高为40 mm×40 mm，数量为6片，热端散热肋片宽×高为120 mm×40 mm，数量为10片。扰流风扇、散热风扇均选用l2 V、5.2 W的直流轴流风扇。半导体芯片、散热风扇、扰流风扇分别采用交流变直流电源供电，电压调节范围为0～15V。试验时，散热风扇、扰流风扇的工作电压保持15V。

②测量装置

采用电流表、电压表对半导体芯片的电流、电压进行测量，根据测量结果计算电功率。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(以下简称箱内温度)。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。热电偶与数据采集仪连接，实现采集测量数据。在靠近恒温箱处悬挂标准水银温度计测量环境温度，环境温度由空调设备控制。

3试验方案

启动恒温箱内扰流风扇，使箱体内的空气充分混合，并开启数据采集仪。当箱内温度稳定后，启动电源。电源启动后，每隔5 min记录各测点温度、工作电压、工作电流。

方案l：保持工作电压为l2 V，散热风扇运行，在正常环境温度下，测量各测点温度，直至冷端温度、箱内温度稳定为止。然后降低环境温度，并记录各测点温度。

方案2：保持工作电压为l2 V，环境温度控制在28℃左右时，分别测量散热风扇运行、停运情况下各测点温度。

方案3：环境温度控制在26℃，散热风扇运行，调节工作电压(6～12 V)，记录各测点温度、工作电流。

4试验结果及分析

①方案1

方案l各测点温度随时问的变化见图3。由图3可知，在前35 min，热端温度快速升高，经过l5min升高到43．2℃，之后保持在42℃左右。在这一时间段，冷端温度急剧下降，经过25 min温度降至0℃左右。箱内温度在30 min时降至25.6℃,30～35 min保持在25.5℃左右，这说明半导体热电制冷系统已处于相对稳定状态。在35 min打开率调设备(设定温度为20℃)，随着环境温度的降低，热端温度开始下降，冷端温度、箱内温度也随着下降。可以认为35～50 min为过渡期，50 min后，各测点的温度又处于相对稳定状态。由于环境温度的降低，其他各测点温度明显降低>由此可知环境温度对半导体热电制冷效果影响显著。

②方案2

方案2各测点温度随时间的变化见图4。在前50 min内，散热风扇保持运行状态。在前10 min

内，箱内温度、冷端温度快速下降，热端温度快速上升。在10～50 min时，各测点温度基本不变。50min后，散热风扇停止运行，热端温度、冷端温度随着运行时问快速上升。在70 min时，冷端温度接近箱内温度。因此，热端的散热效果对半导体热电制冷效果的影响显著，加强热端的散热，有利于增强制冷效果。

③方案3

方案3冷端温度随时问的变化见图5。由图5可知，对于不同工作电压，前16 min，冷端温度下降明显，且均降至0℃以下。l6～30 min冷端温度下降缓慢。不同工作电压下，冷端温度存在一定的差别。

当系统处于稳定状态下(即运行时间大于16min)，不同工作电压下各项实测数据平均值见表1。

由表l可知，工作电压在6～10 V范围内，随着工作电压的增大，冷端平均温度明显减低。当工作电压在10～12 V范围内，即使工作电压继续增大，冷端平均温度变化也不大，但平均电功率快速增加。因此，在半导体热电制冷控制中，并不是工作电压越大，制冷效果越好，应在尽可能降低耗电量的前提下，选择最佳的工作电压。

5结论

①环境温度、热端散热效果对半导体热电制冷性能的影响显著。

②并不是工作电压越大，制冷效果越好，应在尽可能降低耗电量的前提下，选择最佳的工作电压。

参考文献：

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本文作者：蒋颖 方赵嵩 蔡伟光 梁斯麒

作者单位：重庆大学建设管理与房地产学院  重庆大学城市建设与环境工程学院  广州市轻工高级技工学校