半導體制冷技術在小型恒溫箱的應用

摘 要：恒溫箱是一種封閉式空間裝置，因其內部溫度恒定而能滿足現(xiàn)代各領域作業(yè)的恒溫需要，文章基于傳統(tǒng)技術導致恒溫箱內部溫度調節(jié)控制效果不良的情況結合半導體制冷技術應用進行分析，從而來大大改善傳統(tǒng)技術下恒溫箱的恒溫效果。

關鍵詞：恒溫箱；半導體制冷技術；控制

1 半導體技術概述

半導體制冷技術又叫溫差制冷、熱電制冷技術。其主要基于塞貝克效應、帕爾貼效應和湯姆遜效應原理，利用P、N型半導體組成的半導體熱電偶中電流的流向不同而形成的溫差進行制冷與制熱。根據(jù)帕爾貼效應，電流通過不同材料的接點時，會出現(xiàn)放熱或吸熱的現(xiàn)象，且熱量大小與電流強弱成正比。

2 傳統(tǒng)恒溫箱與半導體制冷技術恒溫箱比較

（1）傳統(tǒng)的恒溫箱原理簡單，主要由溫度傳感器、制冷壓縮機、熱風機三部分組成，溫度傳感器測量內部空氣溫度，作為信號采集端結合繼電器發(fā)出命令，當溫度高于上限時，開啟壓縮機制冷，溫度下降。溫度低于下限時，開啟熱風機（有的用紅外線或電阻絲）加熱，溫度開始回升。如此來回控制，以達到恒溫的目的。而半導體恒溫箱實際上是在傳統(tǒng)恒溫箱基礎上做了替代與優(yōu)化。依據(jù)半導體制冷原理，選取半導體制冷芯片替代制冷壓縮機作為關鍵制冷部件，通過改變半導體制冷芯片的電流方向實現(xiàn)制冷制熱的雙向選擇，調節(jié)電流強弱來改變升溫或降溫的幅度，以此將恒溫箱內部溫度控制在設定理想范圍。

（2）就控制溫度的精度而言，傳統(tǒng)恒溫箱的控溫精度主要取決于溫度傳感器的線性和精度，目前市面上大多采用集成溫度傳感器進行測量，一般情況下，恒溫箱內部空間溫度達到上、下限時才開始加熱或制冷，溫度需要一段時間才能達到理想值。因此，對于某些對控溫精度要求較高的設備，可設置偏離度，使之提前加熱或制冷；就硬件設備而言，傳統(tǒng)恒溫箱往往需要一個尺寸較大的制冷循環(huán)系統(tǒng)來作為溫度控制的執(zhí)行部件，因此其設備體積較大，此外由于振動噪音高、電源需求嚴格等條件的限制，在特殊場合的使用上有很大局限性。因此，在保證控溫精度前提下盡可能降低保溫箱的尺寸對實際應用的發(fā)展有著很重要的意義。因而半導體制冷技術對恒溫箱的應用將其從笨重復雜的結構中解放出來，形成了新型的空調系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)恒溫箱，半導體恒溫箱從根本上解決了制冷劑的使用對環(huán)境的污染問題，促使了小型恒溫箱的出現(xiàn)，有效解決了不易攜帶、噪音要求等技術性遺留問題。

3 半導體恒溫箱性能研究

（1）小型半導體恒溫箱其主要構成部件是由箱體、冷熱端的散熱片及半導體芯片等組成。而散熱組成部分在整個恒溫箱中占據(jù)著舉足輕重的地位，其性能的好壞直接影響著制冷芯片的工作性能。而在半導體恒溫箱的散熱部分中我們可以采用強制換熱的方式增強換熱效果，一般有空冷式、水冷式強制對流與重力式熱管三種換熱類型，其中水冷式效果最好，它是利用較好的材料做成水箱，通入液體（一般是水）進行降溫而，在散熱片安裝時與制冷芯片之間存在連接間隙，因此，散熱片的安裝方式也會對散熱時的熱阻產(chǎn)生影響。常見的連接方式有粘結、焊接、機械固定三種，粘結與焊接都使用其他介質對散熱片與制冷片進行連接，介質材料的選取對導熱性能起主導作用，后者的工藝實現(xiàn)更復雜；機械固定的精度控制要求很高，否則產(chǎn)生的熱阻很大。在實際制造中，應結合考慮以上兩種因素對散熱方式及其安裝形式進行選擇。（2）下面我們再通過兩組試驗方案分別從環(huán)境溫度和熱端散熱效果因素來對半導體恒溫箱的性能進行分析：

試驗1：在正常環(huán)境溫度下，保證散熱風扇正常運行及試驗用的10v工作電壓，并測量記錄各時間段的溫度讀數(shù)，一直記錄到制冷端及恒溫箱內溫度穩(wěn)定為止。然后我們通過降低恒溫箱周圍的環(huán)境溫度，并測量記錄各時間段的溫度。測試數(shù)據(jù)見圖1。

由圖1可以看出隨著環(huán)境溫度降低的變化，熱端溫度也開始下降，而冷端溫度和恒溫箱內溫度也隨之慢慢下降。到試驗的50分鐘左右時，從測試記錄來看溫度又開始處于比營造環(huán)境溫度前略低相對穩(wěn)定的狀態(tài)。所以由此看出環(huán)境溫度的降低對恒溫箱內部的溫度也會造成顯著的影響。

試驗2：保證10v的試驗電壓，并且把環(huán)境溫度控制在29度左右來測量一下散熱風扇在運行和停運情況下各時間段恒溫箱內部的溫度，測試數(shù)據(jù)見圖2。

測試在前50分鐘內保持散熱風扇處于運行狀態(tài)。由圖2可以看出在前10分鐘內恒溫箱內溫度及制冷端的溫度快速下降至16度和-4度左右，而熱端溫度上升至35度左右。然后溫度處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。在50分鐘后停止散熱風扇運行，而此時冷熱端溫度隨著時間變化而快速上升。到20分鐘后制冷端溫度接近箱內溫度，從而看出制熱端的散熱好壞對半導體制冷效果有著顯著的影響，因此在恒溫箱內加強對熱端的散熱效果，有利于增強制冷效果達到恒溫的目的。

因而通過上面對散熱器的兩組試驗進行分析可以看出，半導體制冷技術對于恒溫箱內環(huán)境溫度、熱端散熱效果及散熱器類型和裝置以及半導體熱電制冷性能有著顯著的影響。

4 半導體制冷技術在恒溫箱的應用范圍

就像前文說的那樣恒溫箱是一種封閉式空間裝置，因其內部溫度恒定而能滿足現(xiàn)代各領域作業(yè)的恒溫需要。在生物前沿實驗研究中可以作為培育或運輸?shù)墓ぞ撸诔鞘蟹酪哒尽⒓部刂行闹幸材茏鳛樘厥馑幤返膬Υ婵臻g站，同時醫(yī)院中還可以作為新生兒培育箱，對于城市水質地質檢測等也有著廣泛應用，這是新科技發(fā)展時代中必不可少的重要工具。

5 結束語

半導體制冷技術作為一種新型的制冷技術把它運用到恒溫箱制冷設備中從而一舉解決了其散熱難等問題。而且半導體制冷技術不僅符合綠色環(huán)保要求和無噪聲污染、清潔及無有害物質排放，并且還擁有穩(wěn)定性好、可靠性高等一系列的優(yōu)點。在未來發(fā)展中該技術應不僅在恒溫箱內部設備散熱方面具有發(fā)展空間，同時也必將廣泛應用于化學工業(yè)、醫(yī)療保健、農林畜牧、生物實驗等多個領域，因此未來半導體制冷技術將呈上升發(fā)展趨勢。

參考文獻

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