半導(dǎo)體恒溫箱的性能實(shí)驗(yàn)研究

張喬丹，張華*，王子龍，柏霄翔，劉占杰

（1-上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2-青島海爾生物醫(yī)療股份有限公司，山東青島 266101）

0 引言

隨著現(xiàn)代生活節(jié)奏不斷加快，人們?cè)絹?lái)越向往田園生活，在陽(yáng)臺(tái)上種植綠植已經(jīng)是城市中非常普遍的現(xiàn)象；同時(shí)因?yàn)樯顥l件的不斷提升，人們?cè)诟鞣矫嬖絹?lái)越注重生活品質(zhì)，食物的健康和安全就是其中之一，因此很多人選擇在房頂或陽(yáng)臺(tái)種植花卉和蔬菜[1-4]。但是由于我國(guó)冬夏溫差較大，許多綠植在冬季溫度較低時(shí)無(wú)法存活。為解決這一問(wèn)題，本文搭建設(shè)計(jì)了半開(kāi)放式恒溫箱，以滿足家庭綠植在冬季對(duì)溫度的要求。

半導(dǎo)體制冷也叫熱電制冷，是利用帕爾貼效應(yīng)（Peltier Effect）達(dá)到制冷目的[5]。帕爾貼效應(yīng)就是在兩種不同金屬組成的閉合回路中，直流電通過(guò)不同材料的接點(diǎn)時(shí)，一個(gè)接點(diǎn)變冷，而另一個(gè)接點(diǎn)變熱。熱電制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)相比，具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、無(wú)噪音、制冷迅速、安全環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。因此熱電制冷系統(tǒng)在電子、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域以及日常生活的冰箱、空調(diào)等被廣泛研究與應(yīng)用[9-10]。熱電制冷技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)空間的冷卻、對(duì)器件的冷卻和對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制，提高熱電制冷性能的方法主要分為兩部分：提高熱電材料的自身性能和降低外部換熱的不可逆過(guò)程[11]。普希望等[12]提出一種新型太陽(yáng)能熱電輻射空調(diào)系統(tǒng)，提供了熱電技術(shù)在綠色建筑中應(yīng)用的新思路。所以，以半導(dǎo)體作為溫控原件的恒溫箱實(shí)際上是在傳統(tǒng)恒溫箱的基礎(chǔ)上做了替換和優(yōu)化，通過(guò)改變經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體元件的電流方向，實(shí)現(xiàn)制冷和制熱的雙向功能，使得恒溫箱內(nèi)部溫度處在理想設(shè)定范圍[13]。

對(duì)于半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)的應(yīng)用，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。桑策等[14]建立了半導(dǎo)體制冷器的實(shí)際模型，討論了界面接觸效應(yīng)對(duì)半導(dǎo)體制冷器性能的影響。MIRMANTO等[15]在半導(dǎo)體冷卻箱頂部、底部和墻壁上分別放置半導(dǎo)體制冷片，最終得出半導(dǎo)體放置的最佳位置為墻壁上。李婷等[16]進(jìn)行了半導(dǎo)體制冷原理仿真模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，恒溫箱內(nèi)部采用強(qiáng)制對(duì)流方式，在儲(chǔ)藏室內(nèi)形成的恒溫區(qū)溫度均勻無(wú)差異，對(duì)半導(dǎo)體片的溫度切換響應(yīng)迅速。周倩等[17]利用半導(dǎo)體制冷特性發(fā)明了一種新型冷熱溫飲水機(jī)，可以同時(shí)獲得熱水、冷水和溫水。陳光輝等[18]采用半導(dǎo)體制冷片與單片機(jī)配合，多個(gè)模塊輔助，采用了多級(jí)制冷的核心方法設(shè)計(jì)了一個(gè)小型冷熱箱。ABDUL-WAHAB等[19]基于熱電模塊的原理為居住在阿曼偏遠(yuǎn)地區(qū)的貝都因人設(shè)計(jì)和建造一個(gè)價(jià)格合理的太陽(yáng)能熱電冰箱。王一幟等[20]設(shè)計(jì)了一個(gè)用鋰電池作電能來(lái)源的恒溫箱，可隨時(shí)充電，方便攜帶，實(shí)現(xiàn)溫度顯示和控制功能及自動(dòng)檢測(cè)調(diào)節(jié)功能。HE等[21]提出并研制了一種以熱電制冷器為基礎(chǔ)的便攜式無(wú)毒低溫恒溫箱，研究了制冷箱內(nèi)部溫度、制冷量和性能系數(shù)對(duì)制冷機(jī)性能的影響。

從以上的研究來(lái)看，將半導(dǎo)體熱電制冷技術(shù)用于密封恒溫箱的應(yīng)用相對(duì)比較成熟，而本文搭建了一個(gè)半開(kāi)放式的恒溫箱，半導(dǎo)體制冷片的熱端作為熱源，對(duì)箱內(nèi)空氣進(jìn)行加熱，適用于冬季低溫環(huán)境。本文分析了半導(dǎo)體元件冷端和熱端的溫度變化、半導(dǎo)體元件輸入電流、功率變化以及恒溫箱的溫度分布變化。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文搭建的恒溫箱溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由主箱體、半導(dǎo)體制冷片、散熱片、導(dǎo)熱板、溫度計(jì)、溫度控制器以及電扇等組成。

主箱體為亞克力材料，長(zhǎng)600 mm，寬300 mm，高600 mm，厚度為5 mm，分為上下兩層，每層高度 300 mm。中間隔板有空隙，使上下兩層貫通。箱體背面長(zhǎng)180 mm、寬90 mm的窗口用于安裝核心溫控系統(tǒng)，窗口左側(cè)距恒溫箱左邊緣 215 mm，上邊緣105 mm。箱體使用正面雙開(kāi)門(mén)設(shè)計(jì)。

恒溫箱核心溫控系統(tǒng)如圖1所示，由3部分組成：半導(dǎo)體模塊、導(dǎo)冷翅片板、導(dǎo)熱平板。半導(dǎo)體模塊由8個(gè)型號(hào)為Ferrotec 72001/127/110B的單級(jí)熱電制冷器以4排2列的方式組合，每個(gè)半導(dǎo)體長(zhǎng)寬均為40 mm、厚3 mm，每個(gè)半導(dǎo)體相隔5 mm。半導(dǎo)體模塊安裝在箱子背面窗口的居中位置。半導(dǎo)體模塊的箱外導(dǎo)冷裝置為導(dǎo)冷翅片板，翅片板長(zhǎng)220 mm、寬 100 mm、底厚 5.2 mm，肋片厚度2.7 mm、高度14.8 mm、肋間距4.6 mm，翅片板直接與半導(dǎo)體模塊接觸部分有8個(gè)4排2列的2 mm高、長(zhǎng)寬各40 mm、間隔5 mm的方臺(tái)。半導(dǎo)體模塊的箱內(nèi)導(dǎo)熱裝置為導(dǎo)熱平板，導(dǎo)熱平板長(zhǎng)50 mm、寬50 mm、厚2 mm，安裝在恒溫箱里面居中位置，與半導(dǎo)體模塊接觸部分有8個(gè)4排2列的3 mm高、長(zhǎng)寬各40 mm、間隔5 mm的方臺(tái)。半導(dǎo)體模塊介于翅片板和導(dǎo)熱板的方臺(tái)之間，夾緊固定，間隙用導(dǎo)熱系數(shù)0.042 W/(m?K)的發(fā)泡劑填充。

圖1 恒溫箱核心溫控系統(tǒng)

導(dǎo)熱板與箱體間隙 4 mm填充導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 W/(m?K)的保溫棉，以防止半導(dǎo)體片冷熱面接觸產(chǎn)生的熱損失和箱內(nèi)外溫差引起的熱損失。同時(shí)整個(gè)箱體上下左右均覆蓋導(dǎo)熱系數(shù)為0.024 W/(m?K)的保溫棉，箱門(mén)部分使用9 mm厚的雙層塑料薄膜，薄膜導(dǎo)熱系數(shù)為 0.05 W/(m?K)，既對(duì)箱體進(jìn)行了良好的保溫，同時(shí)也保證了植物所需的日常光照。

為使箱內(nèi)空氣溫度均勻，箱內(nèi)接觸半導(dǎo)體模塊的導(dǎo)熱板、箱體頂部和中間隔板下方各安裝一個(gè)小型電風(fēng)扇。

溫度計(jì)與溫度控制器配合，控制繼電器的開(kāi)關(guān)以控制半導(dǎo)體模塊來(lái)達(dá)到對(duì)箱內(nèi)溫度的控制，保證箱內(nèi)溫度處于適宜范圍內(nèi)，取中層溫度20 ℃～23 ℃為最佳控制溫度。本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件為環(huán)境初始溫度分別為 0 ℃和 10 ℃，每一片半導(dǎo)體上的電壓為6 V和7.25 V，經(jīng)串并聯(lián)后總電壓各為24 V和30 V。系統(tǒng)采用型號(hào)為Agilent 34790數(shù)據(jù)記錄儀，采集熱電偶的溫度信號(hào)，數(shù)據(jù)記錄取小數(shù)點(diǎn)后3位，掃描時(shí)間間隔為5 s。為減少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，數(shù)據(jù)取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 半導(dǎo)體片冷熱端溫度、輸入電流和輸入功率的變化分析

半導(dǎo)體片通電后，對(duì)冷熱端溫度及溫差進(jìn)行分析。為減少誤差，熱端溫度取導(dǎo)熱板發(fā)熱中心3個(gè)點(diǎn)的平均溫度，冷端溫度取散熱器底板3個(gè)點(diǎn)平均溫度。

圖2為環(huán)境溫度為 0 ℃和 10 ℃時(shí)，輸入電壓分別為24 V和30 V時(shí)半導(dǎo)體冷熱端溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖。由圖可知，不同工況和輸入電壓下冷熱端溫度變化趨勢(shì)相似：半導(dǎo)體片通電后，熱端溫度迅速上升，冷端溫度降低，隨后熱端溫度增速逐漸減慢，冷端溫度回升，后冷熱端溫差保持穩(wěn)定。這一現(xiàn)象表明通電后的初始運(yùn)行階段，半導(dǎo)體元件熱電效應(yīng)響應(yīng)迅速，冷熱端溫度變化明顯，30 s后，因半導(dǎo)體冷熱端接觸，發(fā)生熱傳導(dǎo)，使熱端放熱傳導(dǎo)至冷端，故冷端溫度逐漸升高并保持一定溫差。

圖3、圖4為在不同工況下半導(dǎo)體冷端溫度和熱端溫度分別隨時(shí)間變化趨勢(shì)對(duì)比圖。由圖可知，當(dāng)環(huán)境溫度為10 ℃、輸入電壓30 V時(shí)，冷端和熱端溫度最高；當(dāng)環(huán)境溫度為 0 ℃、輸入電壓 24 V時(shí)，冷端和熱端溫度最低。當(dāng)環(huán)境溫度相同時(shí)，輸入電壓較大，則升溫較大；當(dāng)輸入電壓相同時(shí)，環(huán)境溫度高，升溫較快。

圖2 半導(dǎo)體片冷熱端溫度

圖4 不同工況下的半導(dǎo)體冷端溫度

圖5為在不同工況下，半導(dǎo)體冷熱端溫差變化趨勢(shì)對(duì)比圖。隨著時(shí)間變化，冷熱端溫差逐漸增加，增速逐漸減慢，最后溫差達(dá)到穩(wěn)定。由圖可知，當(dāng)輸入電壓為24 V時(shí)，冷熱端溫差最終約為40 ℃；當(dāng)輸入電壓為30 V，冷熱端溫差最終約為50 ℃。環(huán)境溫度相同時(shí)，輸入電壓高，冷熱端溫差大；輸入電壓相同時(shí)，環(huán)境溫度高，冷熱端溫差略高。表明輸入電壓的大小對(duì)冷熱端溫差有明顯的影響。當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，冷熱端溫差達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值。

圖5 不同工況下的半導(dǎo)體兩端溫差

圖6為不同工況下半導(dǎo)體元件輸入電流的變化趨勢(shì)圖。結(jié)合圖5、圖6可知，半導(dǎo)體元件輸入電流與半導(dǎo)體冷熱端溫差有關(guān)。隨著冷熱端溫差增加，半導(dǎo)體的輸入電流逐漸降低，降速逐漸減慢，當(dāng)溫差達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，電流也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓相同時(shí)，半導(dǎo)體冷熱端溫差大，則電流小。當(dāng)環(huán)境溫度相同時(shí)，輸入電壓 24 V工況的輸入電流明顯小于輸入電壓 30 V的輸入電流，且輸入電壓為 30 V時(shí)，輸入電流降速較快。當(dāng)輸入電壓相同時(shí)，環(huán)境溫度0 ℃工況的輸入電流略高于環(huán)境溫度10 ℃的輸入電流，且當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，輸入電流降速較快。

圖6 不同工況下的半導(dǎo)體元件輸入電流

圖7為不同工況下半導(dǎo)體元件輸入功率的變化趨勢(shì)圖。功率為電壓與電流的乘積，故圖7與圖6的變化趨勢(shì)相同。當(dāng)環(huán)境溫度相同時(shí)，輸入電壓24 V工況的輸入功率明顯小于輸入電壓30 V的輸入功率，且輸入電壓為 30 V時(shí)，輸入功率降速較快。當(dāng)輸入電壓相同時(shí)，環(huán)境溫度0 ℃工況的輸入功率略高于環(huán)境溫度 10 ℃的輸入功率，且當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，輸入功率降速較快。

圖7 不同工況下的半導(dǎo)體元件輸入功率

2.2 恒溫箱溫度分布

植物生長(zhǎng)的適宜溫度為17 ℃～27 ℃，最佳溫度為20 ℃～25 ℃。恒溫箱內(nèi)部使用溫度控制器進(jìn)行溫度控制，保證箱內(nèi)溫度處于適宜范圍內(nèi)，取中層溫度20 ℃～23 ℃為最佳控制溫度。

為減少誤差，箱內(nèi)溫度取每層橫截面距導(dǎo)熱板15 cm處的5個(gè)點(diǎn)的平均溫度，每一層的溫度測(cè)點(diǎn)相隔 10 cm。上層平均溫度取上層中間橫截面的平均溫度，中間平均溫度取隔板處橫截面的平均溫度，下層平均溫度取下層中間橫截面的平均溫度，底層平均溫度取箱體底部橫截面的平均溫度。

實(shí)驗(yàn)所得的恒溫箱內(nèi)溫度分布變化趨勢(shì)如圖 8所示。

由圖8(a)可知，環(huán)境溫度0 ℃、電壓24 V時(shí)，恒溫箱內(nèi)溫度未達(dá)到最佳控制溫度，并最終保持穩(wěn)定。箱內(nèi)溫度上層平均溫度為 21 ℃，中層平均溫度 18.3 ℃，下層平均溫度 17.5 ℃，底層平均溫度為 17 ℃。整個(gè)箱子大部分處于適宜溫度區(qū)間，上層處于最佳溫度區(qū)間。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體元件整體平均耗功125 W。

由圖8(b)可知，環(huán)境溫度10 ℃，電壓24 V時(shí)，約22 min達(dá)到合適控制范圍，最終控制器處于平均378 s停、330 s開(kāi)的時(shí)停時(shí)開(kāi)狀態(tài)，停機(jī)時(shí)間與開(kāi)機(jī)時(shí)間比值為1/0.87。處于溫度控制狀態(tài)時(shí)，上層平均溫度為 20.5 ℃～26.5 ℃，中層平均溫度 21.3 ℃～22.8 ℃，下層平均溫度20.8 ℃～23.0 ℃，底層平均溫度為20.3 ℃～23.0 ℃，恒溫箱內(nèi)溫度分布基本均勻，均處于最佳溫度狀態(tài)。

由圖8(c)可知，環(huán)境溫度0 ℃，電壓30 V時(shí)，約45 min達(dá)到合適控制范圍，最終控制器處于200 s停、930 s開(kāi)的時(shí)停時(shí)開(kāi)狀態(tài)，停機(jī)時(shí)間與開(kāi)機(jī)時(shí)間比值為1/4.65。處于溫度控制狀態(tài)時(shí)，上層平均溫度為 20.8 ℃～27.5 ℃，中層平均溫度 20.5 ℃～22.2 ℃，下層平均溫度 18.8 ℃～21.0 ℃，底層平均溫度為18.0 ℃～20.0 ℃，處于適宜溫度區(qū)間，上、中、下層基本處于最佳溫度狀態(tài)，底層處于適宜溫度區(qū)間。

由圖8(d)可知，環(huán)境溫度10 ℃，電壓30 V時(shí)，約13 min達(dá)到合適控制范圍，最終控制器處于平均486 s停、221 s開(kāi)的時(shí)停時(shí)開(kāi)狀態(tài)。停機(jī)時(shí)間與開(kāi)機(jī)時(shí)間比值為1/0.45。處于溫度控制狀態(tài)時(shí)，上層平均溫度為 20.3 ℃～26.5 ℃，中層平均溫度 20.8 ℃～22.9 ℃，下層平均溫度20.8 ℃～23.4 ℃，底層平均溫度為20.3 ℃～22.9度，恒溫箱內(nèi)基本均勻，均處于最佳溫度狀態(tài)。

由圖8可知，恒溫箱中上層溫度增加最快，最先達(dá)到適宜溫度；中層溫度增加起初最慢，但最終高于下層和底層，表明在預(yù)熱狀態(tài)時(shí)，由于發(fā)熱點(diǎn)處于上層，所以上層溫度升高，與底層低溫區(qū)產(chǎn)生明顯溫差，形成箱內(nèi)自然對(duì)流，并由于箱內(nèi)電扇強(qiáng)制對(duì)流影響，整個(gè)箱體內(nèi)部對(duì)流換熱強(qiáng)于導(dǎo)熱板換熱，故開(kāi)始時(shí)中層溫度最低；待箱內(nèi)對(duì)流換熱達(dá)到平衡狀態(tài)，導(dǎo)熱板導(dǎo)熱強(qiáng)于對(duì)流換熱，故中層溫度高于下層和底層。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，本恒溫箱適用于冬季低溫環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)工況下，均能達(dá)到植物生長(zhǎng)的適宜溫度區(qū)間。當(dāng)環(huán)境溫度10 ℃時(shí)，輸入電壓30 V，箱內(nèi)溫度最快達(dá)到適宜溫度區(qū)間，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)溫度分布最為均勻，且均處于最佳溫度區(qū)間，停機(jī)時(shí)間與開(kāi)機(jī)時(shí)間比值最大，性能最佳。

圖8 恒溫箱內(nèi)溫度分布變化趨勢(shì)

3 總結(jié)

本文搭建了一個(gè)半開(kāi)放式的恒溫暖箱，半導(dǎo)體制冷片的熱端作為熱源，比較并分析了環(huán)境溫度和半導(dǎo)體輸入功率對(duì)半導(dǎo)體性能的影響以及半開(kāi)放式恒溫暖箱內(nèi)部的溫度分布，得出如下結(jié)論。

1）半導(dǎo)體元件通電后響應(yīng)迅速，一端溫度升高，一端溫度降低。由于冷熱端接觸，故在通電一段時(shí)間后，熱端熱量會(huì)傳導(dǎo)至冷端，需及時(shí)將熱端熱量導(dǎo)出才能保證冷端溫度較低。

2）半導(dǎo)體元件的輸入電壓的大小對(duì)冷熱端溫差有明顯的影響。當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，冷熱端溫差達(dá)到不變的穩(wěn)定數(shù)值?？刂瓢雽?dǎo)體元件的輸入電壓是保證恒溫暖箱達(dá)到最佳性能的重要因素之一。

3）半導(dǎo)體元件輸入電流隨著冷熱端溫差變大而逐漸降低，降速逐漸減慢，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。半導(dǎo)體冷熱端溫差越大，電流越小。故若想使半導(dǎo)體冷熱端溫差增加，可以減小半導(dǎo)體輸入功率。

4）當(dāng)環(huán)境溫度相同時(shí)，半導(dǎo)體的輸入電壓越高，輸入電流越大，輸入功率越大，同時(shí)熱端溫度也越高。

5）半開(kāi)放恒溫箱的設(shè)計(jì)目的是用于冬季的綠植種植，所以整個(gè)恒溫箱的溫度控制均處于適宜溫度區(qū)間17 ℃～27 ℃，基本符合要求。由于箱內(nèi)溫差導(dǎo)致對(duì)流換熱，內(nèi)部溫度分布變化為上層溫度增加最快，中層溫度增加起初最慢；當(dāng)對(duì)流換熱達(dá)到平衡，導(dǎo)熱板導(dǎo)熱強(qiáng)于對(duì)流換熱，最終中層溫度高于下層和底層。其中當(dāng)環(huán)境溫度10 ℃時(shí)，輸入電壓30 V，箱內(nèi)溫度最快達(dá)到適宜溫度區(qū)間，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)溫度分布最為均勻，且均處于最佳溫度區(qū)間，停機(jī)時(shí)間與開(kāi)機(jī)時(shí)間比值最大，性能最佳。