半導體空調(diào)的原理及應用

吳茂林

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

半導體制冷技術(shù)是20世紀60年代隨著半導體工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種制冷技術(shù)。與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)不同，半導體制冷沒有制冷劑，是利用珀爾貼效應制冷。但從目前國內(nèi)外對半導體制冷研究的情況來看，半導體制冷技術(shù)遠沒有成熟，半導體制冷應用的范圍也較為局限[1]。本文以某冶煉廠備料車間為例，通過對半導體空調(diào)的原理與優(yōu)缺點的分析，探討半導體空調(diào)的應用前景。

1 半導體空調(diào)的概念與原理

1.1 概念

半導體空調(diào)是利用半導體正向和反向電流所引起的冷熱效應原理研發(fā)而成的，由半導體制冷片（含密封和隔熱材料）、冷端與熱端散熱器、冷端與熱端風機、監(jiān)控模塊4部分組成。當給系統(tǒng)供電時，半導體制冷片一側(cè)制冷，另一側(cè)制熱，所產(chǎn)生的冷（熱）量分別通過冷（熱）端散熱器和風機擴散到周圍環(huán)境。其中，冷端散熱器和冷端風機組成內(nèi)循環(huán)，可用于電氣機柜內(nèi)部環(huán)境制冷。

1.2 原理

半導體制冷又稱電子制冷，其原理是利用兩種半導產(chǎn)生珀爾帖效應，即通過導體材料構(gòu)成的P-N結(jié)，形成熱電偶對[2]。半導體制冷是直流電制冷的一種新型制冷方法，它與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式。半導體制冷的原理示意見圖1。

圖1 半導體制冷的原理示意

由圖1可以看出，半導體中有兩種載流子，即價帶中的空穴和導帶中的電子。其中，以電子導電為主的半導體稱之為N型半導體；以空穴導電為主的半導體稱為P型半導體。“N”表示負電的意思，取自英文Negative的第1個字母。在這類半導體中，參與導電的(即導電載體)主要是帶負電的電子，這些電子來自半導體中的施主。凡摻有施主雜質(zhì)或施主數(shù)量多于受主的半導體都是N型半導體，如含有適量五價元素砷、磷、銻等的鍺或硅等半導體。

用導體連接兩塊不同的金屬，接通直流電，則一個接點處溫度降低，另一個接點處溫度升高。若將電源反接，則接點處的溫度相反變化，這一現(xiàn)象稱為珀爾帖效應，又稱熱—電效應。純金屬的熱—電效應很小，若使用1個N型半導體和1個P型半導體代替金屬，效應就大得多。接通電源后，上接點附近產(chǎn)生電子—空穴對，內(nèi)能減小，溫度降低，向外界吸熱，稱為冷端；另一端因電子—空穴對復合，內(nèi)能增加，溫度升高，并向環(huán)境放熱，稱為熱端。1對半導體熱電元件所產(chǎn)生的溫差和冷量都很小，實用的半導體制冷器是由很多對熱電元件經(jīng)并聯(lián)、串聯(lián)組合而成，也稱熱電堆。單級熱電堆可得到大約60℃的溫差，即冷端溫度可達-10～-20℃。增加熱電堆級數(shù)即可使兩端的溫差加大，但級數(shù)不宜過多，一般為2～3級[3]。

1.3 半導體空調(diào)的分類

根據(jù)制冷量的大小，半導體空調(diào)可分為大型半導體空調(diào)和小型半導體空調(diào)。大型半導體空調(diào)指的是制冷量在1 kW以上的裝置，目前最大制冷量超過30 kW；小型半導體空調(diào)的制冷量一般是幾百瓦，即1 kW以內(nèi)，其基本組織模式是采用若干陶瓷絕緣熱電制冷模塊與熱交換器組合。

按照系統(tǒng)冷、熱媒介的不同，半導體空調(diào)可分為氣—氣系統(tǒng)半導體空調(diào)、氣—水系統(tǒng)半導體空調(diào)、水—水系統(tǒng)半導體空調(diào)。

2 半導體空調(diào)的優(yōu)、缺點

1）與傳統(tǒng)的制冷空調(diào)相比，半導體空調(diào)具有如下優(yōu)點：（1）噪音可控（根據(jù)環(huán)境溫度變化，自動調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速）。特別是夏季，白天環(huán)境溫度比較高，空調(diào)熱負荷大，風機高速運轉(zhuǎn)，制冷效果好；夜晚環(huán)境溫度降低，熱負荷降低，風機轉(zhuǎn)速變慢，噪音降低。（2）工作性能穩(wěn)定，壽命長，沒有壓縮機等運轉(zhuǎn)部件，壽命長達15年。（3）風機無級智能調(diào)速，無凝水控制。（4）體積小、厚度薄，占用艙體空間小，安裝方便。外形美觀，結(jié)構(gòu)精巧。（5）環(huán)保，無溫室氣體產(chǎn)生，是綠色健康空調(diào)。

2）半導體空調(diào)具有如下缺點：制冷系數(shù)較小，一般為0.6左右，電耗量相對較大，主要用于耗冷量小和占地空間小的場合，如電子設(shè)備和無線電通信設(shè)備中某些元件的冷卻、工業(yè)控制柜制冷以及恒溫醫(yī)療制冷等行業(yè)。

3 半導體空調(diào)生產(chǎn)工藝

半導體空調(diào)總成的生產(chǎn)工藝流程分為四大部分，分別是冷熱元件組件組裝、風罩組裝及控制板組裝、整機的前后外罩組裝以及產(chǎn)品測試和包裝。

1）冷熱元件組件組裝工藝流程。其工藝流程如下：散熱片點膠及自動組裝→散熱片組件刷導熱硅脂→熱交換元件性能測試及外形尺寸檢測→組裝冷熱元件與散熱片及中縫點膠→散熱片三模組定位→接線板點膠及與隔熱板組裝→熱交換元件模組和上下接線板點膠并組裝→上下接線板連接片焊接→焊點檢查→熱交換元件模組貼條碼并測試。

2）風罩組裝及控制板組裝工藝流程。其工藝流程如下：上下風罩與冷熱元件組件自動組裝→灌密封膠及烘烤→接水槽點膠并聯(lián)接→控制電路板自動上料后測試→控制電路板與金屬板自動組裝→鎖金屬板到上風罩→裝測溫探頭&插接端子線→點膠固定線材&貼膠帶→上下風罩自動組裝及點密封膠。

3）整機前后外罩組裝工藝流程。其工藝流程如下：風扇、積熱罩與后罩組裝→風扇、電源與前罩組裝→前后罩與風罩組合體裝配→裝90°冷凝管→組裝外罩探頭和插接端子線→自動組裝外罩。

4）產(chǎn)品測試及包裝工藝流程。其工藝流程如下：鐳射條碼→自動開機噪音測試→自動整機震動測試→自動整機性能測試→外觀檢查→自動包裝。

4 半導體空調(diào)的應用

4.1 半導體空調(diào)應用范圍

半導體空調(diào)由于效率較低、成本高的缺點，使其只適用于體積緊湊、制冷要求不高等特殊場合。1）技術(shù)領(lǐng)域。半導體空調(diào)主要應用于對紅外探測器、激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。2）醫(yī)療領(lǐng)域。半導體空調(diào)的應用更為廣泛，主要用于蛋白質(zhì)功能研究、基因擴增的高檔PCR儀、電泳儀及一些智能精確溫控的恒溫儀培養(yǎng)箱等，用于開發(fā)具有特殊溫度平臺的掃描探針顯微鏡等。3）激光領(lǐng)域。激光技術(shù)常常用于美容儀器、微型零件加工等，其在工作過程中會產(chǎn)生局部熱，可以通過半導體空調(diào)，采用水冷或微型制冷器進行冷卻。4）裝置方面。如實驗用的顯微鏡攝像頭、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置及各種恒溫柜體等，工控電腦和UPS電源在高溫環(huán)境下運行經(jīng)常會發(fā)生報警和故障。因此，通常會在環(huán)境惡劣、溫度較高的電氣柜內(nèi)使用電氣柜專用風機或?qū)Ｓ冒雽w空調(diào)。但如果安裝風機，設(shè)備產(chǎn)生的粉塵可能會侵入柜內(nèi)對工控設(shè)備造成危害，因此這種情況下使用專用半導體空調(diào)比較適宜。

4.2 電控柜應用實例

某公司將300 W半導體溫度調(diào)節(jié)器安裝在冶煉廠備料車間現(xiàn)場電控柜側(cè)壁進行模擬測試，用鉗形電流表測半導體空調(diào)正常運行電流值，用測溫儀測電控柜內(nèi)實際溫度。半導體空調(diào)現(xiàn)場模擬測試見圖2。

圖2 半導體空調(diào)現(xiàn)場模擬測試

測試用電控柜長×寬×高為500 mm×200 mm×600 mm，電控柜內(nèi)有1個80 W的白熾燈泡持續(xù)發(fā)熱，半導體溫度調(diào)節(jié)器電源外置電控柜內(nèi)。測試共進行了4組：1）第1組測試電控柜周邊密封未作處理。開機前，半導體溫度調(diào)節(jié)器設(shè)定溫度12.5℃，電控柜內(nèi)溫度24.3℃。半導體溫度調(diào)節(jié)器運行電流1.30 A，運行時長1 h。2）第2組測試電控柜周邊均打膠作密封處理。開機前，半導體溫度調(diào)節(jié)器設(shè)定溫度14℃，電控柜內(nèi)溫度26.9℃，半導體溫度調(diào)節(jié)器運行電流 1.30 A，運行時長 1 h 20 min。 3）第 3組測試電控柜周邊打膠作密封處理。開機前，半導體溫度調(diào)節(jié)器設(shè)定溫度16.5℃，電控柜內(nèi)溫度27.2℃。半導體溫度調(diào)節(jié)器運行電流1.29 A，運行時長1 h 5 min。4）第4組測試電控柜周邊打膠作密封處理。開機前，半導體溫度調(diào)節(jié)器設(shè)定溫度16℃，電控柜內(nèi)溫度26.5℃。半導體溫度調(diào)節(jié)器運行電流1.30 A，運行時長1 h。半導體空調(diào)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 300 W半導體空調(diào)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)

由表1可知，第1組電控柜內(nèi)溫度基本穩(wěn)定，電控柜內(nèi)前后溫降4.5℃；第2組電控柜內(nèi)溫度基本穩(wěn)定，電控柜內(nèi)前后溫降7.6℃；第3組電控柜內(nèi)溫度基本穩(wěn)定，電控柜內(nèi)前后溫降7.4℃；第4組電控柜內(nèi)溫度基本穩(wěn)定，電控柜內(nèi)前后溫降7℃。由此可見，半導體空調(diào)設(shè)定溫度按操作屏顯示值記錄，取得了比較理想的溫降效果，達到了現(xiàn)場使用的目標要求。

5 結(jié)論

半導體空調(diào)與其他制冷器相比有一定技術(shù)、制造和應用優(yōu)勢，主要是因其制冷技術(shù)的特殊優(yōu)越性和不可替代性，但是效率低下一直制約其發(fā)展的主要因素。因此，未來半導體空調(diào)研究的難點在于開發(fā)新材料、提高制冷效率、提高控制精確等方面。