半导体空调的原理及应用

2019-05-08吴茂林

有色冶金设计与研究 2019年2期

吴茂林

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

半导体制冷技术是20世纪60年代随着半导体工业的发展而发展起来的一种制冷技术。与传统的制冷技术不同，半导体制冷没有制冷剂，是利用珀尔贴效应制冷。但从目前国内外对半导体制冷研究的情况来看，半导体制冷技术远没有成熟，半导体制冷应用的范围也较为局限[1]。本文以某冶炼厂备料车间为例，通过对半导体空调的原理与优缺点的分析，探讨半导体空调的应用前景。

1 半导体空调的概念与原理

1.1 概念

半导体空调是利用半导体正向和反向电流所引起的冷热效应原理研发而成的，由半导体制冷片（含密封和隔热材料）、冷端与热端散热器、冷端与热端风机、监控模块4部分组成。当给系统供电时，半导体制冷片一侧制冷，另一侧制热，所产生的冷（热）量分别通过冷（热）端散热器和风机扩散到周围环境。其中，冷端散热器和冷端风机组成内循环，可用于电气机柜内部环境制冷。

1.2 原理

半导体制冷又称电子制冷，其原理是利用两种半导产生珀尔帖效应，即通过导体材料构成的P-N结，形成热电偶对[2]。半导体制冷是直流电制冷的一种新型制冷方法，它与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。半导体制冷的原理示意见图1。

图1 半导体制冷的原理示意

由图1可以看出，半导体中有两种载流子，即价带中的空穴和导带中的电子。其中，以电子导电为主的半导体称之为N型半导体；以空穴导电为主的半导体称为P型半导体。“N”表示负电的意思，取自英文Negative的第1个字母。在这类半导体中，参与导电的(即导电载体)主要是带负电的电子，这些电子来自半导体中的施主。凡掺有施主杂质或施主数量多于受主的半导体都是N型半导体，如含有适量五价元素砷、磷、锑等的锗或硅等半导体。

用导体连接两块不同的金属，接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。若将电源反接，则接点处的温度相反变化，这一现象称为珀尔帖效应，又称热—电效应。纯金属的热—电效应很小，若使用1个N型半导体和1个P型半导体代替金属，效应就大得多。接通电源后，上接点附近产生电子—空穴对，内能减小，温度降低，向外界吸热，称为冷端；另一端因电子—空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热，称为热端。1对半导体热电元件所产生的温差和冷量都很小，实用的半导体制冷器是由很多对热电元件经并联、串联组合而成，也称热电堆。单级热电堆可得到大约60℃的温差，即冷端温度可达-10～-20℃。增加热电堆级数即可使两端的温差加大，但级数不宜过多，一般为2～3级[3]。

1.3 半导体空调的分类

根据制冷量的大小，半导体空调可分为大型半导体空调和小型半导体空调。大型半导体空调指的是制冷量在1 kW以上的装置，目前最大制冷量超过30 kW；小型半导体空调的制冷量一般是几百瓦，即1 kW以内，其基本组织模式是采用若干陶瓷绝缘热电制冷模块与热交换器组合。

按照系统冷、热媒介的不同，半导体空调可分为气—气系统半导体空调、气—水系统半导体空调、水—水系统半导体空调。

2 半导体空调的优、缺点

1）与传统的制冷空调相比，半导体空调具有如下优点：（1）噪音可控（根据环境温度变化，自动调节风机转速）。特别是夏季，白天环境温度比较高，空调热负荷大，风机高速运转，制冷效果好；夜晚环境温度降低，热负荷降低，风机转速变慢，噪音降低。（2）工作性能稳定，寿命长，没有压缩机等运转部件，寿命长达15年。（3）风机无级智能调速，无凝水控制。（4）体积小、厚度薄，占用舱体空间小，安装方便。外形美观，结构精巧。（5）环保，无温室气体产生，是绿色健康空调。

2）半导体空调具有如下缺点：制冷系数较小，一般为0.6左右，电耗量相对较大，主要用于耗冷量小和占地空间小的场合，如电子设备和无线电通信设备中某些元件的冷却、工业控制柜制冷以及恒温医疗制冷等行业。

3 半导体空调生产工艺

半导体空调总成的生产工艺流程分为四大部分，分别是冷热元件组件组装、风罩组装及控制板组装、整机的前后外罩组装以及产品测试和包装。

1）冷热元件组件组装工艺流程。其工艺流程如下：散热片点胶及自动组装→散热片组件刷导热硅脂→热交换元件性能测试及外形尺寸检测→组装冷热元件与散热片及中缝点胶→散热片三模组定位→接线板点胶及与隔热板组装→热交换元件模组和上下接线板点胶并组装→上下接线板连接片焊接→焊点检查→热交换元件模组贴条码并测试。

2）风罩组装及控制板组装工艺流程。其工艺流程如下：上下风罩与冷热元件组件自动组装→灌密封胶及烘烤→接水槽点胶并联接→控制电路板自动上料后测试→控制电路板与金属板自动组装→锁金属板到上风罩→装测温探头&插接端子线→点胶固定线材&贴胶带→上下风罩自动组装及点密封胶。

3）整机前后外罩组装工艺流程。其工艺流程如下：风扇、积热罩与后罩组装→风扇、电源与前罩组装→前后罩与风罩组合体装配→装90°冷凝管→组装外罩探头和插接端子线→自动组装外罩。

4）产品测试及包装工艺流程。其工艺流程如下：镭射条码→自动开机噪音测试→自动整机震动测试→自动整机性能测试→外观检查→自动包装。

4 半导体空调的应用

4.1 半导体空调应用范围

半导体空调由于效率较低、成本高的缺点，使其只适用于体积紧凑、制冷要求不高等特殊场合。1）技术领域。半导体空调主要应用于对红外探测器、激光器和光电倍增管等光电器件的制冷。2）医疗领域。半导体空调的应用更为广泛，主要用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及一些智能精确温控的恒温仪培养箱等，用于开发具有特殊温度平台的扫描探针显微镜等。3）激光领域。激光技术常常用于美容仪器、微型零件加工等，其在工作过程中会产生局部热，可以通过半导体空调，采用水冷或微型制冷器进行冷却。4）装置方面。如实验用的显微镜摄像头、冷箱、冷槽、电子低温测试装置及各种恒温柜体等，工控电脑和UPS电源在高温环境下运行经常会发生报警和故障。因此，通常会在环境恶劣、温度较高的电气柜内使用电气柜专用风机或专用半导体空调。但如果安装风机，设备产生的粉尘可能会侵入柜内对工控设备造成危害，因此这种情况下使用专用半导体空调比较适宜。

4.2 电控柜应用实例

某公司将300 W半导体温度调节器安装在冶炼厂备料车间现场电控柜侧壁进行模拟测试，用钳形电流表测半导体空调正常运行电流值，用测温仪测电控柜内实际温度。半导体空调现场模拟测试见图2。

图2 半导体空调现场模拟测试

测试用电控柜长×宽×高为500 mm×200 mm×600 mm，电控柜内有1个80 W的白炽灯泡持续发热，半导体温度调节器电源外置电控柜内。测试共进行了4组：1）第1组测试电控柜周边密封未作处理。开机前，半导体温度调节器设定温度12.5℃，电控柜内温度24.3℃。半导体温度调节器运行电流1.30 A，运行时长1 h。2）第2组测试电控柜周边均打胶作密封处理。开机前，半导体温度调节器设定温度14℃，电控柜内温度26.9℃，半导体温度调节器运行电流 1.30 A，运行时长 1 h 20 min。 3）第 3组测试电控柜周边打胶作密封处理。开机前，半导体温度调节器设定温度16.5℃，电控柜内温度27.2℃。半导体温度调节器运行电流1.29 A，运行时长1 h 5 min。4）第4组测试电控柜周边打胶作密封处理。开机前，半导体温度调节器设定温度16℃，电控柜内温度26.5℃。半导体温度调节器运行电流1.30 A，运行时长1 h。半导体空调现场测试数据见表1。

表1 300 W半导体空调现场测试数据

由表1可知，第1组电控柜内温度基本稳定，电控柜内前后温降4.5℃；第2组电控柜内温度基本稳定，电控柜内前后温降7.6℃；第3组电控柜内温度基本稳定，电控柜内前后温降7.4℃；第4组电控柜内温度基本稳定，电控柜内前后温降7℃。由此可见，半导体空调设定温度按操作屏显示值记录，取得了比较理想的温降效果，达到了现场使用的目标要求。