張偉斌， 付安英，郭 軼，許 丹

（1.咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000；2.陜西華星電子工業(yè)公司 陜西 咸陽(yáng) 712099）

利用半導(dǎo)體溫差電原理研制的半導(dǎo)體制冷器已廣泛用于軍事及民用制冷設(shè)備儀器方面，特別是近年來(lái)，企業(yè)將半導(dǎo)體制冷器成功的應(yīng)用于冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電腦CPU降溫、汽車(chē)駕駛員坐墊等方面，為半導(dǎo)體制冷器應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的空間和市場(chǎng)。應(yīng)用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，試制一種用于小型實(shí)用臨床醫(yī)療和家用半導(dǎo)體制冷物理降溫設(shè)備，用于外科手術(shù)后病人和高燒病人在家中物理降溫，必將具有一定需求量并會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

半導(dǎo)體制冷器[1]是由單片半導(dǎo)體制冷片或多片半導(dǎo)體制冷片串、并聯(lián)所組成的一種冷卻裝置，是從上世紀(jì)五十年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)介于制冷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)邊緣學(xué)科。其工作原理是：當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體接頭處吸收熱量，成為冷端；由P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體的接頭處釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是由通過(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對(duì)數(shù)來(lái)決定，如圖1所示。目前國(guó)內(nèi)常用材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔法提取晶體材料。

圖1 半導(dǎo)體制冷器Fig.1 TEC

利用半導(dǎo)體技術(shù)制造的制冷器作為特種制冷源，在技術(shù)應(yīng)用中有以下優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：

1）不用制冷劑，可連續(xù)工作，無(wú)污染源，工作時(shí)沒(méi)有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)，安裝容易。

2）半導(dǎo)體制冷片是電流換能型組件[2]，通過(guò)輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測(cè)和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3）半導(dǎo)體制冷片可組合成電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)，功率制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬(wàn)瓦。

4）制冷時(shí)間很快，溫差范圍大。

1.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)半導(dǎo)體制冷器原理和特點(diǎn)，結(jié)合研制小型實(shí)用臨床醫(yī)療和家用半導(dǎo)體制冷物理降溫設(shè)備項(xiàng)目要求，設(shè)備應(yīng)進(jìn)行半導(dǎo)體制冷、制冷傳輸、溫度控制、溫度顯示、設(shè)備散熱、電源等幾個(gè)方面研究實(shí)驗(yàn)；設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)和安全性也是研制的重要方面。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Overall structural design

1）半導(dǎo)體制冷部分是利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，對(duì)病人局部進(jìn)行物理降溫，解決其高熱不退問(wèn)題。

2）溫度控制部分是采用電子溫度傳感器對(duì)病人局部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)溫度控制電路實(shí)施控制，以達(dá)到理想的溫度控制效果。

3）溫度顯示部分主要是將溫度傳感器采集的人體溫度轉(zhuǎn)換溫?cái)?shù)字量，供醫(yī)護(hù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人溫度變化情況，做必要的調(diào)整。

4）由于半導(dǎo)體制冷器內(nèi)阻小，通電后制冷制熱速度快，必須使用恒流源供電，因此，設(shè)計(jì)或選擇合適的電源，對(duì)設(shè)備的可靠使用至關(guān)重要。

選取符合研制小型實(shí)用臨床醫(yī)療和家用半導(dǎo)體制冷物理降溫設(shè)備參數(shù)要求的制冷器，設(shè)計(jì)高精度的溫度控制的電子電路，從而可實(shí)現(xiàn)設(shè)備系統(tǒng)的基本功能。

1.3 制冷元件選擇

醫(yī)院對(duì)部分手術(shù)，尤其腦部手術(shù)后病人和高燒不退病人局部降溫，在臨床醫(yī)療方面大多采用冰塊、冷水袋降溫。使用時(shí)不方便，效果較差。目前，在各大醫(yī)院采用一種使用制冷降低水溫，用冷水降溫的方法，但設(shè)備價(jià)格昂貴，不易向中小醫(yī)院和家庭推廣。因此，利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，選用合適的半導(dǎo)體制冷元件作為設(shè)備的制冷降溫器件，是研制工作的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)反復(fù)挑選，我們選用參數(shù)為T(mén)EC1__12705，最大耐壓12 V、最大電流5 A，最大溫差67度的半導(dǎo)體制冷器作為設(shè)備的制冷元件，進(jìn)行研制工作試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，這種參數(shù)的元件可滿(mǎn)足設(shè)備的制冷要求。

1.4 半導(dǎo)體制冷片溫度控制電路設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體制冷片也叫熱電制冷片，它既可制冷又可加熱，根據(jù)流過(guò)半導(dǎo)體的電流方向和大小來(lái)決定其工作狀態(tài)的，電流的方向決定制冷或者制熱，電流的大小決定制冷或者制熱的程度和效果。為了使半導(dǎo)體制冷片能夠自動(dòng)的進(jìn)行恒溫控制，就必須設(shè)計(jì)好其驅(qū)動(dòng)電路和控制電路。采用PID控制技術(shù)[2]，可以用來(lái)對(duì)半導(dǎo)體制冷片的電流進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)高精度的控溫效果，目前在控制系統(tǒng)經(jīng)常使用。選擇ADUC824單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)軟件編程完成對(duì)半導(dǎo)體制冷器的控制。ADUC824是AD公司推出的8051內(nèi)核的高性能單片機(jī)，內(nèi)部集成 了兩路 （21 位＋16 位）A／D、12 位 D／A、FLASH、WDT、μP監(jiān)控、溫度傳感器、等集成于一體，ADUC824體積小、功率低、具備在線(xiàn)編程調(diào)試功能。采用ADUC824作為半導(dǎo)體制冷控制器的核心，可提高了設(shè)計(jì)的可靠性，同時(shí)簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體制冷的功率驅(qū)動(dòng)采用全橋電路，可以在單實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的控制?；贏DUC824的半導(dǎo)體制冷總體控制電路框圖如圖3所示。

圖3 總體控制電路框圖Fig.3 Overall controlling circuit diagram

1.5 溫度采集與顯示

在制冷器溫度控制電路中，首選的電子元件應(yīng)是溫度傳感器，溫度傳感器主要通過(guò)物體隨溫度變化而改變某種特性來(lái)間接測(cè)量電子元件、材料的特性都會(huì)隨著溫度的變化而變化，能作為溫度傳感器的材料比較多。溫度傳感器會(huì)隨溫度變化而引起物理參數(shù)變化的有：電阻、膨脹、電容等。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，新型的溫度傳感器不斷的用于工業(yè)測(cè)量和控制中。選用NTC型熱敏電阻作為溫度檢測(cè)元件；NTC溫度傳感器器為負(fù)溫度系數(shù)溫度傳感器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。具有半導(dǎo)體性質(zhì)，在導(dǎo)電方式上完全類(lèi)似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時(shí)，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC溫度傳感器器在室溫下的變化范圍在10～1 000 Ω，溫度系數(shù)－2%～－6.5%。 NTC 溫度傳感器器可廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場(chǎng)合。電阻值和溫度變化的關(guān)系式為：RT=RN expB（1/T－1/TN）。

用NTC溫度傳感器對(duì)制冷器溫度進(jìn)行測(cè)量，并將采集的溫度信號(hào)傳送到IC進(jìn)行處理，控制適當(dāng)溫度[4]，以適應(yīng)病人降溫的溫度，經(jīng)試驗(yàn)，溫度控制在19～23度較為合適。溫度顯示采用具有電流－溫度轉(zhuǎn)換電路的LCD顯示器件[6]，實(shí)時(shí)顯示制冷器溫度，以便在臨床醫(yī)療時(shí)醫(yī)護(hù)人員隨時(shí)檢測(cè)病人降溫的溫度。

1.6 制冷片散熱試驗(yàn)

半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠(yuǎn)大于1。由于熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差。使用一個(gè)片件就可以作為加熱系統(tǒng)或制冷系統(tǒng)[5]。要達(dá)到理想的制冷溫度，必須采用理想的散熱系統(tǒng)。經(jīng)課題組反復(fù)試驗(yàn)，認(rèn)為采用金屬散熱器和小型電風(fēng)扇組合，可解決制冷器散熱問(wèn)題，達(dá)到理想效果。

2 研制結(jié)果

在研制過(guò)程中，在分部件選購(gòu)、研制完成的基礎(chǔ)上，根據(jù)總體設(shè)計(jì)思路，選用了12 V、5 A的恒流源，并進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)組裝和性能試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明，在設(shè)備通電3分鐘后，制冷器輔助降溫系統(tǒng)可控溫到18～21度，PID控溫系統(tǒng)[6]、LCD溫度顯示系統(tǒng)、制冷器工作系統(tǒng)工作正常，可連續(xù)工作3小時(shí)以上。經(jīng)對(duì)臨床病人及發(fā)燒病人試驗(yàn)，效果較好。達(dá)到了預(yù)期研制項(xiàng)目任務(wù)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)備研制過(guò)程中，注重進(jìn)行了制冷器電子控制等部分的研制，但對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)，特別是機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，由于條件限制，研制試驗(yàn)不到位，離臨床應(yīng)用還有一定的距離，以后，應(yīng)主要在臨床應(yīng)用方面做細(xì)致的設(shè)計(jì)研究，以達(dá)到實(shí)用目的。

[1]陳振林，孫中泉.半導(dǎo)體制冷器原理與應(yīng)用[J].微電子技術(shù)，1999（5）：63－65.CHEN Zhen-lin，SUN Zhong-quan. The principle and application of semiconductor refrigeration[J].Microelectronics technology，1999（5）：63－65.

[2]盧宋榮，薛相美.半導(dǎo)體制冷及其在家用電器中的應(yīng)用[J]，制冷，2004，23（1）：83－85.LU Song-rong，XUE Xiang-mei.The semiconductor refrigeration technique and application in domestic appliance[J].Refrigeration，2004，23（1）：83－85.

[3]肖偉平，黃紹平.基于模糊PID控制的半導(dǎo)體制冷片溫控系統(tǒng)的研制[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2008，6（3）：54－56.XIAO Wei-ping，HUANG Shao-ping .The development of a temperature control system for a semiconductor chilling plate based on the fuzzy PID control[J].Industrial Instrumentation&Automation，2008，6（3）：54－56.

[4]龐長(zhǎng)林，王曉浩，周兆英，等.小型半導(dǎo)體制冷恒溫控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2002（2）：12－14.PANG Chang-lin，WANG Xiao-hao，ZHOU Zhao-ying，et al.Experiment study for micro constant temperature controling system based on semiconductor cooler[J].Instrument Techniouf and Sensor，2002（2）：12－14.

[5]房偉.半導(dǎo)體制冷技術(shù)在LED散熱中的應(yīng)用 [J].計(jì)算機(jī)光盤(pán)軟件與應(yīng)用，2011（6）:53－54.FANG Wei.Application ofsemiconductorrefrigeration technology in LED heat dissipation[J].Computer CD Software and Applications，2011（6）：53－54.

[6]王太峰，歐陽(yáng)新萍.一種新型便攜式制冷保溫容器的試驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào)，2006，6（5）：67－70.WANGTai-feng，OUYANGXin-ping.Experimental investigation on a new convenient thermoelectric refrigeration unit[J].Refrigeration and Air-Conditioning，2006，6（5）：67－70.