摘 要：恒溫箱是一種封閉式空間裝置，因其內(nèi)部溫度恒定而能滿足現(xiàn)代各領(lǐng)域作業(yè)的恒溫需要，文章基于傳統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)致恒溫箱內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)控制效果不良的情況結(jié)合半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析，從而來大大改善傳統(tǒng)技術(shù)下恒溫箱的恒溫效果。

關(guān)鍵詞：恒溫箱；半導(dǎo)體制冷技術(shù)；控制

1 半導(dǎo)體技術(shù)概述

半導(dǎo)體制冷技術(shù)又叫溫差制冷、熱電制冷技術(shù)。其主要基于塞貝克效應(yīng)、帕爾貼效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)原理，利用P、N型半導(dǎo)體組成的半導(dǎo)體熱電偶中電流的流向不同而形成的溫差進(jìn)行制冷與制熱。根據(jù)帕爾貼效應(yīng)，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(qiáng)弱成正比。

2 傳統(tǒng)恒溫箱與半導(dǎo)體制冷技術(shù)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(jī)、熱風(fēng)機(jī)三部分組成，溫度傳感器測量內(nèi)部空氣溫度，作為信號采集端結(jié)合繼電器發(fā)出命令，當(dāng)溫度高于上限時，開啟壓縮機(jī)制冷，溫度下降。溫度低于下限時，開啟熱風(fēng)機(jī)（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(dá)到恒溫的目的。而半導(dǎo)體恒溫箱實際上是在傳統(tǒng)恒溫箱基礎(chǔ)上做了替代與優(yōu)化。依據(jù)半導(dǎo)體制冷原理，選取半導(dǎo)體制冷芯片替代制冷壓縮機(jī)作為關(guān)鍵制冷部件，通過改變半導(dǎo)體制冷芯片的電流方向?qū)崿F(xiàn)制冷制熱的雙向選擇，調(diào)節(jié)電流強(qiáng)弱來改變升溫或降溫的幅度，以此將恒溫箱內(nèi)部溫度控制在設(shè)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(jìn)行測量，一般情況下，恒溫箱內(nèi)部空間溫度達(dá)到上、下限時才開始加熱或制冷，溫度需要一段時間才能達(dá)到理想值。因此，對于某些對控溫精度要求較高的設(shè)備，可設(shè)置偏離度，使之提前加熱或制冷；就硬件設(shè)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(shè)備體積較大，此外由于振動噪音高、電源需求嚴(yán)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(yīng)用的發(fā)展有著很重要的意義。因而半導(dǎo)體制冷技術(shù)對恒溫箱的應(yīng)用將其從笨重復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中解放出來，形成了新型的空調(diào)系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)恒溫箱，半導(dǎo)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(shù)性遺留問題。

3 半導(dǎo)體恒溫箱性能研究

（1）小型半導(dǎo)體恒溫箱其主要構(gòu)成部件是由箱體、冷熱端的散熱片及半導(dǎo)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(dǎo)體恒溫箱的散熱部分中我們可以采用強(qiáng)制換熱的方式增強(qiáng)換熱效果，一般有空冷式、水冷式強(qiáng)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(jìn)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(jié)、焊接、機(jī)械固定三種，粘結(jié)與焊接都使用其他介質(zhì)對散熱片與制冷片進(jìn)行連接，介質(zhì)材料的選取對導(dǎo)熱性能起主導(dǎo)作用，后者的工藝實現(xiàn)更復(fù)雜；機(jī)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(yīng)結(jié)合考慮以上兩種因素對散熱方式及其安裝形式進(jìn)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(dǎo)體恒溫箱的性能進(jìn)行分析：

試驗1：在正常環(huán)境溫度下，保證散熱風(fēng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(fēng)扇在運行和停運情況下各時間段恒溫箱內(nèi)部的溫度，測試數(shù)據(jù)見圖2。

測試在前50分鐘內(nèi)保持散熱風(fēng)扇處于運行狀態(tài)。由圖2可以看出在前10分鐘內(nèi)恒溫箱內(nèi)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(fēng)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(nèi)溫度，從而看出制熱端的散熱好壞對半導(dǎo)體制冷效果有著顯著的影響，因此在恒溫箱內(nèi)加強(qiáng)對熱端的散熱效果，有利于增強(qiáng)制冷效果達(dá)到恒溫的目的。

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

4 半導(dǎo)體制冷技術(shù)在恒溫箱的應(yīng)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(nèi)部溫度恒定而能滿足現(xiàn)代各領(lǐng)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?、疾控中心中也能作為特殊藥品的儲存空間站，同時醫(yī)院中還可以作為新生兒培育箱，對于城市水質(zhì)地質(zhì)檢測等也有著廣泛應(yīng)用，這是新科技發(fā)展時代中必不可少的重要工具。

5 結(jié)束語

半導(dǎo)體制冷技術(shù)作為一種新型的制冷技術(shù)把它運用到恒溫箱制冷設(shè)備中從而一舉解決了其散熱難等問題。而且半導(dǎo)體制冷技術(shù)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(zhì)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(shù)應(yīng)不僅在恒溫箱內(nèi)部設(shè)備散熱方面具有發(fā)展空間，同時也必將廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、醫(yī)療保健、農(nóng)林畜牧、生物實驗等多個領(lǐng)域，因此未來半導(dǎo)體制冷技術(shù)將呈上升發(fā)展趨勢。

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