吳茂林

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

半導體制冷技術是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。與傳統(tǒng)的制冷技術不同，半導體制冷沒有制冷劑，是利用珀爾貼效應制冷。但從目前國內外對半導體制冷研究的情況來看，半導體制冷技術遠沒有成熟，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，通過對半導體空調的原理與優(yōu)缺點的分析，探討半導體空調的應用前景。

1 半導體空調的概念與原理

1.1 概念

半導體空調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，半導體制冷片一側制冷，另一側制熱，所產生的冷（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循環(huán)，可用于電氣機柜內部環(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生珀爾帖效應，即通過導體材料構成的P-N結，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?！癗”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，上接點附近產生電子—空穴對，內能減小，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 半導體空調的分類

根據制冷量的大小，半導體空調可分為大型半導體空調和小型半導體空調。大型半導體空調指的是制冷量在1 kW以上的裝置，目前最大制冷量超過30 kW；小型半導體空調的制冷量一般是幾百瓦，即1 kW以內，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，半導體空調可分為氣—氣系統(tǒng)半導體空調、氣—水系統(tǒng)半導體空調、水—水系統(tǒng)半導體空調。

2 半導體空調的優(yōu)、缺點

1）與傳統(tǒng)的制冷空調相比，半導體空調具有如下優(yōu)點：（1）噪音可控（根據環(huán)境溫度變化，自動調節(jié)風機轉速）。特別是夏季，白天環(huán)境溫度比較高，空調熱負荷大，風機高速運轉，制冷效果好；夜晚環(huán)境溫度降低，熱負荷降低，風機轉速變慢，噪音降低。（2）工作性能穩(wěn)定，壽命長，沒有壓縮機等運轉部件，壽命長達15年。（3）風機無級智能調速，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，結構精巧。（5）環(huán)保，無溫室氣體產生，是綠色健康空調。

2）半導體空調具有如下缺點：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，如電子設備和無線電通信設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 半導體空調生產工藝

半導體空調總成的生產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 半導體空調的應用

4.1 半導體空調應用范圍

半導體空調由于效率較低、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）技術領域。半導體空調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)療領域。半導體空調的應用更為廣泛，主要用于蛋白質功能研究、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）激光領域。激光技術常常用于美容儀器、微型零件加工等，其在工作過程中會產生局部熱，可以通過半導體空調，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使用電氣柜專用風機或專用半導體空調。但如果安裝風機，設備產生的粉塵可能會侵入柜內對工控設備造成危害，因此這種情況下使用專用半導體空調比較適宜。

4.2 電控柜應用實例

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

圖2 半導體空調現(xiàn)場模擬測試

測試用電控柜長×寬×高為500 mm×200 mm×600 mm，電控柜內有1個80 W的白熾燈泡持續(xù)發(fā)熱，半導體溫度調節(jié)器電源外置電控柜內。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，半導體溫度調節(jié)器設定溫度12.5℃，電控柜內溫度24.3℃。半導體溫度調節(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，半導體溫度調節(jié)器設定溫度14℃，電控柜內溫度26.9℃，半導體溫度調節(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，半導體溫度調節(jié)器設定溫度16.5℃，電控柜內溫度27.2℃。半導體溫度調節(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，半導體溫度調節(jié)器設定溫度16℃，電控柜內溫度26.5℃。半導體溫度調節(jié)器運行電流1.30 A，運行時長1 h。半導體空調現(xiàn)場測試數(shù)據見表1。

表1 300 W半導體空調現(xiàn)場測試數(shù)據

由表1可知，第1組電控柜內溫度基本穩(wěn)定，電控柜內前后溫降4.5℃；第2組電控柜內溫度基本穩(wěn)定，電控柜內前后溫降7.6℃；第3組電控柜內溫度基本穩(wěn)定，電控柜內前后溫降7.4℃；第4組電控柜內溫度基本穩(wěn)定，電控柜內前后溫降7℃。由此可見，半導體空調設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 結論

半導體空調與其他制冷器相比有一定技術、制造和應用優(yōu)勢，主要是因其制冷技術的特殊優(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。