高性能半导体零度恒温器的设计与应用

半导体零度恒温器制冷不需要任何介质，可长期连续工作，无污染、无噪音，尺寸小，重量轻；侧面双搅拌/散热系统在半导体零度恒温器的应用。
关键词：半导体零度恒温器、珀尔帖效应、热电偶冷端补偿、冷端补偿套线
 
1          引言
半个多世纪以来，检定热电偶时用雪花状的冰水混合物作为冷端补偿的参考端是检定规程的要求，在各计量所、军工、航空航天、石化等行业都有广泛的应用。从实际使用来看，冰水混合物相对稳定，但对保温、时间长短和环境依赖性很大，且制作不方便。近几年，随着半导体技术的不断发展和深化，半导体零度恒温器作为新型的冷端参考方式开始走向市场，并在各行业形成了广泛应用。
 本文通过介绍半导体制冷原理解析制冷方式和设计注意事项，如何设计和应用半导体零度恒温器。
2          半导体制冷及特性分析
2.1         半导体制冷理论基础［1］
制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、西伯克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。
 
 
珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）
　　一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。
　　Qл=л.I л=aTc
　　式中：Qπ为放热或吸热功率
　　π为比例系数，称为珀尔帖系数
　　I为工作电流
　　a为温差电动势率
　　Tc为冷接点温度
汤姆逊效应（THOMSON EFFECT）
　　当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：
　　Qτ=τ.I.△T
　　Qτ为放热或吸热功率
　　τ为汤姆逊系数
　　I为工作电流
　　△T为温度梯度半导体制冷工作原理
 
2.2         半导体制冷工作原理
　　半导体制冷技术的主要原理是基于帕尔贴效应，根据热电效应技术的特点,采用特殊半导体材料热电堆来制冷,能够将电能直接转换为热能,效率较高。目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋[3],加入不纯物经过特殊处理而成N型或P型半导体温差元件，它的工作特点是一面制冷一面发热[2]。
　　根据量子理论，金属与半导体材料具有不同的能级、不同的接触电位差和不同的载荷体。如图一所示，P型与N型半导体之间用金属板连接，另一端通过金属板构成图中电路，当合上电键k时，就会有图中的电流通过PN结，这样就会在半导体与金属板相连的上端形成帕尔帖冷效应，下端形成帕尔帖热效应[4]。
图一
2.3         半导体制冷的优点
l        帕尔帖效应原理制冷不需要任何介质，可连续工作，无污染、无噪音，尺寸小，重量轻
l        制冷热惯性非常小，制冷时间很快，方便PID控制器对其进行控制
l        半导体制冷片即可单独制冷，也可通过串/并联方式加大制冷功率，缩短制冷时间
l        温差范围从正温90℃到负温度130℃都可以实现，扩展应用广泛
l        半导体制冷作为电流换能型起件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，应用于热电偶自动群控检定装置可组成自动检定系统
2.4         半导体零度恒温器的设计
在成熟的半导体制冷技术原理基础上，产品设计主要集中在制冷功率计算、制冷控制、保温、散热和搅拌技术的设计。
半导体制冷器有两种工作状态，即最大制冷量或最大制冷温差状态与最大制冷效率状态。本文的目的是设计固定点半导体制冷器，温差不大，故采用最大制冷效率状态进行设计，以保证在达到制冷温差的前提下尽量降低功耗。
2.4.1   系统硬件组成
半导体零度恒温器使用了俄罗斯进口的高性能半导体制冷片，日本岛电的SR系列PID控制器，并带有RS232接口，方便实现自动化控制。高性能保温系统、散热/搅拌装置和专用热电偶补偿接线采用北京中航瑞科的产品设计，系统图如图二
P/N堆
 
 
P/N
P/N
风扇
风扇
功率调节板
SV 0.00
PV 0.00
PID调节器
环氧树脂膜
控温电阻
热电偶接线
单股铜线
 
 
 
图二 半导体零度恒温器系统组成
2.4.2   温场均匀性
   在全空间内要保证均匀性难度较大，本设计采用了独特的侧面双搅拌方式，以对角的位置形成磁搅拌，使空气以两个环形转动并相互交叉，以到达全工作区域内0.02℃的均匀度。温场检测方法可参考JJG 229-2010
2.4.3   散热对制冷性能的影响分析
   半导体制冷效率受半导体冷、热端温度影响很大，通过改善传热条件,提高半导体制冷效率。铜板是一种高效传热元件,将热管与半导体制冷元件充分接触,在一定条件下,可以达到比较理想的制冷效果。
由图二可见，在较小的空间中，随着热端温度增高，仅凭铜板本身散热远远不够。在本设计中专门安装双风扇散热，使冷/热空气强制对流提高热量的传递和制冷效率，有效保证制冷片快速制冷。
2.4.4   环境温度对制冷性能的影响分析
在实际使用中，环境温度对半导体制冷片的制冷作用也有相当的影响，经测算，温度超过25℃的情况下，环境温度每增加1℃，制冷稳定时间需延长1分钟。本设计主要考虑环境温度＜35℃的情况下使用，稳定时间控制在半小时以内。
3          半导体零度恒温器的应用
3.1         热电偶冷端补偿
作为稳定的0℃恒温源，在通电状态下可长期保持稳定，准确度0.1℃，技术指标完全满足并优于冰水混合物指标，所以首要设计是使用在热电偶冷端补偿上，连接方式如图三
亚弧焊，防氧化，外管为无磁不锈钢材料
 
 
通往电测仪表
I = 1~10
I = 1~10
单股铜线 +
补偿导线 +
补偿导线 -
单股铜线 -
热电偶
半导体零恒温器
密封，抽真空
 
 
图三 半导体零度恒温器接线方法
 
在图三中，补偿导线设计成不互相独立的补偿套线，使用时根据不同型号的被检热电偶选择不同的套线。套线包括单股铜线和精密补偿导线，连接端完全密封，套线管壁为无磁不锈钢材料，管内为真空，导温快、防氧化。导线两端一端和热电偶相连一端通往电测仪表。
3.2         半导体零度恒温器的扩展应用
加深半导体零度恒温器的插入深度即可检定铂电阻，将外壳设计为透明状可方便作为医学分析。扩大容积和加大制冷功率可模拟外太空低温环境。总之，在正温90℃到负温度130℃的范围内，通过相应的功率计算，使用不同的P/N堆都可实现设定温度的稳定。
4          结束语
以此方法设计的半导体制冷恒温器在国家计量院的应用和中国测试技术研究院的检定证明技术指标是完全符合并优于国家相关检定规程，设计是成功的。随着半导体制冷技术在热工领域的扩展应用也越来越广，包括制冷式油槽，半导体式低温槽，恒温箱等。半导体零度恒温器作为新型的热电偶冷端补偿器，也必将具有广泛的应用前景，对降低热工操作人员劳动强度、提高工作效率和检定质量都将起到积极的作用。