六级半导体制冷器工作特性的实验研究

武卫东，姜同玲，于子淼

（上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093）

六级半导体制冷器工作特性的实验研究

武卫东*，姜同玲，于子淼

（上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093）

本研究搭建了六级半导体制冷器工作特性测试实验台。实验研究了不同输入电压、热端温度和外部散热情况等工况下六级半导体制冷器冷端温度的变化规律。结果表明：制冷器初始阶段的温降速率随输入电压的增大而增大，同一输入电压下的温降速率随着时间的推移逐渐减小；相比二级半导体制冷器，两者温降速率基本相同；所研究六级半导体的最佳输入电压为20 V～30 V；制冷器冷端温度随热端温度的上升而升高；外部环境绝热有利于降低冷端温度。

六级半导体制冷器；工作特性；实验研究

0 引言

半导体制冷也被称作温差电制冷，是建立在珀尔帖效应基础上的制冷技术[1]。它具有噪声低、不需要使用任何制冷剂和易于微型化等优势[2]。半导体制冷应用领域的不断拓展是其快速发展的重要牵引力[3-4]。值得注意的是，单级半导体制冷器的最大温差一般只能达到70 K，在大温差条件下工作时，制冷效率会迅速降低。而多级半导体制冷则可以实现更大温差，并且在大温差下工作时同样具有良好的制冷性能。

影响半导体性能的参数主要包括半导体本身材料属性、半导体制冷器结构以及热端散热方式。宣向春等[5]从二元固溶体、三元固溶体、Bi-Sb合金、Ag1-xCuTiTe和YBaCuO超导材料五个方面介绍了现今性能较好的半导体制冷器材料的情况，并总结了提高材料优值系数的方法。关于半导体制冷结构的研究，主要集中在半导体高度、半导体形状、电偶臂长度和热电堆数量比等方面[6]。实际应用中，为了得到更大的温差和良好的COP，通常采用多级半导体制冷器。BULMAN G E等[7]设计了一种采用超晶格薄膜材料Bi2Te3和Sb2Te3的三级半导体制冷器，通过对各级电流的控制，可以达到102 K的最大温差。HUEBENER R P等[8]通过对四级半导体制冷器的研究发现，在热端温度282 K的条件下，该四级半导体的冷端温度最低可达到149 K。HWANG G S等[9]设计并实验研究了六级平板型半导体制冷器，将其利用在MEMS装置的冷却方面，在68 mW的极小负荷下得到了51 K的温差。

在半导体冷热端散热方面，国内外学者也展开了较为全面的研究。李茂德等[10]研究表明半导体制冷系数COP随散热强度的增强而提高，但当散热强度到达一定值后，制冷系数将不会再有明显改变。代伟[11]也通过研究发现半导体制冷存在最佳热端散热强度，实际应用中应对热端散热系统进行合理设计。王凯等[12]通过对小型半导体制冷器的实验发现强化热端的散热和强化冷端的冷量散发有利于降低热电堆冷热端的温差，提高半导体的制冷效率。

目前多级半导体级数最高为六级，尽管国内外学者对不同级数的半导体制冷器的结构和冷热端散热方式进行了不少研究，却鲜有报道关于单个六级半导体制冷器的制冷特性分析。因此，本文在搭建半导体制冷器工作特性测试实验台的基础上，对六级半导体制冷器在不同外部条件（输入电压、热端温度和外部散热条件等）改变时其冷端温度的变化进行了实验研究。同时，对二级半导体制冷器和六级半导体制冷器的温降特性进行了比较分析。

1 多级半导体制冷实验装置

本实验系统主要由半导体制冷器、热端散热模块、电压输入模块、绝热系统和数据采集模块五大部分组成，实验装置如图1所示。

图1 多级半导体制冷实验装置（A为冷端温度测点）

为了解不同级数半导体制冷器的制冷特性，本文对六级半导体制冷器和二级半导体制冷器分别进行了实验。实验中采用的二级半导体制冷器和六级半导体制冷器均来自昆晶冷片（深圳）有限公司，其中二级半导体制冷器和六级半导体制冷器的最大输入电压分别为4 V、30 V。具有最优化设计的六级半导体制冷器高度为23 mm，含有606个电堆数，每一级面积分别为(20×20) mm、(25×25) mm、(38×38) mm、(50×50) mm、(55×55) mm、(62×62) mm，其中(20×20) mm、(62×62) mm等分别对应半导体冷、热端面积。电压输入控制模块采用NF EC1000S型号的可编程直流/交流电源，可输出直流或交流电，电压输出范围-190 V ～ +190 V，精度1%。绝热系统在设计上采用导热性极低的珠光砂，其导热系数为(0.022～0.025) W/(m·K)。热端散热模块采用水冷散热器，其中冷却水回路由上海越平科学仪器有限公司生产的恒温槽提供，可以提供-5 ℃ ～ +100 ℃的恒温环境。

在实验中，温度作为主要测量参数，数据采集模块主要由数据采集仪、热电偶和计算机组成，实现了对实验过程中各个温度测量点的温度变化的实时监测与记录。数据采集仪采用美国安捷伦公司生产的Agilent34970A；热电偶采用上海大华-千野仪表有限公司生产的T型热电偶，精度±0.5 ℃，电偶丝直径为0.2 mm，其正极材料为纯铜，负极材料为60%铜和40%镍的合金，并经二级标准温度计在恒温槽上标定。

2 外部条件对六级半导体制冷器冷端温度的影响

外部条件主要指输入电压、热端温度以及换热条件。改变外部条件时，冷端温度将随之变化。

2.1 不同输入电压下的冷端温度

因半导体制冷器本身电阻数值保持不变，由P=U2/R可知，输入电压的变化意味着半导体输入功率的变化。热端温度保持8 ℃，六级半导体制冷器冷端温度随输入电压的变化如图2所示。

从图2可以看出，绝热与室温条件下，六级半导体制冷器冷端温度随半导体输入电压呈现先降低后升高的趋势。绝热条件下的冷端温度始终低于室温条件下的冷端温度，这是因为室温条件下半导体制冷器冷端与外界环境存在热量交换，此时相当于有冷量输出。在输入电压25 V时，室温条件下，冷端温度为-65.8 ℃，绝热条件下，冷端温度可达到-102.2 ℃；输入电压30 V时，室温条件下，冷端温度为-56.4 ℃，绝热条件下，冷端温度可达到-84.1 ℃。可以看出，本实验采用的六级半导体制冷器，在输入电压20 V～30 V存在最低冷端温度，对应的输入电压被称为最佳输入电压。当实际输入电压小于最佳输入电压时，半导体制冷性能的提高受输入电压影响较大，随着输入电压的增大，半导体制冷器的冷端温度呈递减趋势；当实际输入电压大于最佳工作电压时，增大输入电压已不能提高半导体制冷器的制冷性能，冷端温度随输入电压的增大不降反增。

图2 六级半导体制冷器冷端温度随输入电压的变化

2.2 不同热端温度下的冷端温度

在输入电压保持15 V下，六级半导体制冷器冷端温度随热端温度的变化如图3所示。

图3 六级半导体制冷器冷端温度随热端温度的变化

从图3可以看出，绝热与室温条件下，六级半导体制冷器冷端温度均随热端温度的上升而升高。这是因为热端温度升高，热电堆需要克服的不可逆因素增大，其冷端温度必然随之升高。在半导体制冷器热端温度24 ℃时，室温条件下，冷端温度为-26.8 ℃，绝热条件下，冷端温度可达到-45.6 ℃。

3 六级/二级半导体制冷器的温降特性对比

为探讨不同级数多级半导体制冷器性能随外界条件改变时的制冷特性，在相同实验条件下，进行了不同输入电压下二级/六级半导体制冷器的温降特性实验。在绝热条件下，对二级半导体制冷器在输入电压为1 V、2 V、3 V、4 V时，对六级半导体制冷器在输入电压为5 V、10 V、15 V、20 V、25 V、30 V时冷端的温降特性进行研究，温降曲线如图4、图5所示。

图4 不同输入电压下二级半导体制冷器冷端温降曲线

图5 不同输入电压下六级半导体制冷器冷端温降曲线

从图4、图5可以看出，六级半导体制冷器冷端温降趋势与二级半导体制冷器基本相同。开始60 s内温降速率相对较大，并且初始阶段的温降速率均随输入电压的增大而增大。随着时间的推移，温降速率逐渐减小，冷端温降曲线最终都趋于水平，冷热端换热达到平衡状态。这是由于初始时间段内，输入电压占主导因素，因此随着输入电压的增大，半导体制冷性能增强，温降速率提高。

从图5还可以看出，与二级半导体制冷器不同的是，六级半导体制冷器冷端温度并非随着输入电压的增大而单调递增的。在25 V和30 V输入电压下，两者初始时间段内冷端温降速率基本相同；但是30 V输入电压下的稳定冷端温度最终高于输入电压25 V时的稳定冷端温度；可见该六级半导体制冷器存在一个最佳输入电压或区间（本文中为25 V）。

4 结论

本文搭建了六级半导体制冷器工作特性测试实验台。实验研究了不同外部条件时六级半导体制冷器的冷端温降特性等。主要得出以下结论。

1）所研究六级半导体制冷器冷端温度随输入电压的增加呈现先升高后降低的趋势。在输入电压为20 V～30 V存在最低冷端温度。

2）六级半导体制冷器冷端温度随热端温度的上升而升高。绝热条件下的冷端温度低于非绝热条件下的冷端温度。

3）六级半导体制冷器与二级半导体制冷器的温降速率基本相同。开始60 s内温降速率大，并且初始阶段的温降速率均随输入电压的增大而增大。随着时间的推移，温降速率逐渐减小，冷端温降曲线最终都趋于水平，冷热端换热达到平衡状态。

[1] 彭少近. 半导体温差电制冷国际现状[J]. 制冷技术, 1986, 6(2): 29-36.

[2] 魏宏玲, 章秋宝. 基于液体循环冷却的温差半导体的研究[J]. 工程设计学报, 2005, 12(5): 298-300.

[3] 陆震. 半导体电冰箱[J]. 制冷技术, 1986, 6(2): 37-41.

[4] 白泽宇, 门一凡, 王宇辰, 等. 基于半导体热电原理的空调过冷器[J]. 制冷技术, 2012, 32(2): 10-13.

[5] 宣向春, 王维扬. 半导体制冷材料的发展[J]. 制冷技术, 2001, 21(2): 37-41.

[6] 张美鑫, 柳建华, 张良, 等. 不同热端温度条件下的两级制冷片性能分析[J]. 上海理工大学学报, 2013, 35(6): 586-590.

[7] BULMAN G E, SIIVOLA E, WIITALA R, et al. Three-stage thin-film superlattice thermoelectric multistage microcoolers with a ΔT max of 102 K[J]. Journal of Electronic Materials, 2009, 38(7): 1510-1515.

[8] HUEBENER R P, TSUEI C C. Prospects for Peltier cooling of superconducting electronics[J]. Cryogenics, 1998, 38(3): 325-328.

[9] HWANG G S, GROSS A J, KIM H, et al. Micro thermoelectric cooler: Planar multistage[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52(7): 1843-1852.

[10] 李茂德, 卢希红. 热电制冷过程中散热强度对制冷参数的影响分析[J]. 同济大学学报（自然科学版）, 2002, 30(7): 811-813.

[11] 代伟. 半导体制冷散热强度对制冷性能的影响[J]. 制冷与空调（四川）, 2008, 22(3): 25-27.

[12] 王凯, 揭其良, 荣军, 等. 小型半导体制冷器工作特性的实验研究[J]. 材料与冶金学报, 2003, 2(1): 77-80.

Experimental Study on Operation Characteristics of A Six-stage Semiconductor Refrigerator

WU Wei-dong*, JIANG Tong-ling, YU Zi-miao
(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

A testing platform for six-stage semiconductor refrigerator was built. Varying principles of the cold side temperature of a six-stage semiconductor refrigerator were experimentally investigated under the different conditions of input voltage, hot side temperature and external cooling characteristic. Results show that the temperature drop rate at the initial stage increases with the increasing input voltage; under the condition of the same voltage, the temperature drop rate decreases with time going on; compared with the two-stage semiconductor refrigerator, both of the temperature drop rates are basically the same; the most suitable input voltage of the six-stage semiconductor refrigerator is about 20 V～30 V; the cold side temperature rises along with the hot side temperature; the heat insulation of external environment is favorable to decrease the cold side temperature.

Six-stage semiconductor refrigerator; Operation characteristics; Experimental research

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.01.106

*武卫东（1973-），男，副教授，博士。研究方向：制冷与低温工程。联系地址：上海市杨浦区军工路516号能源与动力工程学院第一办公楼。联系电话：13917527018。E-mail：usstwwd@163.com。