半导体冷热墙的实验研究

0 引言

在武汉为代表的夏热冬冷地区，住宅采用外围护结构保温技术，室内的冷热负荷均满足近零能耗建筑对房屋制冷、采暖需求的要求。但夏季公共建筑的冷负荷还是偏大，还是需要采用空调制冷设备来满足室内的温度要求，不过相比外围护结构不保温的建筑，其冷负荷大大减小，室内的冷负荷指标不超过50W/m2，可以采用半导体制冷这种绿色冷源[1]。

1 半导体冷热墙的介绍

在两种不同金属组成的闭合线路中，通以直流电，一个接触点就会变冷，另一个接触点就会变热，这种珀尔贴效应，也是半导体制冷的基本原理[2]，如图1。

图1 半导体制冷原理图

半导体制冷是一种固体制冷，主要是靠空穴和电子在运动中直接传递热量来实现的。与传统的压缩机制冷系统相比，没有机械转动部分，不需有污染的制冷剂，没有噪声，无污染，可靠性较高，寿命长，而且电流反向就可以变成加热，便于恒温控制等。

半导体冷热墙的结构如图2，具体尺寸为500mm×250mm×250mm，大小与建筑使用的加气混凝土砌块一样，铝 板 厚 度3mm，铝棒尺寸为250mm×50mm×50mm。半导体片、铝板、铝棒之间用导热硅胶连接，保证能很好地传热。

图2 半导体冷热墙结构图

半导体冷热墙的原理是对半导体通电后，与室内铝棒相连的面是冷端，半导体与铝棒相连的面是热端，热量经过铝棒传给室内的铝板，再由铝板与室内空气自然对流换热，室内的铝板与室内空气自然对流，将冷量传到室内。若需要采暖，将半导体片与电源反接，室内铝板就变成热端。

2 半导体制冷量的计算

根据半导体片的热电制冷原理，根据测得的半导体冷热端温差、电压及电流，可以计算出半导体制冷原件的特性参数[3]。

式中，α——制冷片的塞贝克系数，V/K；U——供电电压，V；I——制冷元件的工作电流，A；ΔT——制冷元件的冷热端温差，K。

式中，Qc——半导体元件的制冷量，W；Th——半导体制冷片热端的温度，K；Tc——半导体制冷片冷端的温度，K；R——半导体制冷片的电阻，Ω；K——半导体制冷片的导热系数，W/K。

制冷片的输入功率为：N=αI（Th-Tc）+I2R

式中，N——半导体制冷片的输入功率，W；

式中，ε——半导体制冷片的制冷效率；Qc——半导体元件的制冷量，W；N——半导体制冷片的输入功率，W。

3 半导体冷热墙的实验研究

3.1 实验目的及测试内容

本实验主要是对半导体冷热墙的传热效果及半导体制冷片的制冷效果进行测试，主要测试的内容有[4]：①通过半导体制冷片的工作电流及工作电压，计算分析半导体冷热墙中制冷片的制冷量及制冷率。②测量半导体冷热墙中铝棒的温度分布情况，主要是分析铝棒的传热效果。③对冷热端的铝板表面的温度进行测试，了解铝板的表面温度分布情况。

3.2 实验系统与测试仪器

根据半导体冷热墙的系统组成选择材料，半导体选用Tec1-12706，外形尺寸为40mm×40mm×3.8mm，阻值1.95～2.15Ω，最大温差为65℃～69℃，最大工作电压15.4VDC，12VDC时的最大工作电流为4.7A，最大制冷功率56W。

利用硅酮导热胶将铝板与铝棒、铝棒与半导体片、半导体片与铝棒按照图2黏在一起，铝板、铝棒连之间需用砂纸进行打磨，保证半导体冷热墙的牢固性。

由于半导体制冷片需要不超过15.4V的直流电压，还需要一个开关电源，输入电压为240VAC，输出电压为12VDC，这样就能保证半导体制冷片能正常的工作[5]。

实验中的测试仪器有电流表、电压表、温度计。温度计用热电偶温度计，有热电偶、导线和显示仪表组成，精度为0.1℃

3.3 实验数据整理与分析

3.3.1 半导体制冷片的电压、电流测试

用电流表、电压表对通过半导体制冷片的电流及两端的电压进行测试，到半导体制冷片达到稳定的工作状态，半导体制冷片两端的工作电压基本不变，为12V。通过半导体制冷片的最大电流为3.5A，半导体制冷片工作60min后，工作电流降为2.8A，之后，电流趋于稳定，保持不变。

3.3.2 铝棒的温度分布测试

用热电偶温度计对铝棒表面的温度进行测试，铝棒长度为250mm，为更好地了解铝板的传热效果及其温度分布，布置6个测点，测点均匀布置。

为了测试铝板的传热效果，对半导体冷热墙在连续工作4小时铝棒表面的温度进行测试，铝板最初的温度为14.8℃，运行8min后，铝板温度达到最低温度11.8℃，之后铝板温度缓慢上升，4h后，铝板中心的温度为22.0℃，冷热端的换热也达到稳定平衡状态。热端铝板温度先上升后趋于稳定，开始阶段铝板温度为14.8℃，90min后，热端铝板中心温度上升到46.3℃，再往后，铝板中心的温度变化不大，最高温度为48.2℃。

在半导体制冷片工作的前120min，导热铝板各测点的温度逐渐上升，离半导体制冷片热端越近，测点的温度越高，各测点之间的温差大小相差不大，同一时刻，相邻两测点的温差为2℃～3.7℃。

3.3.3 冷端铝板温度测试

为测试铝板与室内空气通过自然对流与辐射的换热效果，对冷端铝板表面的温度进行测试，布置17个测点，测点沿铝板表面中心线均匀布置。

每隔半小时记录各测点的温度，120min后，冷端铝板的温度基本达到平衡稳定状态，在30min时，铝板各测点的温度都较低，此时的制冷效果较好，中心位置的温度最低，为9.1℃，铝板边缘处的温度为9.8℃。到60min时，铝板各测点的温度为15℃～16℃，此时铝板中心的温度比边缘处高些，这是因为半导体冷热端的温度没有及时地散出去，导致制冷效果变差，半导体形成串热，之后的变化规律相似，铝板表面的温度缓慢升高，120min时冷热达到平衡状态，各测点的温度也相近。

3.3.4 热端铝板温度测试

为测试铝板与室外空气通过自然对流与辐射的换热效果，对热端铝板表面的温度进行测试，测点的布置与冷端的一样。

每隔一小时记录各测点的温度，4小时后，热端铝板的温度基本达到平衡稳定状态。在1h时，热端铝板各测点的温度相差较大，热端铝板的温度较低，此时的制冷效果较好，中心位置的温度比两端的温度高大约10℃，铝板中心的温度为41.7℃。到2h时，铝板中心测点的温度为47℃，此时铝板中心的温度基本达到平衡，再工作2h后，铝板中心的温度为47.6℃，与之前升高了只有0.6℃。在4h时，与3h时各测点的温度相比，还略低2℃左右，说明此时半导体制冷片的散热达到的稳定平衡状态。

3.3.5 半导体冷热墙制冷量的计算

利用半导体制冷量的计算公式，对达到稳定状态的半导体冷热墙的制冷量进行计算[5]。稳定状态时，半导体冷热墙冷端的温度为21.1℃，半导体冷热墙热端的温度为70.3℃，半导体制冷片的工作电压为12V，通过半导体制冷片的电流为2.8A，再利用Tecl-12706半导体制冷片的具体参数，对半导体冷热墙的制冷量进行计算。

半导体冷热墙的制冷量为：

4 半导体制冷强化换热的实验研究

为了更好地了解半导体制冷传热的过程及影响制冷效果的因素，建立一个小型的半导体制冷换热模型，通过实验来研究增大冷端的散热面积、热端采用强制对流散热对半导体制冷的影响。

4.1 系统方案设计

根据需要做一个小型简单的半导体制冷模型，具体由半导体制冷片Tec1-12706、铝板、小风扇组成。设计4个实验来分析增强热端散热和增强冷端换热对半导体制冷的影响。

实验一：用导热硅胶将半导体制冷片的热端与20mm厚铝板的相连，冷端与40mm×40mm×1mm（厚）的铝板相连，热端铝板的两侧用1mm厚的铝板做2个肋片。

实验二：在实验一半导体制冷模块的基础上，在热端铝板上加以小风扇，增强铝板的对流换热。

实验三，在实验一半导体制冷模块的基础上，在冷端铝板上再连160mm×160mm（长×宽）的铝板，冷端的自然换热面积增加了15倍。

实验四：综合实验二与实验三，冷端增大自然对流换热面积，热端加风扇增强对流换热。

4.2 实验结果分析

①对半导体制冷模块通12V的直流电压，实验一中半导体制冷片两端的电压为12V，电压变化不大，通过半导体制冷片的电流在最初时刻其值最大，达到4.5A，受冷热端铝板散热效果的影响，工作电流慢慢减小，工作10min，由3.2A降至2.6A，之后电流趋于稳定。冷端铝板中心的温度先迅速降低，之后温度逐渐升高，而热端铝板中心的温度缓慢升高。冷端铝板的温度在1min内由14.3℃降至最低温度1.9℃，工作10min后，冷端铝板温度已达34.0℃，此时已达不到我们所需的制冷目的，冷热端的散热效果都不好。

②对半导体制冷模块通12V的直流电压，实验二中半导体制冷片两端的电压为12V，电压变化不大，通过半导体制冷片的电流在最初时刻其值最大，达到4.5A，受冷热端铝板散热效果的影响，工作电流慢慢减小，工作20min，由3.2A降至2.7A，之后电流趋于稳定。冷端铝板中心的温度先迅速降低，之后温度逐渐升高，而热端铝板中心的温度缓慢升高。冷端铝板的温度在1min内由14.3℃降至最低温度1.5℃，工作10min后，冷端铝板温度为19.7℃，之后冷端铝板的温度升温幅度较小，冷热端铝板换热基本达到平衡；10min内，热端铝板的温度由14.3℃升至32.2℃，之后热端铝板的温度趋于稳定，最高温度为33.8℃。说明开了热端风扇后，热端铝板的散热明显增强，半导体制冷片的制冷效果较好。

③对半导体制冷模块通12V的直流电压，实验三中半导体制冷片两端的电压为12V，电压变化不大，通过半导体制冷片的电流在最初时刻其值最大，达到4.5A，受冷热端铝板散热效果的影响，工作电流慢慢减小，工作10min，由3.1A降至2.5A，之后电流趋于稳定。冷端铝板中心的温度先迅速降低，之后温度逐渐升高，而热端铝板中心的温度缓慢升高。冷端铝板的温度在1min内由14.8℃降至9.0℃，因为此时冷端的铝板厚度为2mm，而上两个实验中冷端铝板的厚度为1mm，冷端铝板的最低温度与前面相比高了近7℃，工作10min后，冷端铝板温度已达30.4℃，此时已达不到我们所需的制冷目的，说明靠增大冷端铝板的面积对半导体制冷片的制冷效果并不是很好。

④对半导体制冷模块通12V的直流电压，实验四中半导体制冷片两端的电压为12V，电压变化不大，通过半导体制冷片的电流在最初时刻其值最大，达到4.5A，受冷热端铝板散热效果的影响，工作电流慢慢减小，工作20min，由3.1A降至2.5A，之后电流趋于稳定。冷端铝板中心的温度先迅速降低，之后温度逐渐升高，而热端铝板中心的温度缓慢升高。冷端铝板的温度在1min内由14.3℃降至最低温度9.0℃，工作10min后，冷端铝板温度为20.2℃，之后冷端铝板的温度升温幅度较小，冷热端铝板换热基本达到平衡；10min内，热端铝板的温度由14.3℃升至35.5℃，之后热端铝板的温度趋于稳定，最高温度为38.8℃。说明通过增强半导体制冷片冷热两端的换热，可以提高半导体制冷片的制冷效果。

5 半导体冷热墙的优化设计

5.1 增强半导体制冷片冷热端的换热

增强半导体制冷片冷热端的换热可以提高半导体制冷片的制冷效率[6]。为增强半导体制冷片冷热端的换热，在冷热端的铝板上再增加一种导热材料超导热纳米板，超导热纳米板在地板辐射采暖中应用较多，其导热速度是普通金属材料的六倍，具有单向导热功能。在半导体冷热墙的内外墙北侧都加一层超导热纳米板，就可以把单个的半导体冷热墙砌块连成一个整体，更有利于半导体制冷片冷热端的换热。对冷端，在室内由于超导热纳米板，可以改善半导体冷热墙带来的墙体局部温度过低的现象，使室内环境温度更加的均衡。

5.2 减少半导体制冷片冷热端的串热

在进行半导体冷热墙实验过程中，半导体制冷片冷端的温度先降低，后都会升高，这主要是由于半导体制冷片较薄，半导体制冷片冷热端没有完全绝热，同时半导体制冷片本身是个半导体，也有一定的导热能力。在半导体制冷片冷热端散热不及时，热量就会通过半导体制冷片及缝隙传到半导体制冷片的冷端，造成冷热抵消，甚至冷端温度升高的现象，这是要避免的。在实验研究中，由于工作环境及条件的限制，在制作半导体冷热墙模块中，没有使用好的制作工艺，出现半导体冷热端串热现象。实际应用过程中，半导体制冷片冷热端应采用绝热板隔绝，中间还要填充绝热材料，保证半导体制冷片冷热端不会通过缝隙或导热材料形成串热。做好半导体冷热墙制冷片两端的串热问题，解决半导体冷热墙室内冷端温度较高的问题，提高半导体制冷片的制冷效率。

6 结语

通过对半导体冷热墙及半导体制冷片的实验研究，可得出以下结论：①稳定状态下，半导体冷热墙模块的工作电压为12V，工作电流为2.8A，制冷量为20.8W，制冷效率为38%。②对于半导体制冷片，增强半导体制冷片冷热两端的换热及做好绝热，可以提高半导体制冷片的制冷效果，增强热端的换热比增强冷端的换热效果好些。