小型水冷半导体制冷箱的初步设计

　　半导体制冷是一项 20 世纪 50 年代发展起来的制冷技术，是利用半导体材料的热电效应进行制冷，无需制冷剂且没有机械部件，因而具有清洁、噪音小、制冷快、易调节及易于小型化等优点.

　　半导体制冷的热端散热影响着半导体制冷系统的性能. 半导体制冷的散热方式有很多: 空气自然对流、空气强制对流散热、环流散热、利用物质的溶化潜热散热、热管以及水冷散热传热等. 其中，空气自然对流的效率低，一般不予采用; 强制对流换热系数比自然对流高很多; 环流散热实际上是空气自然对流散热与水冷散热的结合; 利用物质的溶化潜热散热适用于间歇工作的场合; 而热管式散热可获得较大的散热面积，制冷系数大，且质量轻，热阻小，适合于连续工作的场合; 水冷散热比较理想，效率最高，应用较为广泛.

　　目前，半导体制冷被广泛用于科研、仪器仪表、医疗卫生、军事、航空等领域[1 -5]. 随着半导体材料性能的提高，半导体制冷的应用已不再局限于微小制冷量方面，如超导引线的冷却[6 -7]，研究者正在尝试将其用于较大制冷量的场合中，如电子设备的冷却[8]、汽车空调器[9]、小型半导体制冷箱等等.

　　而小型半导体制冷箱的应用尤为广泛，为外出郊游、野外作战等提供了方便的条件. 其散热方式主要采用风扇加翅片的强迫通风散热形式进行热端散热，由于强迫通风散热热端温降不明显，传热量由热端传向冷端，从而影响制冷效果. 因此如若将热端散热方式改变，增强半导体制冷箱的热端散热效果，则可提高半导体制冷箱的制冷效果，半导体制冷的散热方式主要有: 空气自然对流、空气强制对流散热、水冷散热、热管传热以及相变沸腾换热等，而水冷散热比较理想，效率最高，应用较为广泛，从而大大推广了小型半导体制冷箱的应用.

　　1 工作原理

　　基于半导体制冷原理，在半导体热电堆的最优工况下，选择最佳散热方式水冷散热，对小型半导体制冷箱进行设计. 使其在最优工况下工作，即可获得较大的制冷量，又可消耗较小的功率，从而降低其功率及成本，使综合效益达到最优状态，从而提高了半导体制冷箱的制冷性能.

　　由于半导体制冷系统的散热量等于其制冷量与输入功率之和，所以重点解决好其散热问题将对制冷效率的提高起到至关重要的作用. 与以往半导体制冷箱不同的是热端散热方式的改变，由原来的风冷散热方式变成了水冷散热方式. 图 1 为水冷散热下的半导体制冷箱原理图.

　　当热电堆通以直流电时，半导体热电堆开始工作，热端散热，冷端制冷. 半导体热电堆热端与水箱板紧贴，水箱板的上下为两个进出口水嘴，一端接进水管道，一端接出水管道，将其两水管道分别与水箱相连，通过水泵使冷却水管中的水进行循环，从而热端的热量被不断带走. 而半导体热电堆冷端冷量通过铜块传到制冷空间，从而对箱体进行降温.