摘  要： 现有半导体制冷元件评估方法成本过高,而且输入口的水温与输出口的水温不同,会使输入水与输出水的热量的损耗大小不一样；传统的测量方法中，半导体制冷片的赛贝克系数、电阻、热导是通过不同温度下的实验结果估算出来的，这样就导致在计算制冷量大小的时候不精确。为此，提出了一种通过平衡输入与输出温度来避免产生这种误差的方法。
关键词： 半导体制冷；制冷性能；评估系统

    半导体制冷也即热电制冷，由于无滑动设备，与传统的机械制冷相比，在工业和军事领域等追求高精度或高可靠性的应用中有着独特的优势。半导体制冷片的制冷效率不高，种类繁多，评估半导体制冷片的制冷性能就成为了设计选型时需要考虑的一个重要因素。部分厂家提供了半导体制冷片不同温度下制冷性能的评估软件(如RMT Ltd)，但工艺和材料具有一定的不确定性，这样的方法并不精确，而且大部分公司没有提供这种类型的软件，只给出了最高温差、最大电压、最大制冷量等参数，因而设计一套半导体制冷片评估系统就凸显其必要性了。
    半导体制冷片的制冷系数（COP）的评估方法一般是采用给制冷片的冷端流动冷却水，然后求出半导体制冷片冷端的制冷量QL，例如CAMPPELL L A[1]提出的评估方案。
    为了提高测试精度，HUANG B J[2]设计了一套测量半导体制冷片制冷性能系统, 该方法通过测量装置，直接计算出半导体制冷片的制冷量。参考文献[3]也提到过类似的控制方案。但这类系统过于复杂,成本较高,不适于一般用户和设计者使用。
    在以上方案的基础上，本文提出了一种新型的半导体制冷片评估系统，该系统通过调节发热设备的功率，平衡制冷片输入、输出部分的水温，以达到降低误差、简化测量过程的目的。
1 新型半导体制冷片评估方法
    半导体制冷模块如图1所示。系统最中间是一个加热片，对它左右两边的交换管进行加热，热交换管由大量的高导热率的紫铜毛细管组成，与半导体制冷片之间通过导热硅胶粘结，由于毛细管的管壁很薄，基本上可以认为加热片和半导体制冷片的冷端温度相同。半导体制冷片采用常见的彭浦制冷厂制造的4 cm×4 cm×1 cm的半导体制冷片作为实验材料。实验中的两片半导体片每片外形尺寸为0.4 cm×0.4 cm×0.6 cm，共31对。靠近热交换管的部分是冷端，靠近散热片的部分是热端，散热片采用常用的铝制散热片，散热片的另一端有一个轴流风机，给散热片提供散热风，以提高散热片的热量散发能力。系统总共需要检测A、B、C、D共4个点的温度，用Fluke型号为17B的万用表测量出风口温度与进风口温度，并调节加热片的功率，以达到出风口与入风口温度相同。

2 系统控制方案及比较
    测量的流程图如图2所示，首先将热交换管两边的半导体制冷片通设定的电压，并将热交换管内通冷却水；检测A、B处的温度，并调节风机的转速，以达到A、B的温度相同；检测C、D处的温度，并调节两热交换管的水流量，并将其记录为TL、TH；调节加热片功率，直到A、B温度相同。

    本测试系统还可以通过控制两端风机的转速来调节热端的温度，以此来评估半导体制冷片在不同热端温度情况下的制冷性能。
    对于现有的半导体制冷片评估方法，本文提出了一种操作简单、成本低的测量方法，通过测量A、B、C、D 4点的温度改变半导体制冷片、风机、加热片的输入功率，以达到半导体制冷片制冷量与加热片加热量大小相同。然后，计算出?琢、Kt、Rm、COP这4个常用半导体制冷片评估参数，简化了传统的评估方案。对半导体制冷片制冷性能的评估方法有一定的改善。但是由于温度是个大时滞量，采用手动控制，调节过程会比较麻烦，调节时间也会比较长，可以考虑采用单片机对加热片两端电压、制冷片两端电压和两端风机的转速进行控制，以实现减少测量时间、加大测量精度的目的。
参考文献
[1] CAMPBELL L A.Analysis and characterization of thermoelectric module and heat exchanger performance in a hybrid system cooling application[C].27th SEMI-THERM，San Jose，2011：48-53.
[2] HUANG B J，CHIN C J，DUANG C L.A design method of thermoelectric cooler[J].International Journal of Refrigeration,2000(23)：208－218.
[3] BILSKI W J，BALDASSARRE G，CONNORS M.Electronics cooling using a self-contained，sub-cooled pumped liquidsystem[C].In 24th Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium,San Jose，2008:137-141.
[4] Luo Zhaoxia.A simple method to estimate the physical characteristics of a thermoelectric cooler from vendor  datasheets[EB/OL].[2013-09-10].http://www.electronics-cooling.com/2008/08/a-simple-method-to-estimate-the-physical-characteristics-of-a-thermoelectric-cooler-from-vendordatasheets/.
[5] 戴维涵，代彦军，张鹏，等.半导体制冷元件特性参数测量及选用[J].上海交通大学学报，2004，38(10)：1669-1672.