热电制冷恒温器研究

　　恒温器是热物性与热物理测试中较为常用的仪器之一，是低温制冷工程、低温超导研究、仪器仪表和临床医疗等领域研究的基本工具。恒温器根据温控范围可分为高温恒温器、中温恒温器和低温恒温器。其中低温恒温器是低温温标复现以及量值传送的关键设备，也是温度基准装置的重要组成部分。热电制冷因其具有制冷迅速、制冷量连续可调、体积小、结构简单、布局灵活、无噪声、运行可靠、寿命长等优点，很快在各个领域得到广泛应用，如高精度的温度传感器中的降温恒温器，卫星、红外及弱光成像系统中的恒温器，计算机芯片的降温器等。但是，现有的基于半导体制冷的温度基准装置中，低温恒温器由于某些结构设计不合理，导致其温场不均，制冷效率低、无法满足温度测量的准确度要求，基于此我们研制了快速、稳定、高精度的低温恒温器，本文将介绍恒温器的结构及其设计工艺。

　　1 热电制冷恒温器设计

　　虽然关于热电制冷的研究已近半个多世纪了，但是，这项研究仍在继续和深入。因为半导体制冷效率低成为制约其发展的关键因素，而制冷效率主要受下列因素影响: ( 1) 温差电材料的热电性能; ( 2) 半导体制冷器的工作状态; ( 3) 系统的散热条件。因此，目前提高制冷效率的关键技术是研发高性能的制冷材料、优化制冷系统参数。热电制冷恒温器为教学实验、科学研究或特殊用途提供可调的恒温。基于此，热电制冷恒温器必须具备以下功能特点: 小型、轻便、易操作、制冷速率快、稳定性好、温控精度高。热电制冷恒温器由 4 个部分组成: 热电制冷器、散热贮冷器、直流电源和直流电源控制器。恒温器的核心是热电制冷器件，它的性能和型号直接决定恒温器的调温范围; 散热贮冷器也十分重要，它们分别与热电制冷器的热端和冷端链接。当热电制冷器在工作时，制冷器的一侧冷另一侧热，间距又很小，热传导、热对流和热辐射都将使热电制冷器的效率大打折扣; 直流电源是热电制冷器的工作电源，一般都需要量身定做才能保证热电制冷器正常发挥作用，电源控制器的作用是根据需要( 设定温度) 控制电源的输出功率，通过电源输出功率来控制制冷量的变换，从而保证恒温器名副其实。

　　2 热电制冷单元

　　2. 1 热电制冷器

　　-图 1 为单级热电制冷器剖面示意图。如图 1 所示，热电制冷器上下两个面一般是正方形结构，分别为冷端和热端。

　　在工作过程中，制冷器持续地从冷端吸收热量，从热端放出热量。热电制冷器的最大弱点是制冷效率低，在很大程度上限制了其应用范围。以热电制冷器为核心的制冷或制热装置须在其热端和冷端加装散热器，热电制冷恒温器也是一样。冷端和热端散热器之间的间距小，热传导、热对流和热辐射都将使热电制冷器的效率大打折扣，其损失机理如下: