【经验】如何计算TEC半导体制冷片在PCR仪中应用的降温速率

时间： 2019-07-05 来源：世强

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PCR仪是用于基因扩增的仪器，最核心的部分是温度控制，而温控最核心的部件是用于PCR仪升降温的半导体制冷片,在所有的半导体制冷片厂牌中,II-IV Marlow公司推出的XLT系列产品无疑是可靠性最高的半导体温度循环器,其满足可靠的循环次数高达100万次,是PCR仪可靠性最高的半导体制冷片.如何选择温度循环器功率达到满足要求的升降温速率呢?这需要一定的理论参考与计算.

PCR是一种体外DNA 扩增技术，是在模板DNA、引物和4种脱氧核苷酸存在的条件下，依赖于DNA聚合酶的酶促合反应，将待扩增的DNA片段与其两侧互补的寡核苷酸链引物经“高温变性——低温退火——引物延伸”三步反应的多次循环，使DNA片段在数量上呈指数增加，从而在短时间内获得我们所需的大量的特定基因片段，其通用温控如下图1。

图1 通用PCR温度变化曲线

典型的PCR仪温控系统方案如下图2，方案使用Marlow的半导体制冷片XLT2427-36AC，采用电流制冷，温控响应快,若准备设计选择XLT2427-36AC,能够达到的降温速率是多少呢?且看下文分析.

图2 典型的PCR仪温控系统方案

XLT2427-36AC的参数如及及尺寸如下图3所示

图3 XLT2427-36AC参数

半导体制冷片冷端的吸热功率数学模型为Qc=αNP T1 I – 0.5I2R – k（T2 – T1）,(关于这个数学模型的问题,可参考<如何选择TEC的制冷功率问题>).

若XLT2427-36AC工作在15.8V/7.5A,在27℃时,派尔帖吸热功率αNP T1 I=122.68w(T1=300K).

在PCR仪降温的状态下,若冷面温度为72℃(T1=345K,PCR仪降温的中间温度点),热面温度散热理想值27℃,则其

派尔帖吸热功率αNP T1 I=141.09w

电发热功率Q=0.5I2R =46.68w

热传导功率k（T2 – T1）=46.12w(PCR仪降温时,为冷端热传导到热端的功率)

则PCR仪降温状态下在72℃的吸热功率为141.09-46.68+46.12=140.53w

若此时半导体制冷片的冷面热负载为50w时,其理想降温速率为2.81℃/s.

在PCR仪的半导体制冷片实际选型评估中,还需要考虑热面温度是否能够维持27℃、半导体制冷片的参数与温度变化关系、是否存在其他热传导路径、工作电压及电流是否准确、热负载计算是否准确、控制电压的占空比如何等考量，初步评估之后，留有一定的功率余量，然后通过实际测试，选择合适功率的半导体制冷片。鉴于能力有限，上述分析可能还存在其他没有考虑的因素或者理解上的错误，欢迎指正，不胜感激。

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全部评论（3）

用户81899100 Lv2 2024-03-08

半导体制冷片的冷面热负载怎么计算？
- 刹那芳华_世强回复：您好，关于半导体制冷的冷面热负载可以参数这篇文章：https://www.sekorm.com/news/78125121.html，感谢！
  查看全部1条回复
用户81899100 Lv2 2024-03-08

半导体制冷片的冷面热负载怎么计算？
电子老菜鸟 Lv7. 资深专家 2020-05-22

学习了，正想自己来改造下风扇

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NL1020T-01AC	TEC 单级制冷片	72	64	0.9	1.8	0.8	0.16	0.16	0.16	0.16	0.085