【经验】半导体制冷片S03-127-3030在隔爆型输油控制器中的应用

时间： 2019-08-29 来源：世强

技术问答

笔者从事于危险化学品的储运保护设备的研发工作，随着设备的功能的不断完善，普通单片机已经无法满足正常数据处理的需求，需要采用1GHZ以上的处理器，来完成图形数据的分析工作，性能提升的同时带来的问题是，处理器在正常工作的时候，温度升高，由于我们的设备属于防爆设备，必须密封在隔爆盒内，当夏季设备处于高功率工作状态是发热严重，设备性能受到影响，处理器在全功率运行的情况在隔爆盒内最高温度可达90℃，我们的设备最高耐温为75℃，设备在夏天经常出现死机的情况因此需要对处理器进行散热。图1为1GHZ的高频处理器裸板：

图1 1GHZ的高频处理器裸板

初始方案：

采用传统电脑主机的散热的方式，在处理器上添加散热片。由于隔爆盒的体积限制，散热片的高度收到限制，只能使用图2中高度较低铝制的散热片，散热片的效果可以明显降低处理器的温度，但是长时间运行的情况，由于不通风，热量无法散出，因此温度依然能达到处理器的上限，设备散热问题依然没有解决。

图2 铝制散热片

想要理想的散热效果必须进行有效的热交换，将隔爆盒内的热量通过外壳与外界的热交换散出去，因此可以使用铜片，如图3所示一端连接处理器，一端连接隔爆外壳。由于是采用绝对热传导的方式，因此效率比较低。

图3 导热铜片

优化方案：

偶然了解到，现在的mini冰箱都是采用半导体制冷片进行制冷的，深圳热电新能源是专业从事半导体制冷等制冷材料的厂家，S03-127-3030 是一款可以用于CPU散热的半导体制冷片，如图4所示：

图4 S03-127-3030半导体制冷片实物图

第一次使用半导体制冷片，快速制冷效果超乎想象，体积小，但是接通电源后大概1s左右，能明显感受到温度变化（由于半导体制冷片的原理，一面热，一面凉），值得注意的是大概半分钟左右，温度会恢复常温，开始以为烧毁，重新接通电源后依然可以制冷，查找原因后得知由于未在加热端添加散热，导致制冷片过热而处于保护状态，将发热端放到金属上之后可以持续制冷。经过一番试验，在保持良好的散热的情况下，制冷面可以再半分钟左右达到-5℃，制冷效果很好。因此我们决定使用在处理器的散热中试试效果。图5为增加了半导体制冷片S03-127-3030的处理器图片：

图5 增加半导体制冷片S03-127-3030后的处理器

为了保证发热面的散热，我们将发热面通过导热硅脂连接到了铸铝的隔爆外壳上，并通过处理器自带的温控传感器，采用PID算法控制制冷片的通断，保证处理器的温度保持在30℃以下。值得注意的是由于制冷片温度可以达到零下，因此在给CPU散热的时候需要注意凝水的情况，由于我们设备处于隔爆盒内，盒内体积小，水分含量低，因此不需要考虑凝水的情况。

总结半导体制冷片使用效果显著，需要注意发热面的散热，以及制冷面的冷凝水问题，最大温差在25℃下可以达到68℃，大功率制冷效率在30W左右，适合用于小型快速制冷的场所，例如车载冰箱，小型恒温箱，CPU散热等领域。