基于熱電制冷自適應多功能旅行儲物箱的設計

杜芳莉，鐘 平，沈關炳，楊文森，楊 睿

(西安航空學院 能源與建筑學院，西安 710077)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，喜歡外出旅游的人越來越多。為解決旅行中喝熱水、冰鎮水及較長時間存儲自帶食物等問題，本文設計了一個基于熱電制冷和太陽能發電的自適應多功能儲物箱來滿足人們在旅行中對不同食品儲存的需求；同時還將制冷、制熱、應急照明及手機、相機的充電結合到一起，讓旅游者更為方便使用。該多功能旅行儲物箱一定程度上解決了現有旅游裝備在一體化、便攜化、智能化等方面存在的問題，滿足人們對于旅行生活品質的要求。

1 設計思路

隨著科學技術的發展，國家提倡利用新能源，以達到節能減排的目的。半導體制冷又被稱為溫差電制冷或者熱電制冷，由于其不使用制冷劑、控制簡單方便，且可以同時制熱與制冷、沒有噪音、沒有運動部件，也無需連續工作，同時用多個半導體連在一起可使制冷功率增大，所以半導體制冷技術被廣泛應用。而太陽能熱發電是先將太陽能轉化為熱能，再將熱能轉化成電能，該技術具有兩個優勢：一是能量源蘊藏豐富，不會枯竭；二是安全、干凈，不會破壞環境。本設計就是積極響應國家綠色環保的號召，將半導體制冷和太陽能熱發電技術結合起來，充分利用新能源，同時也避免制冷劑污染的問題，環保科學。

該裝置主要由電源、半導體制冷片、儲物箱本體、冷熱循環系統、USB接口及水溫控制系統等六部分組成。其中電源設備由太陽能電池板將吸收的太陽能轉化為電能，儲存到蓄電池中充當電源；儲物箱由兩部分組成，上半部分由保溫隔板分為兩部分，分別儲放具有冷熱功能的食品，其外圍設置熱電制冷片；儲物箱下半部分留有一定的空間方便攜帶日常用品；冷熱循環系統是將制冷片散出的熱量進行再利用，對加熱的水進行保溫處理；USB接口則采用太陽能作為電源，還可以充當充電寶，為用電設備提供電源；水溫控制系統是在儲物箱內安裝一個溫感系統感應水溫，加熱到設定溫度會自動停止，比如50℃。

本裝置的制熱與制冷部分同時工作。其原理是利用太陽能電池板吸收的太陽光作為電能，對純凈水進行制熱；用半導體制冷片進行制冷。工作原理如圖1所示。箱體設計尺寸為：長70cm，寬55cm，高45cm。

圖1多功能旅行儲物箱工作原理示意圖

2 制冷裝置

半導體制冷原理的基礎之一即為帕爾帖效應[1]。當直流電通過由兩種不同半導體(或導體)組成的回路時，在兩種半導體的接觸點會產生吸熱或放熱的現象，如圖2所示。實驗表明這種吸熱或放熱的強度與所通電流大小有關。

熱電制冷又稱溫差電制冷或半導體制冷，以其無運動部件、連續工作無噪聲、無震動、制冷時間快、無需制冷劑、零排放、綠色環保等優點已得大家的一致認可[1]。其本質是一個熱傳遞的工具，根據直流電通過不同導體，尤其是半導體連接形成的回路時，在節點處產生制冷現象而工作[2]。圖3為半導體制冷原理圖。

圖3 半導體的制冷原理

具體工作原理：當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料在金屬平板間形成通路,接上直流電源后，在接頭處會產生能量轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量， 成為冷端。由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端[3]。在實際應用中只需把其冷端放到要制冷的對象中,即可實現吸熱制冷。

多功能旅行儲物箱的設計考慮到半導體制冷片的尺寸較小，可以制成體積不到1cm3的制冷器；重量輕，微型制冷器能夠做到只有幾十克甚至數克；無機械傳動部分，工作中無噪音，無液態、氣態工作介質，因而不污染環境，制冷參數不受空間方向以及重力影響，在大的機械過載條件下，也能夠正常工作；通過調節工作電流的大小，可方便調節制冷速率；通過切換電流方向，可使制冷器從制冷狀態轉變為制熱工作狀態；作用速度快，使用壽命長，且易于控制[4]。此外可通過調節工作電流大小，控制其制冷速率，對酸奶、飲料及其它需冷藏食品等均可以進行冷藏。所以在本設計中使用熱電制冷來解決旅行中人們對冷熱不同食品的需求。基于熱電制冷的多功能儲物箱的制冷裝置部分設計原理如圖4所示。

圖4 多功能儲物箱制冷裝置部分設計原理圖

3 熱回收裝置

太陽能電池板吸收太陽光轉化為電能，電能儲存在蓄電池中。箱子上半部分裝有加熱裝置，當電源接通后，根據需要可以對純凈水直接加熱，同時本設計在制熱部分還裝有溫度傳感器，可以顯示水的溫度，可根據個人需求隨時停止加熱。同時由太陽能轉化的儲存在蓄電池中的電能還可為半導體制冷片提供直流電使其正常工作。

圖5 熱回收裝置圖

半導體制冷片在制冷的過程中，一端產熱，另一端制冷[5]。所需電能全部來自于太陽能電池板。制冷部分可將食物、酸奶等進行冷藏。半導體制冷片是熱量搬運者，而不是能量產生者，所以其冷端在制冷的同時熱端則不停產熱，若不能及時利用其產生的熱量則會造成能量的損失。為了能充分利用這部分熱量，在制熱端將其與半導體制冷片的散熱端相連接，并人為設計一個加熱室①(見圖5)，將純凈水放置于加熱倉②裝置中，利用半導體熱端回收的熱能對水進行初步加熱，同時在加熱倉②內安裝電加熱棒③對水進行加熱，電加熱棒的熱量也來自于太陽能電池板吸收太陽光轉化為的電能。這樣既減少了電能的消耗，又達到節能的目的。

4 結語

本設計響應國家綠色環保的號召，電源電量由新能源太陽能提供，而且也避免制冷劑污染的問題，環保科學；將制冷與制熱技術巧妙結合，充分利用余熱，以達到節能的目的；打造了一個全新的旅游箱，解決了許多旅游愛好者對食物儲存以及飲用熱水的問題；用水溫控制系統來感知水溫，加熱到用戶設定特定溫度自動停止加熱，以便飲用。

[1] 杜芳莉,白大雨,房曉平.基于半導體制冷高效熱回收裝置的研究[J].西安航空學院學報,2014,32(1):70-73,90.

[2] 杜芳莉,樊麗娟,白大雨,等.熱電制冷在筆記本電腦散熱系統中的應用[J].制冷與空調(四川),2014,28(3):310-313.

[3] 楊金環,閆小克,陳娟,等.CPU熱管散熱器對半導體制冷片制冷效果的影響[J].計量技術,2010(4):3-5.

[4] 裴念強,郭開華,劉杰.半導體制冷在新型環路熱管的應用計算[J].低溫物理學報,2007,29(1):42-45.

[5] 徐昌貴,賈艷婷,閆獻國,等.半導體制冷技術及其應用[J].機械工程與自動化，2012,6(3):209-211.