基于冰激凌機的半導體制冷試驗研究

朱浩唯　李嘉　王璐

上海市質量監督檢驗技術研究院　上海　200233

1　引言

半導體制冷是一種比較新穎的能量轉換方式，具有小型、輕便、無磨損、工作時無噪音、無方向性、溫度易控制、冷卻速度快、工作壽命長等諸多優點，因此近年來在家電、紅外、激光、電子和航天領域中受到人們的重視，并得到了較成熟的應用[1]。

2　半導體制冷的原理

半導體制冷又稱溫差電制冷，是一種通過直流電來進行制冷的新型制冷方法，它主要通過特種半導體材料中的P-N結，產生珀爾帖效應，來進行熱量的轉移。半導體制冷具體的工作方式如圖1所見，在兩片陶瓷片之間連接有2塊半導體材料，其中左邊的為P型材料，右邊的為N型材料，當電流從N型材料經上方的導流板流向到P型材料時，上方的導流板從外界吸收熱量成為冷端，而下方的導流板則與之相反向外界釋放熱量成為熱端。熱量傳遞的效率取決于通過電流的大小和半導體材料的元件對數。通常實際使用中的制冷片由上百對電偶組成，以達到增強制冷（制熱）的效果[2]。

3　試驗系統及實驗方法

為了能更深入的了解半導體制冷的熱性，這里選用了半導體制冷在日常生活中的一個典型應用——制冰機來進行試驗研究。器具使用半導體制冷對冷端容器內的水進行將溫，而在熱端則使用風扇來進行強制對流，本次試驗中為了更真實的了解半導體制冷的性能變化，使用保溫材料對置水容器進行保溫以在器具的冷端近似達到絕熱的效果。

在本試驗中，使用冰箱測試系統（圖2）來對半導體制冷的各項參數進行記錄，測試過程中，保持實驗室溫濕度恒定，風速度維持在0.25m/s以下，同時使用3個熱電偶對環境溫度、半導體制冷的熱端的溫度以及冷端容器內的水溫進行記錄，此外通過數字功率表對試驗中的各電參數進行記錄。考慮的數字功率計記錄功率的是冰激凌的總功率，為了得到更精確的研究制冰機中半導體制冷部分的工作性能，試驗中將攪拌電機斷開，同時在最終的功率計算中扣除熱端風機和電路板的功率。

4　試驗結果及數據分析

本次試驗共進行5組測試，分別在16℃、20℃、24℃、28℃和32℃的環境中，將冷端容器中水從環境溫度降溫到冰點以下。圖3中給出了32℃環境溫度下冰激凌機的溫度曲線。可以看到在制冰機啟動后，其熱端溫度急速上升，在大約3分鐘的時間內從32℃上升到約40℃，之后一直維持在40℃左右。制冰機冷端的降溫過程則大致可以分為A、B、C共3個過程。

其中A段是制冰機啟動后冷端溫度從32℃逐漸降到3℃左右，在該過程中，冰激凌機通過半導體制冷的方式不斷從水中吸收熱量，將其轉移到熱端并通過強制對流的方式傳遞給環境。在B段中，冷端溫度維持在3℃左右，在該過程中，容器中的水達到冰點進入冰水混合的兩相態，所以隨著冰激凌機從水中吸收熱量，水溫保持不變但不斷從液態變為固態，值得注意的一點是，在該實驗中，水的冰水兩相溫度大于0℃，這是由于在封閉容器進行試驗之前，容器內壓力為大氣壓力，但隨著容器內溫度降低，其壓力也不斷下降，考慮到水的冰點隨氣壓降低而升高的特點，因此在該實驗中，水的冰水兩相溫度都大于0℃。在C段中，冷端溫度又重新開始下降，在該過程中，容器中的水已完全結為固態。

圖1　半導體制冷示意圖

圖2　測試系統

圖3　在32度環境溫度下冰激凌機的降溫過程

圖4　在32度降溫過程中冰激凌機的功率曲線

對于半導體制冷的熱端，根據圖3，在啟動后很短的時間內熱端與環境溫度之間就可以建立起6～7℃的溫差，之后整個降溫過程中該溫差始終維持在一個穩定的溫度區間內，對比同時段冰激凌機半導體部分的輸入功率（圖4）可以進一步發現，在冰激凌機運行期間，熱端溫度與輸入功率的比值從0迅速增加到某一定值，之后基本穩定在該值附近，為了更直觀的體現這一規律，圖5給出了整個過程中熱端溫差與功率比值的變化過程。

對于半導體制冷的冷端，圖6給出了冰激凌機降溫速率的變化，在降溫初期冷端溫度下降比較快為2.8℃/min，但隨著冷端溫度的下降，環境溫度與冷端之間的溫差逐漸增加，冷端的降溫速率也開始減緩，在冷端溫度降到15℃的時候，冷端的降溫速率已經減小到1℃/min以下。而在冷端的水完全凝結成冰之后，冷端的降溫速率又重新開始增加。這是由于根據帕爾貼效應，

圖5　在降溫過程中熱端溫差與功率比值的曲線

圖6　冰激凌機降溫速率的變化

圖7　不同環境溫度下從15度降到5度的能耗

式中：

Q——放熱或吸熱功率；

π——比例系數，稱為珀爾帖系數；

I——工作電流；

a——溫差電動勢率；

TC——冷接點溫度。

在開始階段，容器內的水為液態，伴隨著冷端的吸熱，冷端溫度下降，由于冷端的吸熱量與冷端的溫度成正比，因此吸熱量減小，從而導致冷端的降溫速率減小，之后隨著冷端溫度不斷下降，最終達到冰水兩相區時，冷端溫度變化會有一個短暫的停滯，隨著冷端的進一步吸熱，容器內的水完全結為固態，冷端的降溫速率又重新開始增加。之所以C段開始處的降溫速率要大于結冰前即A段末尾處的降溫速率是因為在其他條件相近的情況下，固態水的比熱c固態水要明顯小于液態水的比熱c液態水，考慮到溫度變化速率與吸熱速率、重量成正比，與比熱成反比，即：

dQ——換熱量，此處為冷端的吸熱量；

m——質量，此處為冷端容器內水的質量；

dt——溫度變化，此處為冷端容器內水的溫度變化。

本次試驗中，m為定值=300g，而A段結束處的溫度近似等于C段開始處的溫度，根據之前的分析可得，A段結束處的吸熱效率近似等于C段開始處的吸熱效率。因此當A段結束處的c液態水大于C段開始處的c固態水，A段結束處的溫降速率小于C段開始處的溫降速率。

為了了解環境溫度對半導體制冷工作效率的影響，圖7給出了不同環境溫度下冷端容器內的水從15℃降到5℃（之所以選擇5℃而不是0℃是為了避免冰水兩相區的干擾）所需的能耗。如圖所示，環境溫度為16℃遞增到32℃，將半導體冷端從15℃降為5℃所需的能耗從12Wh近乎線性地增加到了21Wh。即隨著環境溫度的增加，半導體制冷能耗增加，半導體制冷的效率會減小。

5　結論

本文主要通過對冰激凌機的一系列試驗，同時結合相關的理論知識，分析半導體制冷系統的工作規律和相應的溫度變化。同時根據半導體在不同環境溫度下的能耗表現，分析環境溫度對半導體制冷工作效率的影響。具體結論如下：

（1）冰激凌機半導體制冷的熱端在啟動后很短的時間內就可以建立起一定的溫差，并在整個過程中始終穩定在該溫差值附近。

（2）冰激凌機半導體制冷的冷端在降溫初期溫度下降比較快，但隨著冷端溫度的下降，吸熱量減小，降溫速率也不斷減小。

（3）即隨著環境溫度的增加，冰激凌機半導體制冷的效率會顯著地減小。