利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)制作冰敷袋應(yīng)用與前景分析

陳乖乖 李文暉 周源東 張子默 岳澤龍

【摘要】強(qiáng)調(diào)了半導(dǎo)體制冷在制冷劑廣泛應(yīng)用的今天的重要性，介紹了半導(dǎo)體制冷技術(shù)的基本原理，分析其在冰敷袋市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的情況，指出利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)制作冰敷袋這類環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品在環(huán)境日益惡化的未來(lái)將會(huì)有更大的發(fā)展空間。

【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體

冰敷袋

制冷技術(shù)

綠色環(huán)保

半導(dǎo)體制冷因其無(wú)制冷劑，對(duì)環(huán)境無(wú)害的特點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)。半導(dǎo)體制冷無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)噪聲，結(jié)構(gòu)緊湊。制冷器件可做成多種形狀，適應(yīng)性好，冷熱端轉(zhuǎn)換便捷，方便調(diào)節(jié)。眾所周知，冰敷具有防腫止痛消炎等功效。傳統(tǒng)材料一般為冰水混合物，冰棒，冷水，化學(xué)冰袋等，這些材料的使用具有時(shí)效性，工作時(shí)間一般較短，頻繁更換冰敷袋不夠方便，且無(wú)法調(diào)節(jié)溫度實(shí)現(xiàn)冷熱裝換。綜上，將半導(dǎo)體制冷技術(shù)應(yīng)用于冰敷袋市場(chǎng)無(wú)疑是非常具有創(chuàng)意和經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)舉措。

1技術(shù)介紹

初步設(shè)想利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)的冰敷袋裝置包括外層結(jié)構(gòu)和內(nèi)膽結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽結(jié)構(gòu)上設(shè)置有半導(dǎo)體制冷片。半導(dǎo)體制冷片設(shè)置在內(nèi)膽結(jié)構(gòu)的表面，內(nèi)膽結(jié)構(gòu)上開(kāi)有填料孔，通過(guò)填料孔向內(nèi)膽結(jié)構(gòu)中添加中草藥劑。外層結(jié)構(gòu)與皮膚接觸面上安裝有振動(dòng)按摩片。外層結(jié)構(gòu)與皮膚接觸面相反的一面上設(shè)置有拉鏈，用以更換內(nèi)膽結(jié)構(gòu);所述該面上還設(shè)置有網(wǎng)格散熱區(qū)。本產(chǎn)品使用半導(dǎo)體制冷片到達(dá)制冷冰敷效果，既可重復(fù)使用，又節(jié)能環(huán)保;同時(shí)在內(nèi)膽結(jié)構(gòu)中可添加中草藥劑，又能起到保健的作用。

2應(yīng)用

2.1半導(dǎo)體制冷器件

目前國(guó)內(nèi)常用材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是Bi2Te3-Sb2Te3，N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔法提取晶體材料。

2.2利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)制作冰敷袋的成本

（1）半導(dǎo)體制冷器件的成本。半導(dǎo)體制冷器件的成本在利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)制作冰敷袋的成本中占很大比例，解決這一問(wèn)題在于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的進(jìn)一步提高，其關(guān)鍵在于如何以較低的成本使半導(dǎo)體材料的優(yōu)值系數(shù)得到進(jìn)一步的提升。

（2）半導(dǎo)體制冷冰敷袋組件成本。要將電流導(dǎo)人半導(dǎo)體中，并考慮制冷端與冰敷袋填充物完美結(jié)合以及散熱端熱量快速散出，這就涉及到散熱器、電纜、控制器、接線盒等多個(gè)裝置的設(shè)計(jì)選型。在一個(gè)小空間范圍內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)冷熱隔離及冷熱兩端適宜的散熱，將使技術(shù)難度加大。

（3）半導(dǎo)體制冷冰敷袋生產(chǎn)成本。由于國(guó)內(nèi)還未規(guī)?；瘧?yīng)用，這方面缺乏相關(guān)規(guī)范，需要在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)。生產(chǎn)的時(shí)候需要技術(shù)人員掌握半導(dǎo)體材料特性的基本知識(shí)。

（4）半導(dǎo)體制冷冰敷袋的推廣成本。

2.3利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)制作冰敷袋的收益

一是通過(guò)半導(dǎo)體制冷將電能轉(zhuǎn)化為熱能用于冰敷袋，可進(jìn)行冷敷熱敷隨意轉(zhuǎn)換，溫度可調(diào)，具有實(shí)用性、方便性、多功能性且隱藏著很大的經(jīng)濟(jì)效益與商機(jī)，尤其在美容器具和養(yǎng)生行業(yè)。其環(huán)保節(jié)能，解決冰敷袋一次性使用及制冷劑污染等問(wèn)題;二是政府補(bǔ)貼。政府的支持很大程度影響了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展;三是這種新型產(chǎn)品可帶起一場(chǎng)養(yǎng)生潮流，這種經(jīng)濟(jì)效益也是可觀的。

2.4設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)制作冰敷袋需注意的幾個(gè)問(wèn)題

（1）實(shí)現(xiàn)制冷需要五部件：制冷片+散熱器+硅脂+隔熱墊+電源，現(xiàn)在市面上的該五部件組合起來(lái)的整體體積相對(duì)于冰敷袋來(lái)說(shuō)還是過(guò)于龐大，不易于和冰敷袋結(jié)合。可考慮采用電源與袋體分離的模式，在制冷片上安裝小型震動(dòng)器，調(diào)節(jié)震動(dòng)頻率，使其制冷均勻，同時(shí)起到按摩作用。

（2）如何進(jìn)行恒溫控制，研究半導(dǎo)體冷熱端的溫度變化關(guān)系和范圍，將其控制在適宜的可調(diào)控范圍內(nèi)，可考慮采用恒溫系統(tǒng)，半導(dǎo)體制冷片作為恒溫控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，運(yùn)用模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)溫度快速、穩(wěn)定、精確控制。

（3）冷熱端分別如何與冰敷袋內(nèi)部與外部結(jié)合，與人體接觸部分材料的選取，冰敷袋內(nèi)部填充物的選取，可考慮在冰敷袋內(nèi)部可加入相關(guān)中草藥成分，袋身采用透氣防水材料，使中草藥等有益成分釋放出來(lái)，與人體接觸部分選用軟硅膠，同時(shí)袋身設(shè)置更換袋內(nèi)成分的孔口。模仿普通供電熱水袋的供熱部分安裝模式安裝半導(dǎo)體制冷裝置。

（4）從整個(gè)半導(dǎo)體材料行業(yè)來(lái)看，半導(dǎo)體材料的優(yōu)值系數(shù)始終無(wú)法得到進(jìn)一步的提升是阻礙其發(fā)展的主要原因，關(guān)于冷熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)仍停留在理論階段，同時(shí)半導(dǎo)體制冷技術(shù)對(duì)于其他領(lǐng)域或相關(guān)領(lǐng)域中的相關(guān)技術(shù)使用太少。隨著市場(chǎng)的需求不斷提升和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要考慮因素也在日漸增多。

3展望

隨著節(jié)能和環(huán)保的需要，由于半導(dǎo)體制冷不同與其他制冷劑會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域正在逐漸利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)。全國(guó)乃至全世界都在強(qiáng)調(diào)綠色環(huán)保，綠色產(chǎn)品在能源日趨緊張的未來(lái)將會(huì)越來(lái)越有發(fā)展空間。這體現(xiàn)在衣食住行的各個(gè)方面，環(huán)保節(jié)能已經(jīng)被越來(lái)越多的群體定為首要條件，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染的產(chǎn)品已經(jīng)漸漸退出人們的生活，被社會(huì)淘汰，有些制冷劑甚至被國(guó)家強(qiáng)制取締。“環(huán)?！?、“節(jié)能”、“低碳”、“綠色”、“無(wú)污染”等字眼越來(lái)越搶眼，常說(shuō)環(huán)保從小事做起，不起眼的冰敷袋無(wú)疑也值得進(jìn)行環(huán)保改造。