環(huán)保制冷風(fēng)扇的研制

天津職業(yè)大學(xué) 天津 300410

1 引言

隨著溫室效應(yīng)加劇,地球溫度不斷升高,對(duì)于北方的學(xué)生和剛畢業(yè)的年輕人來(lái)說(shuō),如何度過(guò)炎熱的夏季是個(gè)難題。北方學(xué)校的宿舍里大多沒(méi)有安裝空調(diào)；對(duì)剛畢業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō),空調(diào)價(jià)格昂貴,且不容易搬動(dòng)。電風(fēng)扇價(jià)格低,但吹出的熱風(fēng)不舒適。因此,制作了小巧而且價(jià)格低廉的制冷風(fēng)扇。該制冷風(fēng)扇能吹出低于室溫5－10℃的涼風(fēng),迅速降低體感溫度。

2 制冷風(fēng)扇工作原理

當(dāng)冷水遇到高溫空氣時(shí),就會(huì)在冷水表面產(chǎn)生由于導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射引起的顯熱交換,冷水與空氣之間的這種顯熱交換就是實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻的根本原理[1]。該制冷風(fēng)扇采用直接蒸發(fā)冷卻,即冷水與空氣直接接觸,通過(guò)風(fēng)扇吹出涼爽的空氣,迅速降低體感溫度。該裝置采用水作為冷卻介質(zhì)成本低、能耗小,維護(hù)費(fèi)用低,且避免了使用氟利昂制冷劑對(duì)大氣環(huán)境的污染。

3 制冷風(fēng)扇的設(shè)計(jì)思路

單片機(jī)接收溫度傳感器所測(cè)水的溫度,溫度高于25℃時(shí),半導(dǎo)體制冷芯片開(kāi)始工作,降低水溫,冷水和空氣進(jìn)行熱交換,同時(shí)排風(fēng)扇將冷卻后的空氣排出；當(dāng)水溫冷卻至23℃時(shí),制冷芯片停止工作,排風(fēng)扇繼續(xù)排出涼風(fēng)。當(dāng)水的溫度上升到25℃時(shí),重復(fù)前面的過(guò)程。

由于冷熱交換,會(huì)使水蒸發(fā),液位降低,因此采用液位報(bào)警模塊提醒加水操作。

4 控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制電路系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 控制電路系統(tǒng)圖

4.1 核心控制芯片 單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心部件,采用市面上常用的89C52,其功能為：

(1)接收溫度傳感器測(cè)試的溫度,將測(cè)量值與設(shè)定值相比較,控制半導(dǎo)體制冷芯片的啟停。控制算法采用二位式控制,又稱通斷式控制。即當(dāng)溫度高于26℃時(shí),啟動(dòng)制冷芯片；溫度低于23℃時(shí),制冷芯片停止工作。

(2)設(shè)定高低液位值,單片機(jī)接收液位傳感器測(cè)得的液位信號(hào),與設(shè)定值比較,通過(guò)蜂鳴器進(jìn)行缺水和溢水報(bào)警。控制算法同樣采用二位式控制。

4.2 半導(dǎo)體制冷芯片 制冷芯片采用TEC1－12706芯片,由半導(dǎo)體材料制成,工作電壓12V,工作電流4－4.6A。半導(dǎo)體材料具有最佳的熱電能量轉(zhuǎn)換特性,在通以直流電流時(shí),具有制冷功能。半導(dǎo)體制冷是建立于塞貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)共五種熱電效應(yīng)基礎(chǔ)上的制冷新技術(shù)[2]。在本設(shè)計(jì)中,為了迅速制冷,使用兩片半導(dǎo)體制冷芯片,總功率為90瓦。

4.3 溫度傳感器 溫度傳感器采用DS18B20,是一款功耗低、精確度高的數(shù)字型傳感器。能將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),可以和單片機(jī)直接相連。經(jīng)常用于家電溫度控制中。

4.4 液位傳感器 液位傳感器采用電容式非接觸傳感器。將兩個(gè)傳感器表貼在液體容器外面的兩個(gè)極限位置,測(cè)量最低和最高液位,容器壁厚不能超過(guò)傳感器的感應(yīng)距離。當(dāng)容器內(nèi)的液位達(dá)到傳感器的高度時(shí),傳感器輸出高電平,如果沒(méi)有達(dá)到,則輸出低電平。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

制冷片鑲嵌在容器壁間,冷面向里,熱面朝外。測(cè)試?yán)錈崦鏁r(shí),將紅線接電源正極,黑線接負(fù)極,瞬間通電,用手觸摸制冷片的兩個(gè)面,發(fā)熱一面為熱面,有冷感一面為冷面。時(shí)間不超過(guò)5秒鐘,否則熱端溫度高,沒(méi)有散熱,容易燒壞制冷片。

高低液位傳感器需要通過(guò)單片機(jī)調(diào)試安裝在外壁上。溫度傳感器安裝內(nèi)壁上,與冷空氣接觸,測(cè)量冷空氣度。

圖2 制冷風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié)論

本文基于單片機(jī)及制冷片技術(shù),制作了制冷風(fēng)扇。該設(shè)備能耗低,功率為100瓦；小巧,攜帶方便,是一款環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品。該設(shè)備還可以作為制作飲用的冷水裝置,或者小型冰箱,非常適合在校及剛畢業(yè)的年輕人。

制冷風(fēng)扇只能實(shí)現(xiàn)人體溫感迅速降低,不能實(shí)現(xiàn)整個(gè)房間的降溫,且屋內(nèi)要適當(dāng)通風(fēng),防止空氣內(nèi)循環(huán)[3]。