基于半導體制冷技術的小型冷熱箱設計分析

盧煜文

摘 ?要：文章對半導體制冷技術的現狀及原理進行分析，對小型冷熱箱應用現狀加以研究，然后對小型半導體冷熱箱硬件系統、未處理模塊、軟件的設計要點予以探析，主要的目的：合理運用半導體制冷技術，做好小型冷熱箱的設計工作，以此提高半導體制冷、制熱的效果。

關鍵詞：半導體;制冷技術;小型冷熱箱設計

中圖分類號：TB657 文獻標志碼：A ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）15-0087-02

Abstract： In this paper， the present situation and principle of semiconductor refrigeration technology are analyzed， the application status of small cold and hot box is studied， and then the design essentials of hardware system， untreated module and software of small semiconductor cold and hot box are analyzed. Main purpose： to make rational use of semiconductor refrigeration technology and do a good job in the design of small cold and hot box， so as to improve the effect of semiconductor refrigeration and heating.

Keywords： semiconductor; refrigeration technology; design of small cold and hot box

半導體制冷材料、半導體制冷技術的不斷發展，使得一些暴露的問題得以解決，國內外均對半導體制冷技術進行了深入的分析和研究。合理使用半導體制冷技術，可保證操作簡便、安全，并且半導體冷熱箱在運行時不會出現污染、噪聲等問題，所以這項技術被廣泛應用于電冰箱制冷、空調制冷、其他類型制冷設備中，應用效果均比較理想。

1 半導體制冷發展過程

自1834年珀爾帖效應開始，采用這一效應制造電熱器歷史悠久，到本世紀50年代半導體材料的發展前景較好，有效促進了制冷器的發展，使熱電制冷器經實驗室——工程變化，在不同的領域中應用效果均比較理想，如：工業、農業、商業，以及日常生活中等，比較常見核潛艇空調、冷卻紅外探測器探頭。半導體制冷器被應用于不同的領域中，機械制冷設備不具有振動、制冷劑的功能。和同機械式制冷設備進行比較，制冷的效率并不高，且制冷溫差比較小。國內外半導體制冷人員表示，應將主要的精力放在發掘新半導體材料上，以便持續提高材料熱電能，促進半導體制冷器的良好發展[1]。

為促進半導體制冷技術良好的發展，應加強對小型冷熱箱的深入研究。上世紀80年代，國外發現了半導體材料內部存在熱電性能，因此半導體材料被廣泛應用于熱電制冷中，熱電效應效率得以提高。國外較多發達國家對于半導體制冷技術研究、應用的關注度較高。自70年代初，我國進行了對半導體制冷器的研制、研究工作，80年代末進到產品的研制極端，產品無論從外形、內部結構，均為模仿國外同類的產品。90年代開發了便攜式冷藏箱、高低溫測試設備、日化專用冷藏箱，專業半導體去濕類的產品應用前景較好。采用開發的產品時，耗電量不會很大，所以價格比較低廉，可保證用電的安全。醫療保健中，冷刀、白內障摘除器、冷帽等應用半導體制冷技術，均可達到較好的臨床效果。

2 半導體制冷原理解析

半導體制冷，也可以叫作溫差電制冷、電子制冷、熱電制冷，即以溫差電現象為主要特征的制冷方法，能夠借助塞貝克效應，實現珀爾帖效應的原理制冷的效果。塞貝克效應，為2種不同的金屬構成的閉合線路中，兩個接觸點的溫度均不同，可在接觸點間產生電勢差（接觸電動勢）。與此同時，閉合線路中存在電流通過，稱之為溫差電流。相反的兩種不同金屬組成閉合線路中，如果通過的為直流電則會構成一個接點變冷、一個接點變熱的情況，這種效應為珀爾帖效應、溫差電現象。

3 半導體制冷和傳統氟氯昂制冷技術優缺點對比

不同類型的材料的應用效果均有較大的差異，半導體制冷材料為新型的材料。半導體制冷器件，可分成專用冷卻某一對象/某一對象散熱，多見于電子工業領域;對個別小電子器件恒溫控制;全面制造注入環境實驗箱、不同類型熱性能儀器，以及小型冰箱等;在不同類型冷藏箱、烤箱、冷風機中應用。當前，現有冷熱箱有制冷功能、制熱功能，通過半導體均能夠實現上述功能。通常情況下，陶瓷外科、半導體中心可達到制冷、制熱的效果，主要原理：經電流直通半導體，以此產生冷效應、熱效應。電流通過正極——負極發揮制冷功能，負極——正極發揮制熱功能[2]。近年來，我國市場同類產品多在汽車內部應用（電子制冷箱），外觀可手挽，應用期間汽車卷煙點火器可當成接頭形成直流電源。

半導體制冷技術的優點：（1）可發揮熱電制冷的性能，能合理使用熱電能量轉換材料，確保相關的材料經直流電制冷。（2）半導體材料均存在熱電能量、轉換的性能，因此熱電制冷也可以叫作半導體制冷。（3）半導體制冷為在國外相關研究人員的研究之上完善，電能、熱能能夠相關轉換，且為可逆的狀態。（4）電子制冷箱制冷期間，能發揮小型電冰箱制冷功能、制熱功能，有一定的保溫功能，在食物加熱方面作用也比較理想。（5）制冷箱、制熱箱同樣適用于轎車、貨運設備、小型船只運輸中。缺點：（1）傳統小型冷熱箱應用時，對體重有明確的要求<5kg;（2）電子冷箱供電多借助直流電/交流電插座輸電，在車、船、電源場合輸電效果較好，但是無法在旅行、登山者中運用。

傳統氟氯昂制冷技術的優點：無毒、無味、不燃燒、不易爆炸、穩定性佳。缺點：這種技術的應用容易對大氣臭氧層構成損耗，導致臭氧層減薄/形成臭氧空洞，從而引發全球氣候變化溫室效應，嚴重危害到人們的生存環境和人們的生命健康。

4 半導體小型冷熱箱設計要點

4.1 小型半導體冷熱箱硬件系統的設計要點

硬件系統，為人機交流輸入模塊、溫度采集系統、控制用單片機，以及顯示模塊、半導體制冷片構成。系統啟動后以手動方式設置溫度，然后采集單片機內部溫度信息，評判溫度設置是否合理[3]。結合具體情況，確定控制制冷片的工作狀態，加強對當前溫度的控制。此外，可借助數碼技術的作用，動態反應出溫度值。當前小型半導體冷熱箱，結合帕爾貼效應原理設計半導體冷熱器件，所以可經自身做功實現溫度傳遞金屬內膽內部導溫塊中。制冷過程：經降低半導體器件熱端溫度、散熱器熱量，將熱量全部排除。散熱器可直接經螺釘、導溫塊連接，以此將內部熱量自螺釘、導溫塊傳遞到內膽，達到控制制冷和制熱的目的。安裝時，發揮導熱系數小的阻溫器件，和散熱器進行連接，從而防止發生螺釘連接所致冷端、熱端串通的問題，保證制冷效果、制熱效果。

4.2 微處理模塊的設計要點

選擇單片機作為MCU，內部構造包括：定時器、計時器。整體PI端口存在自動模數的轉換器，應用期間可借助晶振的作用，保證整體運行情況，運算速度控制在1.4us左右。

（1）按鍵模塊的設計方法

按鍵模板內部設計，可嚴格控制初始溫度，以此防止重復讀取相同的鍵值，在設計軟件中還能做好相關防抖的處理工作。

（2）溫度采集模塊的設計方法

溫度采集的速度較快、功能消耗較低、性能比較可靠，并且反應的速度非常快。在數字型傳感器制造時，溫度采集模塊應用的范圍比較廣泛，和單片機連接可經簡單的線在短時間內，即可達到單片機雙向通訊的效果，測試溫度控制在50°C左右，顯示模塊多通過4位的數碼顯示當前的溫度。

（3）電路驅動模塊、散熱模塊的設計方法

電路驅動模塊的應用，可遵循弱電控制強電原則進行控制[4]。所以，控制時可借助電磁繼電器的作用處理，然后通過單片機對三級管進行控制，從而驅動繼電器對制冷片控制，利用水散熱支持散熱模塊。

4.3 軟件的設計要點

系統啟動后，初始化即可正常工作，對按鍵模塊設計后，再設置初始t0，然后經數碼管理的方式顯示[5]。不同的溫度輸出后，進行t1、t2相比較，若是顯示的結果為t1數值>t0，可通過單片機的方式對半導體制冷片制冷予以控制。反之，t1數值

4.4 新型智能控制器的設計要點

半導體制冷器組件進風口18加裝合理設置直徑、高度，可避免發生散熱風扇吹出熱風于箱體下部、進入冷風相混合的情況，以此保證散熱的效果。新型智能控制器在設計的時候，應合理使用高速單片機技術，達到輔助通訊接口電路、數字溫度傳感器，以及液晶顯示器等目的。新型智能控制器應具備PID控制功能，旨在對獨立8位的地址編號進行處理，同時又串行的接口，能和計算機側控系統保持連接狀態[6-7]。值得一提的是，一臺計算機最多可以和125臺同型號的小型低溫冷槽裝置保持連接，不但可發揮半導體制冷組建熱端超溫報警的作用，不易于發生半導體制冷器過熱受損現象，而且能對之前參數進行記憶處理，達到實時控制溫度、PID輸出控制和通訊等效果。

5 結束語

單片機可對器件MCU進行控制，使用制冷片可構成恒定溫度的加熱元件、制冷元件，然后采集溫度數據。實際控制期間，經電磁繼電器控制半導體制冷元件，從而實現最佳的制冷效果、制熱效果。和傳統制冷箱相比較，這一系統應用時更加簡便、安全，同時操作過程不會對環境構成不良影響，無噪音。

參考文獻：

[1]陳光輝，袁保合.基于半導體制冷技術的小型冷熱箱設計[J].信息記錄材料，2017，18（9）：103-104.

[2]黃震，張華.半導體制冷技術的研究現狀及發展方向[J].上海有色金屬，2017，38（2）：106-111.

[3]張香林.一種提升半導體制冷性能的模糊控制系統[J].機械工程與自動化，2018，209（4）：32-34.

[4]張曉波，徐象國.多目標約束下半導體制冷片幾何結構參數的優化設計[J].制冷學報，2018，181（03）：25-33.

[5]周世浩，譚躍剛，張帆，等.基于半導體制冷的巧克力3D打印成型條件研究[J].機電工程，2017，34（4）：351-356.

[6]路凱華，何立東，閆安，等.基于半導體制冷的電機和軸承散熱系統研究[J].制冷，2017，36（3）：29-34.

[7]趙福云，常菁菁，劉娣，等.半導體制冷箱實驗研究與性能分析[J].武漢大學學報（工學版），2016，49（3）：476-480.