基于帕爾貼效應(yīng)的便攜式制冷箱的設(shè)計(jì)與制作

黃裕 韓佳燁 鄭亞麗 宋一田 楊千

摘 要： 基于帕爾貼效應(yīng)的便攜式制冷箱是一種應(yīng)用半導(dǎo)體制冷技術(shù)的新型制冷箱。本文首先介紹了帕爾貼原理及其他相關(guān)原理，即通過改變流過制冷箱的電流方向來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱和制冷的轉(zhuǎn)換。其次對(duì)制冷箱制作與應(yīng)用提出許多關(guān)鍵問題，簡(jiǎn)述利用帕爾貼效應(yīng)制作的便攜式制冷箱的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)制冷箱的目前現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展前景趨勢(shì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞： 帕爾貼效應(yīng);溫度控制;便攜冰箱

關(guān)于冰箱的發(fā)展史，古人類很早就懂得低溫貯藏食物，后來(lái)到中世紀(jì)，冰箱已有雛形。最初的制冷劑，大多都是像醚、氨等易燃易爆炸的物品。到1931年，氟利昂研制成功，但人們后來(lái)發(fā)現(xiàn)它會(huì)破壞大氣臭氧層，就意識(shí)到不能長(zhǎng)久依靠制冷劑作為冰箱的主要制冷方式。而該半導(dǎo)體便攜式制冷箱，主要利用的就是應(yīng)用帕爾貼效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷方式，通過PN型半導(dǎo)體產(chǎn)生帕爾貼效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。這樣制冷箱不僅提高了其制冷效率，同時(shí)還具有體積小，足夠便攜，使用壽命長(zhǎng)，沒有環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)我國(guó)冰箱未來(lái)發(fā)展有很大價(jià)值性。

1 原理

半導(dǎo)體制冷工作原理。半導(dǎo)體制冷是利用半導(dǎo)體材料，在通有直流電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生降溫的作用，即半導(dǎo)體的兩端可以實(shí)現(xiàn)一端制冷，一段端熱的效應(yīng)。[1]而且，半導(dǎo)體能夠高效率的轉(zhuǎn)換能量。

1.1 帕爾貼效應(yīng)

當(dāng)有直流電流通過半導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。而且產(chǎn)生的熱量與時(shí)間和電流密度有關(guān)。把一只N型半導(dǎo)體元件和一只P型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成熱電偶，接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。[2]

1.2 塞貝克效應(yīng)

當(dāng)有多種金屬在同一閉合回路里的時(shí)候，如果金屬與金屬之間發(fā)生接觸，就會(huì)產(chǎn)生一定的電勢(shì)差。當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)之間的溫度在一定范圍內(nèi)，回路產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與熱冷兩端的溫差成正比。[3]

1.3 湯姆遜效應(yīng)

當(dāng)回路中的金屬的兩端溫度不相同時(shí)，溫度較大處的電子自由運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生一定的電勢(shì)差。且所產(chǎn)生的電勢(shì)差大小與金屬的材料以及內(nèi)部分布均有關(guān)。

1.4 焦耳效應(yīng)

回路中，半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流時(shí)間相關(guān)。

1.5 傅立葉效應(yīng)

在一閉合回路中，金屬導(dǎo)熱率與時(shí)間和截面面積有關(guān)。半導(dǎo)體的載流子對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)很小。[4]

2 關(guān)鍵問題

基于帕爾貼效應(yīng)的便攜式制冷箱最突出的問題就是制冷工作的效率不高，溫度不夠低，散熱方式不夠強(qiáng)勁。到目前為止，適用于低溫制冷的半導(dǎo)體材料的種類并不是十分多，其中，我國(guó)的一些P型和N型的半導(dǎo)體都是合適的材料。把這兩種半導(dǎo)體材料鏈接成電偶對(duì)，對(duì)其施加外部的直流電流就可以轉(zhuǎn)移能量。為了更好的加強(qiáng)散熱過程，熱端散熱器選用鋁制的翅型片做散熱器。鋁制品質(zhì)量小，安裝在制冷箱中便于攜帶。并且半導(dǎo)體制冷的成本要比以往市場(chǎng)中制冷設(shè)備的成本和技術(shù)要低，

3 半導(dǎo)體制冷箱的發(fā)展

3.1 半導(dǎo)體制冷箱優(yōu)勢(shì)及目前現(xiàn)狀

3.1.1 半導(dǎo)體制冷的簡(jiǎn)述

（1）半導(dǎo)體制冷是一種還沒有被普及的新型技術(shù)，比起以往利用化學(xué)物質(zhì)去制冷，P-N型半導(dǎo)體在制冷方面有著極大的優(yōu)勢(shì)。它不需要制冷劑，便可以一直工作，并且半導(dǎo)體在制冷過程中沒有噪音，沒有震動(dòng)，壽命很長(zhǎng)。

（2）半導(dǎo)體制冷技術(shù)擁有兩種功能，既能夠制冷同時(shí)還能夠制熱，也就是說我們只需使用一個(gè)片件便能代替彼此分立的加熱和制冷系統(tǒng)。

（3）半導(dǎo)體制冷片是可以將電能轉(zhuǎn)換成其他形式能的物件，通以一定大小的直流電流，便可以對(duì)其改變溫度的準(zhǔn)確性進(jìn)行調(diào)控。

（4）半導(dǎo)體的制冷后，溫度有極大的跨度。

3.1.2 目前現(xiàn)狀

自上個(gè)世紀(jì)60年代我國(guó)就已經(jīng)開始對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行了研究，在多年研究后，我國(guó)對(duì)于半導(dǎo)體制冷技術(shù)等方面的研究已經(jīng)取得了很大的突破。但仍然存在很多問題，比如我們?nèi)绾谓?jīng)過改變半導(dǎo)體制冷器中制冷片的一些特性從而能夠增加其制冷的效率，如何選取半導(dǎo)體的制冷片元件和改進(jìn)工藝條件能夠?qū)崿F(xiàn)降低其成本，如何能夠強(qiáng)化散熱等問題。我們?nèi)匀恍枰M(jìn)一步的研究和探討。

3.2 半導(dǎo)體制冷應(yīng)用前景

近些年來(lái)，我國(guó)逐漸跨越了冰箱行業(yè)在制冷劑和耗能等方面的技術(shù)門檻。由于產(chǎn)品的不斷升級(jí)創(chuàng)新一定會(huì)引發(fā)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，也將會(huì)使冰箱企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局的改變提供良機(jī)。預(yù)計(jì)在將來(lái)的幾十年里，中國(guó)冰箱行業(yè)依舊會(huì)保持著平穩(wěn)的增長(zhǎng)。并且人們對(duì)于這種采用新型制冷方式的便攜式冰箱的興趣越來(lái)越大，便攜式制冷箱的前景將不可估量。此外隨著我國(guó)在科學(xué)技術(shù)等方面的不斷發(fā)展和進(jìn)步，我們可以堅(jiān)信半導(dǎo)體制冷的應(yīng)用前景一定會(huì)更加的廣闊。

4 總結(jié)

該便攜式制冷箱充分利用了帕爾貼效應(yīng)，在制冷方面比起以往利用化學(xué)物質(zhì)去制冷有著極大的優(yōu)勢(shì)。它不需要任何的制冷劑，便可一直工作，同時(shí)可以通過控制電流的大小實(shí)現(xiàn)對(duì)其溫度的準(zhǔn)確調(diào)控。并且在制冷過程中沒有噪音，沒有震動(dòng)，壽命很長(zhǎng)同時(shí)具有方便、易攜帶的優(yōu)點(diǎn)。但是由于我國(guó)目前在半導(dǎo)體制冷箱的制冷的效率、溫度控制系統(tǒng)的改進(jìn)、制作成本，強(qiáng)化散熱等方面還存在問題，仍然需要進(jìn)一步的研究和探討。但我相信隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，半導(dǎo)體制冷箱不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，半導(dǎo)體制冷箱的前景一定會(huì)更加廣闊，這也將會(huì)為我國(guó)冰箱產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)造和升級(jí)帶來(lái)更大的機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐啟見.基于單片機(jī)半導(dǎo)體溫度控制系統(tǒng)的研究[J].信息記錄材料，2018，19（09）：108-109.

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[3]張洗玉，王旭，陳國(guó)慶.基于塞貝克效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換儀器的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（04）：32-35.

[4]王懷光，石志勇，王毅，全振中.半導(dǎo)體制冷熱力學(xué)循環(huán)機(jī)理研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2013，32（02）：26-28.