基于半導體制冷的小功率雙控溫便攜冰箱設計＊

劉 藝，郭 斌，朱 迅，黃 圓，鄧君如，牛鵬燕

（新疆農業大學計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052）

現在市場上的冰箱種類繁多，用于制冷的能源和方式也有所不同。其中有用壓縮式制冷機進行降溫的電能制冷，有用吸收式制冷機進行降溫的蒸汽能源制冷，還有通過直接燃燒油或天然氣獲得能源的制冷機以及太陽能吸收式制冷機來制冷的方式等。現階段人們普遍使用的制冷方式為壓縮式制冷機。一般來說電冰箱從電動機獲取電能，通過壓縮機對冷卻系統做功，其中冷卻系統的基本原理是低沸點的制冷劑在蒸發過程中通過吸熱來帶走熱量。但由于制冷劑在制冷機工作時容易蒸發到空氣中，極易對環境造成污染及對人體產生傷害，并且有不易小型化、噪聲大、成本高等缺點。

由于社會經濟和科技的迅速發展，人們的生活水平越來越高，冰箱的便攜性逐漸受到人們的重視，車載冰箱等小型冰箱逐漸問世，但現有的小冰箱很少能達到多種溫度控溫的效果。

現如今有人利用半導體制冷技術開發了半導體小型冰箱，用風扇散熱很難將溫度降到很低。根據人們在辦公場所及學生宿舍等有限空間內貯存、保鮮東西的要求，通過改變半導體制冷片的散熱裝置來設計具有多種溫度控制模式的小型小功率電冰箱具有一定研究意義。

1 小冰箱的制冷原理

1.1 壓縮式制冷機制冷原理

現在市場上的小冰箱制冷原理包括壓縮式制冷機制冷和半導體制冷。壓縮式制冷機主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器組成[1]。壓縮機增加內部壓力，從而使制冷劑沸騰并蒸發，然后將氣體壓縮到冷凝器中[2]。在冷凝器中制冷劑從氣體轉變為液體，并將熱量傳遞給冷卻介質讓制冷劑降溫。冷凝后的液體通過膨脹閥降壓進入蒸發器中，在蒸發器中制冷劑由液態蒸發變為氣態以吸收熱量達到制冷目的[3]。其中壓縮機會將蒸發器中產生的蒸氣連續帶出，并將它一直不斷地送往冷凝器中進行循環（如圖1 所示）。壓縮式制冷機的體積偏大，若用壓縮式制冷機作為小冰箱的制冷基礎，小冰箱的體積也會偏大，并且此類小冰箱移動時很容易造成制冷劑的泄露，從而影響人們的身體和環境安全，所以市面上一般使用的是半導體制冷。半導體制冷是利用PN 型半導體接通直流電時，在結點上產生帕爾帖效應的原理來實現制冷的[4]。

圖1 壓縮式制冷機運行原理

1.2 半導體制冷原理

半導體冷卻裝置工作時基于帕爾帖原理[5]，如圖2所示。由P 型半導體和N 型半導體組成的電路，當連接直流電時，電流由N 極流向P 極的接頭吸收熱量形成冷端，從而達到制冷效果；從P 極到N 極的接頭釋放熱量成為熱端，通過散熱裝置對熱端進行降溫[6]。吸熱和放熱的多少與P、N 型導體的特性和熱端的溫度緊密相關。由半導體制冷原理可得，制熱面溫度越低冷面溫度就越低。

圖2 半導體制冷原理

2 小冰箱設計

2.1 半導體制冷片散熱設計

目前常用的半導體制冷片散熱方式有風冷、水冷、銅管制冷。風冷是最常見的散熱方法，是利用導熱硅脂將制冷片的熱面緊密地貼在一塊導熱性能良好的散熱片上，再為散熱片的另一端固定一個風扇，利用風扇所產生的風力，把散熱片上的熱量帶走，進而達到對制冷片熱端散熱的效果。水冷散熱是將水冷頭通過導熱硅脂直接與制冷片的熱端緊貼在一起，然后再進行固定，使其穩固，通過水冷頭中重復循環的水流將熱量帶走，進而實現散熱的目的。銅管制冷是將真空的銅管鑲嵌于散熱片中，使熱量通過真空銅管迅速傳遞到散熱片上，然后將風扇固定在散熱片上，通過風扇產生的風力將散熱片上的熱量帶走。由于金屬管導熱比散熱片快，能夠將熱量快速帶走，從而實現了較好的散熱效果。

根據散熱的需求應用水冷循環散熱系統，該系統是由風冷和水冷相結合使用膠管和水泵連接而成的循環的水冷散熱裝置。由于水冷頭中的水不停地流過制冷片熱端，使得水冷裝置中水的溫度不斷上升，所以需要對水冷頭中的水進行散熱。對水進行散熱的散熱系統由一個水冷排、一個風冷裝置和一個儲水盒構成，其中，風冷裝置主要用于對制冷片的熱端進行降溫，為了達到更好的降溫效果，將水冷排與水泵結合從水冷頭將熱量帶入水排，從而實現進一步散熱，具體原理如圖3 所示。

圖3 水冷循環散熱系統原理圖

2.2 小冰箱設計原理

小冰箱由第一冷藏層和第二冷藏層2 個溫度層組成。2 個冷藏主要區別在于第一冷藏層溫度低于第二冷藏層。它們都各自放有一塊相同型號的制冷片分別制冷，其中第二冷藏層所用的散熱裝置由塔式散熱器進行散熱，第一冷藏層則是由組裝式水冷循環散熱系統進行散熱，將圖3 中顯示的冰箱制冷端上的制冷片冷端加一個風扇放入第一冷藏層中進行降溫，而系統中其余為水降溫的裝置則安放在箱體的底部，如圖4 所示。

圖4 第一冷藏層和第二冷藏層的原理

2.3 小冰箱實物設計

小冰箱的外殼由2 mm 厚的PVC 硬塑料板制作而成，內部由20 mm 厚的聚氨酯發泡板作為保溫層。小冰箱分為上下2 層，上層為第一冷藏層，尺寸為190 mm×280 mm×190 mm；下層為第二冷藏層，尺寸為190 mm×280 mm×200 mm。最底層留有110 mm 的空余空間，用于風扇散熱時進行空氣循環，2 層之間有分隔板，分隔板所用材料為20 mm 厚的聚氨酯發泡板。小冰箱整體尺寸為510 mm×310 mm×360 mm，用熱熔膠將PVC 板粘合，將聚氨酯發泡板固定在PVC 板上，再進行接口的粘合，使其達到良好的密封效果，最后在所有冷藏層內部粘貼錫箔紙，實物如圖5 和圖6 所示。

圖5 小冰箱實物正面圖

圖6 小冰箱內部面圖

3 小冰箱的性能測定

3.1 實驗箱體

實驗測試時分別使用2 個相同大小的泡沫箱作為第一冷藏層和第二冷藏層，其尺寸為290 mm×180 mm×190 mm，泡沫壁厚20 mm。泡沫箱內利用錫箔紙作為冰箱的內膜，防止內部冷氣傳到外界，也防止外界熱氣通過泡沫滲進箱體內，從而影響制冷溫度。根據測試，箱體內可以放入3～4 罐可樂，能夠滿足人們的日常需求。

3.2 制冷片的選用

本次研究對市面上的TEC1-12706、TEC1-12710、CL-C067 型號的半導體制冷片進行了測試，3 個型號半導體制冷片的額定電壓都為12 V，工作電流分別為6 A、10 A、6 A，功率分別為72 W、120 W、72 W，符合小功率的特點。在相同的環境下使用相同的風冷制冷裝置，對3 種制冷片型號進行測試，測試數據如表1所示。其中功率相對較大的是TEC1-12710 型號的制冷片，根據功率越大效果更明顯的原理，在測試中短時間內冷面的溫度確實是降得最低的，但長時間后該冷面卻有一定的回溫，從而使降溫效果比其他2 種類型的制冷片稍弱一些。通過測試上述3 種型號制冷片冷面的溫度，得到CL-C067 型號的制冷片制冷效稍好，所以選用制冷效果較好的CL-C067 制冷片。

表1 制冷片冷端溫度測試

3.3 性能測試

根據目前半導體制冷片散熱方式，共做了15 組實驗，實驗分別選用風冷、4 個裝有純銅散熱導管的下壓式散熱器（如圖7 所示）、塔式散熱器（上面有2 個風扇與6 個純銅散熱管）（如圖8 所示）以及組裝式水冷循環散熱系統（如圖9 所示）進行測試。為了確定制冷片的個數與箱體內的制冷效果的關系，實驗設置分為在冷藏室內裝一個制冷片和2 個制冷片。在室溫相同的情況下，分別使用以上4 種散熱方式對同一種型號制冷片進行散熱，通過使用相同的溫度傳感器對箱體內的溫度進行測量并對比（傳感器測量點選擇為制冷片附近），測試數據如表2 所示。然后再測試在一個箱體內同時裝2 塊制冷片的降溫效果，2 塊制冷片均用風冷直接進行散熱，溫度測量傳感器也選擇在制冷片附近，測試數據如表3 所示。

表2 測試冰箱內溫度（溫度傳感器在制冷片附近）

表3 測試冰箱內溫度（溫度傳感器在制冷片附近）

圖7 下壓式散熱器實物圖

圖8 塔式散熱器實物圖

圖9 組裝式水冷循環散熱系統實物圖

1 塊制冷片室溫10 ℃下壓式散熱器散熱溫度顯示如圖10 所示。1 塊制冷片室溫24 ℃風冷直接散熱溫度顯示如圖11 所示。1 塊制冷片室溫28 ℃下水冷循環系統散熱溫度顯示如圖12 所示。1 塊制冷片室溫28 ℃塔式散熱器散熱溫度顯示如圖13 所示。2 塊制冷片室溫28 ℃風冷散熱溫度顯示如圖14 所示。

圖10 1 塊制冷片室溫10 ℃下壓式散熱器散熱溫度顯示圖

圖11 1 塊制冷片室溫24 ℃風冷直接散熱溫度顯示圖

圖12 1 塊制冷片室溫28 ℃下水冷循環系統散熱溫度顯示圖

圖13 1 塊制冷片室溫28 ℃塔式散熱器散熱溫度顯示圖

圖14 2 塊制冷片室溫28 ℃風冷散熱溫度顯示圖

根據測試數據分析可知，室溫28 ℃下，降溫效果最好的是組裝式水冷循環系統，所以作為第一冷藏層的散熱裝置。而對于第二冷藏層，用降溫效果一般的塔式散熱器進行散熱。通過測試最終找到做小冰箱的最佳散熱裝置，并進行實物組裝，如圖15 所示。實物測試溫度如圖16 所示。

圖15 散熱裝置實物連接圖

圖16 實物測溫圖

4 結論

本文利用半導體制冷片制作出具有對不同溫度進行控溫的雙控功能小功率冰箱，通過對不同散熱方式進行測試，1 塊制冷片與2 塊制冷片在實驗環境相同的情況下，制冷效果基本相同。組裝式水冷循環系統的散熱效果優于下壓式散熱器、塔式散熱器、風冷散熱器。通過對組裝式水冷循環系統與制冷片的結合，設計出了雙控溫小功能冰箱，其具有體積小、功率低、方便攜帶等特點，基本滿足冷藏的需要，為以后研究者進行一步探索提供一定思路。