一種開放式冷熱箱的研制

摘要：半導體制冷技術自問世以來受到了業界廣泛關注，隨著材料和半導體產業的不斷發展，半導體制冷的功耗問題得到了解決，此后該項技術被廣泛用于冷熱箱類產品。鑒于此，結合市場需求，對現有一款常用的開放式冷熱箱JCK-4進行改進研發，基于半導體制冷原理研發出一款參數合格且符合市場需求的JCK-4B型開放式冷熱箱。

關鍵詞：半導體制冷技術；開放式冷熱箱；產品研發

中圖分類號：TB657" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0051-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.012

0" " 引言

熱電制冷和制熱現象即“珀耳帖效應”于1834年被法國科學家發現，珀耳帖效應的問世催生了半導體制冷技術。起初該制冷技術由于功耗大、制冷效率過低而未被大量應用于工業制造，但是該問題隨著半導體和材料技術的不斷迭代發展已得到了很好的解決，因此半導體制冷技術開始逐步投入實用，該項技術也是早期的冰箱、空調制冷技術的主要原理。雖然制冷技術又有了新的發展，但半導體制冷技術由于其結構簡單的優勢仍然被廣泛應用于小型冷熱箱的制造。市場上采用半導體制冷技術研發的小型冷熱箱有許多，本文正是從實際市場調研出發，基于現有常用冷熱箱型號JCK-4重新設計電控、結構等，研制一款新型的開放式冷熱箱，滿足市場的需求[1]。

1" " 半導體制冷技術概述

1.1" " 半導體制冷技術的發展

經過調查分析可知，半導體制冷技術的發展經歷了三個重要的階段：第一階段是溫差電流現象被珀耳帖所發現，業界基于此項發現持續研究熱電制冷和熱電發電技術，但是由于材料的限制，熱電效應較差，該項研究一直到20世紀50年代都因為能量轉換效率過低而無法滿足工業實用化的要求。這一限制直到20世紀80年代才得到突破，因為半導體材料內部熱電性能被蘇聯科學家所發現，由此熱電效應的效率獲得了突破性提高，基于半導體材料的熱電發電和熱電制冷技術逐步開始工業實用化。20世紀80年代之后，基于半導體的熱電制冷性能的工業應用范圍進一步擴大[2]。

半導體制冷技術以其原理、結構簡單以及制冷效果良好的優勢得到了國內外的廣泛重視，基于該項原理的各類研究和應用層出不窮。該技術首先在軍事領域被應用，主要用于制冷激光器、光電倍增管和紅外探測器等器具。我國對該項技術的研究起始于20世紀70年代，隨后10年逐步進入產品研制階段，但初代產品以模仿國外為主，直至20世紀90年代，國內自主研發了民用的小型便攜式冷熱箱、日化品專用的冷藏箱、高低溫測試設備等產品。接著半導體制冷技術被引入整個醫療保健領域。當下，冷刀、冰帽、白內障摘除器、雷達、衛星和導彈等一系列產品中均有半導體制冷技術的應用。同時，半導體制冷技術也越來越廣泛地應用于高精密科學儀器。

1.2" " 半導體制冷技術原理

塞貝克效應、珀耳帖效應、湯姆遜效應和焦耳效應等表明電能和熱能的轉換是可逆的，由此就可以利用這種可逆性來制冷。圖1所示為半導體制冷技術原理圖。

圖1中，兩片陶瓷片組成一個單片制冷片，N型和P型的半導體材料串聯置于其間，當直流電流流過電路時，能量隨之轉移，制冷端是由于直流電流從N型半導體流向P型半導體的接口會吸收熱量，制熱端是由于直流電流從P型半導體流向N型半導體的接口會釋放熱量。直流電流的大小以及PN結的對數決定了吸收和釋放熱量的大小。因此，要達到較好的制冷、制熱效果，就要用到較大的電流和較多的PN結，反之亦然[3]。

2" " 開放式冷熱箱的研制

2.1" " 硬件系統設計

硬件部分設計如圖2所示，采用單片機作為中央處理器，設置輸入模塊用于選擇工作模式和其他參數，設置溫度采集模塊用于輸入反饋控溫，輸出模塊分為顯示、制熱、制冷三個部分。本次設計的中央處理器選用AT89C51單片機作為處理器，該款單片機價格便宜、性能穩定，包含定時器和計數器功能，有P1～P4四組端口可滿足本產品的電子控制需求。輸入模塊設置按鍵來調節功能參數，按鍵設計采用中斷模式執行命令，保障模塊內部的實時溫度預設值，從而能夠防止溫度讀取發生重復情況。溫度采集模塊采用DS18B20數字型溫度傳感器實現冷熱箱溫度的實時采集，該款溫度傳感器通過一根連接線就可以與單片機建立起雙向通信，且溫度采集范圍為-60～125 ℃，可以滿足冷熱箱的溫控條件。顯示模塊采用LM2581液晶顯示屏，其能通過單片機驅動，并且輸出顯示更加友好，能夠滿足正常使用要求。制冷模塊采用單片機控制三極管的方式進行。散熱模塊采用風冷散熱方式。本產品即JCK-4B型開放式冷熱箱的燈板位置調整至箱內后方，且為了滿足空間設計要求，新開220 V電源板，芯片更改為4 mm厚的12706型，散熱風扇額定轉速改為2 500 r/min。

2.2" " 軟件系統設計

圖3所示為本產品的軟件設計流程圖，冷熱箱啟動后系統進行初始化，然后進入正常的工作模式，此時可以根據需求通過按鍵設置一個想要的溫度T，此時液晶顯示屏會輸出目標溫度T和實際溫度t，其中實際溫度t是通過單片機發送指令至溫度采集模塊，即DS18B20數字型溫度傳感后反饋所得，如果實際溫度大于目標溫度即tgt;T，則通過指令判斷為制冷模式，相反，如果實際溫度小于目標溫度即tlt;T，則通過指令判斷為制熱模式。

2.3" " 冷熱箱結構設計

根據市場調研確定本產品的結構要求如下：箱體采用發裸泡結構，中間區域透明，外部可見箱內酒瓶；箱內上后方帶LED照明燈；滿足直徑105 mm酒瓶頂部開口任意放入的要求。因此，本品即JCK-4B型開放式冷熱箱的外觀設計如圖4所示，根據產品結構要求并參考JCK-4型結構，本品將JCK-4型上蓋的4個圓孔改成一個長方形孔，然后用一體長方形硅膠墊固定酒瓶，新開硅膠墊支架，并重新設計內上蓋、內下蓋、上蓋、鋁板等零件尺寸參數。同時，為了增加本產品整體寬度、深度，重新設計左側板、右側板、底座。

最終設計得到本品各項模件的結構爆炸圖如圖5所示。

3" " 開放式冷熱箱的性能測試

根據市場需求，JCK-4B型開放式冷熱箱的技術參數如下：

容積：9.6 L（調研可知多數客戶要求小于10 L）；溫控范圍：5～18 ℃；制冷性能：最大溫差gt;18 ℃（環境溫度32 ℃）；輸入功率：60×（1±10%）W（25 ℃環境溫度情況下）；氣候類型：SN/N；噪聲≤38 dB（A）（按GB/T 4214.1—2000規定方法測試）；最大外形尺寸（寬×深×高）：502 mm×271 mm×260 mm。

本品根據上述要求進行軟硬件及結構方面的重新設計，試制樣品出來對其進行相關的實驗檢查，以確保產品技術參數達標。

溫控測試：在環境溫度（25±1）℃條件下將JCK-4B型開放式冷熱箱樣機空載，輸入AC220 V/50 Hz電源，溫控板分別設定最低（5 ℃）和最高（18 ℃）溫度，各測試3 h，記錄通電2 h樣機的功率，記錄箱內溫度及環境溫度。溫度探頭布點要求：左、中、右三個點，中心冷壁向下200 mm處（水平方向：距離桶內后壁20～40 mm的箱內空中位置）測試結果合格。

制冷深度測試：在環境溫度（25±1）℃條件下將JCK-4B型開放式冷熱箱樣機空載，輸入AC110 V/60 Hz電源，短接溫控不控溫，通電測試5 h，記錄箱內左、中、右三點溫度及冷鋁中心表面溫度。溫度探頭布點要求：左、中、右三個點，中心冷壁向下200 mm處（水平方向：距離桶內后壁20～40 mm的箱內空中位置）及冷鋁中心表面。測試結果顯示，冷熱箱制冷深度達到要求。

度量測試及噪聲測試：測試產品整體外形尺寸為502 mm×271 mm×260 mm，容積為9.46 L，均滿足要求；測試噪聲為29 dB（A），也滿足要求。

4" " 結束語

本文首先引入半導體制冷技術的概念并詳細闡述了該項技術的發展及應用情況，然后指明本產品JCK-4B型開放式冷熱箱正是該項技術的一種常見應用方式；接著從硬件設計、軟件設計、結構設計等三個方面介紹了本產品的研制方案，并成功研制出JCK-4B型開放式冷熱箱樣機；最后針對樣機進行實驗檢測，結果顯示，本次研發產品JCK-4B型開放式冷熱箱的各項參數均滿足要求。

[參考文獻]

[1] 李吉慶.基于半導體制冷技術的小型冷熱箱設計分析[J].電子測試，2019（1）：5-7.

[2] 盧煜文.基于半導體制冷技術的小型冷熱箱設計分析[J].科技創新與應用，2019（15）：87-88.

[3] 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.

收稿日期：2024-07-05

作者簡介：黃志鵬（1996—），男，廣東云浮人，助理工程師，研究方向：產品結構設計。