基于半导体制冷的医用恒温箱的设计研究

2013-09-13穆江勃卢菡涵刘志奇闫献国徐昌贵

制冷 2013年3期

穆江勃，卢菡涵，刘志奇，闫献国，徐昌贵

(1.太原科技大学机械工程学院，太原030024;2.北京工商大学机械工程学院，北京100048)

1 引言

半导体制冷技术是基于帕尔贴效应的一种新型制冷方式，它具有体积小、无污染、易于控制的特点。目前在医学上的应用较为广泛，如:PCR仪、电泳仪及一些智能精确温控的恒温仪培养箱等，因此对半导体制冷恒温箱的研究具有一定的实用价值。本文通过对半导体制冷及传热原理的研究，最终确定出一套恒温箱的设计理论及方法，对以后该类恒温箱的进一步设计与批量生产提供理论指导及技术支持。

2 半导体制冷原理

早在1834年，法国物理学家帕尔贴发现帕尔贴效应——两个不同导体接通后，通上直流电，在接头处产生吸热或放热现象，这就是半导体制冷原理。如图1所示，通上直流电源后，在上面的接头处，电流由n型半导体流向p型半导体，也就是由负温差电势流向正温差电势，由低能级流向高能级，就会从外界吸收能量，因此成为冷端，温度降低;相反，在下面的接头处，电流是从p型半导体流向n型半导体，释放能量，形成热端，温度升高。

图1 半导体制冷原理图

3 恒温箱结构设计

基于半导体制冷原理，对医用恒温箱进行结构设计。初步确定该试验箱的体积为8L，室温为30℃ (303K)，假定在半个小时内能从室温降到0℃ (273K)，即温度下降为ΔT=30K。

(1)壳体隔热层的理论计算

壳体采用不锈钢来制作，选取钢板厚度σ1=0.2mm，隔热层采用聚氨酯发泡剂发泡来形成，聚氨酯泡沫塑料具有容重强度高、质轻、使用寿命长、导热系数低、低温或高温尺寸稳定性好的特点，因此采用聚氨酯泡沫塑料做隔热层是很好的选择。隔热层的厚度由公式 (1)来计算。

式中:

λ—隔热层的导热系数;

α—空气对隔热层外表面的放热系数;

Tb—隔热层外表面温度;

TW—被隔热物体的温度;

Ta—环境温度。

将各个参数带入公式 (1)中，可求出隔热层的理论厚度为27.64mm，为了确保保温效果，将理论值化整计算，取隔热层厚度为30mm。

(2)恒温箱冷负荷的理论计算

恒温箱的冷负荷主要包括两部分:(1)箱体由常温降至贮藏温度的空载降温冷负荷 (恒温运行时存储样品的降温冷负荷考虑包含在内);(2)热量通过箱壁从外界传入的冷负荷。其中降温阶段的冷负荷可用公式 (2)计算，外界热量通过箱壁传入的冷负荷可用公式 (3)计算。

式中:

Q1、Q2—分别表示降温的冷负荷和传导的冷负荷;

M—表示需要降温部分的质量;

C—比热容;

T1、T2—分别表示降温初始和结束时的箱体内温度;K—热导率;

F—表示箱体外表面积的平均值;

Ta、T—分别表示环境温度和箱体内温度。

根据计算，可得公式中的各个参数值分别为:

M空=1.205 kg/m3

M钢=7750 kg/m3

C空=1.0005 kJ/kg·k

C钢=0.47 kJ/kg·k

K=5 W/m2·K

T1=303 K

T2=273 K

t=1800 s。

将各个参数值分别带入公式 (2)和 (3)中，可得系统所需冷负荷为

Q=Q1+Q2=0.257 kW=257 W

通过对半导体制冷片的参数与制冷性能的分析比较，最终可选用C1206型号的半导体制冷片，如图2所示。该制冷片的额定电压为12V，额定电流为6A，每个制冷片的功率为P=12×6=72 W，制冷量q为55W，那么，半导体制冷试验箱需要制冷片的个数为:

综合考虑该试验箱空箱降温次数不多等因素，选取半导体制冷片个数为4个。

图2 C1206制冷片

图3 恒温箱三维模型图

根据上述理论计算，首先采用Solidworks三维软件进行恒温箱三维模型的设计，所设计三维模型如图3所示。

基于该三维模型，进行恒温箱的实体加工。将开关、控制器等元件与箱体组装起来，就构成了整体的半导体制冷恒温箱，如图4所示。

4 实验验证

加工出所设计的恒温箱，需要进一步对其性能进行实验验证，以确保该恒温箱是否能够满足设计要求。

4.1 制冷能力的实验验证

首先在室温20℃，不加温度控制器的前提下，对该恒温箱的制冷能力进行实验验证，记录半小时内持续制冷情况下该箱体内的温度，温度变化情况如图5所示。

图4 半导体制冷恒温箱实体图

图5 恒温箱制冷能力实验

从图5可以看出，室温20℃时，开机制冷前五分钟的制冷速度是比较快的，之后，虽然速度有所减缓，但由于总制冷量不变，箱内温度仍会持续不间断下降，开机30分钟后，箱内温度可达1.5℃左右。

由于血液的存储温度为2～6℃，由上述实验可以看出所设计的半导体制冷恒温箱在常温下能够满足设计目标，可以满足血液存储的需要。

4.2 恒温控制实验验证

该恒温箱采用继电器开关控制的控制方式来实现箱体内的恒温控制。采用Pt 100热电偶传感器来测量箱体内的温度，将所测得的温度信号反馈给电子温控器，将所得温度与目标温度值进行比较来控制电流的通断，进而实现箱体内的恒温。

将温控器的稳定温度设置为3℃，温差为0.1℃，在室温为20℃的前提下，半个小时内箱体内的温度变化情况如图6所示。

图6 恒温控制实验

由图6可以看出，在恒温控制状态下，箱内温度在达到设定值之前的制冷曲线与图5的几乎一致。在温度达到2.9℃时，断开电源，制冷片不再制冷，箱体内温度会逐渐升高;在温度达到3.1℃时，电源接通，制冷片再次开始产生冷量，使箱体内的温度逐渐下降，如此反复循环，使箱体内温度维持在2～6℃的允许范围内，因此所设计的半导体制冷医用恒温箱能够满足设计要求，满足血液的存储要求。