半导体降温服交盖效应的实验研究

文 虎 丁喜梅刘长春李 贝

(1西安科技大学安全学院 西安 710054；2西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室 西安 710054)

半导体降温服交盖效应的实验研究

文 虎1,2丁喜梅1,2刘长春1,2李 贝1,2

(1西安科技大学安全学院 西安 710054；2西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室 西安 710054)

近年来，频繁的高温天气已经严重影响作业人员的身心健康，因此有必要研制降温服以改善工人工作条件。通过对半导体降温服的部分制冷性能进行实验研究，结果表明：当最大制冷量为68.9 W的单个制冷片工作时，以P0为中心，半径相同处，温度也基本相同，且随着距离的增加，各测点温差降低率先加快后减慢；当三个制冷片工作时，温度变化呈现一定的差异性，且随着距离的增加，P5～P8和P9～P12测点的温差先降低后上升，在距离制冷中心3 cm处有明显的转折点；半导体降温服交盖效应的范围为以制冷中心为圆心、半径4 cm左右的圆域，且在相邻两个制冷片距离相同的情况下，当制冷中心位于同一水平线时，交盖效应更明显。研究为半导体降温服的应用提供了一定的指导意义。

半导体制冷；降温服；交盖效应

近年来，夏季高温频繁，高温高湿的工作环境普遍存在，尤其在一些特殊行业，如深部矿井、航空航天和军事领域等[1]。高温热害会影响工人的生理健康，导致工作积极性和工作效率降低，增加事故发生率，造成中暑、窒息甚至死亡[2]。高温热害环境已经严重影响作业人员的身心健康，因此有必要研制降温服，对人体实行被动降温[3]。目前，现有的降温服主要分为液冷降温服、气冷降温服和相变材料降温服[4]。液冷服质量过重，气冷服送气管路较长、衣服臃肿不便于使用者活动，相变降温服需要按时更换材料且易泄漏。半导体具有绿色环保、安全可靠、使用便捷等优点[5-6]，随着半导体材料的发展，制冷性能不断提高，应用领域也不断拓宽。郑宇薇等[7]对半导体制冷与固体除湿结合装置的性能进行了研究；陈旭等[8]将热电制冷技术应用于电子设备的冷却中，给出了一种提高制冷器运行经济性的控制方法；杨胜男等[9]将热电制冷技术应用于空气隙膜蒸馏系统中，为小型太阳能热电制冷空气隙膜蒸馏系统的理论研究和实际应用奠定了基础；L.M.Shen等[10]提出了一种新型的热电辐射空调系统，系统安全、运行可靠，且能够通过使输入电流反向来实现制冷和加热的转换。在半导体制冷性能方面，李茂德等[11]研究了散热强度对制冷参数的影响，提出热电制冷中存在最佳热端散热强度；戴源德等[12]提出热管散热是半导体制冷系统的最佳热端散热方式；陈桔[13]将几种散热方式对半导体制冷元件热端散热效果进行了比较，证明了改善传热条件可以提高半导体的制冷效率。文献[14]主要研究了不同水温、不同电流电压以及不同散热条件下，半导体降温服的降温性能。本文在以上基础上，对半导体降温服的温服场分布进行了实验研究，提出了半导体交盖效应的说法。

1 半导体降温服实验系统

1.1实验原理

降温服是通过冷却介质，在人体周围造成相对低温的微环境，达到降温的目的。采用半导体降温的方式，实现为高温环境下作业人员降温解暑的功能。半导体制冷片作为降温服的核心层，可分为热端和冷端，实验中将制冷片的冷端置于内侧，紧贴人体，实现为人体降温。目前常见的热端散热方式有空气自然对流散热、风冷散热、热管散热和水冷散热等，水冷散热结构虽然较为复杂，但效率比较高[15]。实验采用铜制水冷散热盒进行散热，实现整个系统的循环。

1.2实验装置

实验系统主要由半导体制冷系统、散热系统、数据采集系统、高温环境模拟系统和电路系统四部分组成。其中，热电制冷模块采用TEC-12708型半导体制冷片，外形尺寸为40 mm×40 mm×3.4 mm，最大温差66 ℃，最大温差电流8 A，最大温差电压12 V，最大制冷量68.9 W。散热系统主要采用水冷散热方式，即将铜制水冷散热盒通过硅胶与半导体制冷片的冷热端相连，实现半导体热端的散热需求。其中，铜制尺寸为40 mm×40 mm×10 mm，为了保证水能在散热盒内充分循环流动，散热盒内设有“E形”折流板的结构。数据采集模块采用ADAM4018/ 4018+数据采集模块，精度可达0.1%，具有过压保护功能。高温环境模拟系统采用水浴保温的模拟仓，利用温控仪保证模拟舱内环境温度为40 ℃。

在稳定的室温环境下，人体最高皮肤温度出现在腹部和前胸[16]，为了避免腹部过冷导致人体不适，将半导体制冷片主要布置于胸部。半导体制冷系统如图1所示，电路系统采用如图2所示，各个半导体制冷片之间采用串联的方式，然后与水泵并联。

图1 半导体制冷系统Fig.1 Semiconductor cooling system

图2 电路连接图Fig.2 Circuit connection

1.3实验过程及测点布置

1.3.1 实验过程

实验时，外界环境温度为28 ℃，采用水浴保温的方式，将模拟仓内环境温度设置为40 ℃。所用电源为12 V，将8个半导体制冷片串联，相邻两个制冷片之间相距2 cm，其编号分别为1～8，电压电流均为1.5 V、0.54 A；水泵的工作电流和工作电压分别为：0.81 A、12 V；水冷散热盒中循环水的流量为0.63 L/min，循环水温度为40 ℃。

实验前，将所有硅胶管连接处用隔热材料包裹起来，以避免管中散热对实验测点温度的影响，然后将模拟舱内温度保持在40 ℃，并将实验假人置于舱内，使其体表温度不断升高，直到其衣内温度升高至39 ℃且稳定40 min后，再开始通电使半导体和水泵工作，为人体进行降温。

1.3.2 实验测点布置

为了测得降温服内部温度场的分布情况，如图3所示，取1号半导体为研究对象，将测点P0布置于1号半导体正下方，即制冷中心处，然后以P0为中心垂直向上、向下和水平向右分别间隔1 cm布置P1～P4、P5～P8和P9～P12。

图3 测点布置图Fig.3 Layout of measuring point

2 实验结果与微环境的散热量

2.1实验结果

对实验中所采集的数据进行分析，可以得到半导体不同位置处的制冷性能参数，进而得出降温服的温度场分布情况。如图4所示，整个降温过程只需10 min，持续100 min左右结束实验。

2.1.1 温度-时间曲线

如图4所示，在40 ℃的高温热环境中，模拟人衣内微环境的温度能够维持在39 ℃左右，待系统稳定40 min后，开始降温。P0号测点位于半导体制冷片正下方，即制冷中心处，温度最低可达31.9 ℃，相对其衣内微环境，温度下降了7 ℃，基本满足人体对温度热感觉的舒适度需求[17]。

由图4(a)可知，由于各测点均匀分布，且不存在其他制冷片的影响，故其温度分布也呈现出一定的规律性，以P0为中心，半径相同处，其温度也基本相同。总体而言，整个温度变化情况可分为四组，且规律性十分明显。对于图4(b)，虽然各测点布置条件不变，但由于其他制冷片的影响，其温度变化呈现一定的差异性。P0点温度最低，P1、P5、P9点温度相当；P6温度受到3号半导体的影响，温度相对P2、P9低；由于受到2号半导体制冷范围的影响，P11点温度相对P3、P7低，P12点温度相对P4、P8低，且P12测点的温度低于P11点温度。这里，半导体交盖效应是指相邻半导体之间在一定距离范围内，其制冷降温效果具有一定的重叠效应，重叠区域的面积越大，该测点的温度降低得更多，温差相对更大。通过分析可知，半导体降温服交盖效应的范围为以制冷中心为圆心、半径为4 cm左右的圆域。

图4 温度-时间曲线Fig.4 Temperature-time curve

2.1.2温度-距离曲线

为了便于分析各测点的温差随距离变化的整体趋势和局部差异性，将各测点温差连接成线。由图5(a)可以明显看出，随着距离的增加，各测点温差降低速率先加快后减慢。对于图5(b)，P0～P4测点的温差随着距离的增加，温差变化趋势明显与图5(a)不同；P5～P8和P9～P12测点的温差随着距离的增加，先降低后上升，且在距离制冷中心3 cm处有明显的转折点。

当距制冷中心1 cm以内，温差以0.5 ℃/cm的速率降低，1～2 cm范围内以1 ℃/cm的速率降低，总体相对稳定；当距离在2～3 cm，温差开始以2 ℃/cm甚至2.5 ℃/cm的速率急速降低。对比图5中(a)(b)两图可知，图5(b)在3 cm处出现转折点，P0～P4测点的温差依然保持降低的趋势，P5～P8和P9～P12测点，受到半导体交盖效应的影响，温差反而下降；同时当相邻两个半导体制冷片的制冷中心位于同一水平位置时，交盖效应的影响效果更明显，温差也变大。

图5 温度-距离曲线Fig.5 Temperature-distance curve

2.2微环境的散热量

为了定量的描述降温服的温度场分布，采用其制冷范围内的微环境的散热量变化情况加以分析。

假设周围环境1 cm3范围内比热容相同，即：

(1)

(2)

(3)

式中：a0=28.15,a1=1.967×10-3,a2=4.801×10-6；cp,m为定压比热容，J/(kg·K)；M为空气的摩尔质量，kg/mol；ρ为干空气的密度，kg/m3；ρw为湿空气的密度，kg/m3；φ为空气的相对湿度，%；T为热力学温度，K；p为空气的绝对压力，kPa；pb为饱和水蒸气压力，kPa。计算结果如表1所示。

由表1可知，当单个制冷片工作时，微环境的热传导量分布与温度分布相似，各测点对微环境的热传导量大小仅与距制冷中心的距离有关且呈现出一定的规律性，即：距制冷中心相同距离处，导热量基本相同，且随着距离的增加，相应的导热量不断减小，当距制冷中心距离为4 cm时，对微环境的制冷效果已经不足12%；当三个制冷片工作时，热量分布不仅与距制冷中心的距离远近有关，还与其相邻制冷片的距离有关。

注：Q为单个制冷片作用下各测点的热量分布；Q′为三个制冷片作用下各测点的热量分布。

3 结论

本文在40 ℃的高温环境对自行研制的半导体降温服进行降温实验测试，分别研究了当单个制冷片和三个制冷片工作时，相同测点位置处的温度变化。通过对比实验数据和计算微环境的散热量，得出以下结论：

1)由温度随时间的变化可知：整个降温过程需要10 min左右，且在测点温度稳定的时间段内，当单个制冷片工作时，以P0为中心，半径相同处，温度随时间的变化也基本相同；当三个制冷片工作时，保持各测点位置不变，但由于其他制冷片的影响，温度随时间的变化呈现一定的差异性。

2)由温差随距离的变化可知：在单个制冷片工作条件下，随着距离的增加，各测点温差降低率先增加后减小；当三个制冷片工作时，随着距离的变化，各测点温差变化趋势明显不同，P0～P4测点的温差随着距离的增加，温差逐渐下降，且下降速率先增加后减小；P5～P8和P9～P12测点的温差随着距离的增加，先降低后上升，且在距离制冷中心3 cm处有明显的转折点。

3)分析相邻两制冷片的相对位置对制冷效果的影响，得出半导体降温服交盖效应的范围为以制冷中心为圆心、半径4cm左右的圆域，且在相邻两个制冷片距离相同的情况下，当制冷中心位于同一水平线时，交盖效应更明显。

本文受陕西省重点科技创新团队计划(2012KCT-09)和陕西省13115科技创新工程(2010ZDGC-14)项目资助。(The project was supported by Key Scientific and Technological Innovation Team Plans in Shaanxi Province(No. 2012KCT-09) and Scientific and Technological Innovation Project 13115 in Shaanxi Province(No.2010ZDGC-14).)

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About the corresponding author

Ding Ximei, female, postgraduate student, Xi′an University of Science and Technology，+86 15991853890，E-mail:303285835@qq.com. Research fields: refrigeration cooling.

Experimental Study on the Overlap Effect of Thermoelectric Cooling Garment

Wen Hu1,2Ding Ximei1,2Liu Changchun1,2Li Bei1,2

(1. Institute of Safety Science and Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an， 710054,China; 2. Ministry of Education Key Laboratory of Western Mine Exploration and Hazard Prevention，Xi′an University of Science and Technology，Xi′an， 710054，China)

In recent years, high temperature is increasingly frequent, which has a serious effect on the health of workers. Thus, it is necessary to develop a cooling garment to improve work conditions. The cooling performance of thermoelectric cooling garment is experimentally investigated in the paper. The studies show that: under working conditions of only one element of thermoelectric cooler(the maximum cooling capacity is 68.9 W), the temperature is basically equal at the same radius as the center of P0, and as the distance increases, the temperature difference of each measuring point reduces rapidly first and then slows down; under working conditions of three elements of thermoelectric cooler, the temperature exhibits some differences, and as the distance increases, the measuring point temperature difference of P5-P8and P9-P12first decrease and then rise, which has a significant turning point at the distance of 3cm; the overlap effect scope of thermoelectric cooling garment is a circle, the radius of 4 cm at the center of P0, and at the same distance of two adjacent elements of thermoelectric cooler, the overlap effect is more obvious when the cooling center is located in the same horizontal line. This study provides some guidance for the application of thermoelectric cooling garment.

thermoelectric cooling; cooling garment; overlap effect

0253- 4339(2017) 02- 0040- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.040

教育部创新团队(IRT0856)和中国博士后科学基金(2016M590962)项目资助。(The project was supported by Innovation Team of Ministry of Education(No. IRT0856)&Postdoctoral Science Foundation in China(No. 2016M590962).)

2016年6月28日

TB66；TN37

A

丁喜梅，女，在读硕士，西安科技大学，15991853890，E-mail:303285835@qq.com。研究方向：制冷降温。