基于热电制冷自适应多功能旅行储物箱的设计

杜芳莉，钟 平，沈关炳，杨文森，杨 睿

(西安航空学院 能源与建筑学院，西安 710077)

0 引言

随着人们生活水平的提高，喜欢外出旅游的人越来越多。为解决旅行中喝热水、冰镇水及较长时间存储自带食物等问题，本文设计了一个基于热电制冷和太阳能发电的自适应多功能储物箱来满足人们在旅行中对不同食品储存的需求；同时还将制冷、制热、应急照明及手机、相机的充电结合到一起，让旅游者更为方便使用。该多功能旅行储物箱一定程度上解决了现有旅游装备在一体化、便携化、智能化等方面存在的问题，满足人们对于旅行生活品质的要求。

1 设计思路

随着科学技术的发展，国家提倡利用新能源，以达到节能减排的目的。半导体制冷又被称为温差电制冷或者热电制冷，由于其不使用制冷剂、控制简单方便，且可以同时制热与制冷、没有噪音、没有运动部件，也无需连续工作，同时用多个半导体连在一起可使制冷功率增大，所以半导体制冷技术被广泛应用。而太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，该技术具有两个优势：一是能量源蕴藏丰富，不会枯竭；二是安全、干净，不会破坏环境。本设计就是积极响应国家绿色环保的号召，将半导体制冷和太阳能热发电技术结合起来，充分利用新能源，同时也避免制冷剂污染的问题，环保科学。

该装置主要由电源、半导体制冷片、储物箱本体、冷热循环系统、USB接口及水温控制系统等六部分组成。其中电源设备由太阳能电池板将吸收的太阳能转化为电能，储存到蓄电池中充当电源；储物箱由两部分组成，上半部分由保温隔板分为两部分，分别储放具有冷热功能的食品，其外围设置热电制冷片；储物箱下半部分留有一定的空间方便携带日常用品；冷热循环系统是将制冷片散出的热量进行再利用，对加热的水进行保温处理；USB接口则采用太阳能作为电源，还可以充当充电宝，为用电设备提供电源；水温控制系统是在储物箱内安装一个温感系统感应水温，加热到设定温度会自动停止，比如50℃。

本装置的制热与制冷部分同时工作。其原理是利用太阳能电池板吸收的太阳光作为电能，对纯净水进行制热；用半导体制冷片进行制冷。工作原理如图1所示。箱体设计尺寸为：长70cm，宽55cm，高45cm。

图1多功能旅行储物箱工作原理示意图

2 制冷装置

半导体制冷原理的基础之一即为帕尔帖效应[1]。当直流电通过由两种不同半导体(或导体)组成的回路时，在两种半导体的接触点会产生吸热或放热的现象，如图2所示。实验表明这种吸热或放热的强度与所通电流大小有关。

热电制冷又称温差电制冷或半导体制冷，以其无运动部件、连续工作无噪声、无震动、制冷时间快、无需制冷剂、零排放、绿色环保等优点已得大家的一致认可[1]。其本质是一个热传递的工具，根据直流电通过不同导体，尤其是半导体连接形成的回路时，在节点处产生制冷现象而工作[2]。图3为半导体制冷原理图。

图3 半导体的制冷原理

具体工作原理：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料在金属平板间形成通路,接上直流电源后，在接头处会产生能量转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量， 成为冷端。由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端[3]。在实际应用中只需把其冷端放到要制冷的对象中,即可实现吸热制冷。

多功能旅行储物箱的设计考虑到半导体制冷片的尺寸较小，可以制成体积不到1cm3的制冷器；重量轻，微型制冷器能够做到只有几十克甚至数克；无机械传动部分，工作中无噪音，无液态、气态工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，也能够正常工作；通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率；通过切换电流方向，可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长，且易于控制[4]。此外可通过调节工作电流大小，控制其制冷速率，对酸奶、饮料及其它需冷藏食品等均可以进行冷藏。所以在本设计中使用热电制冷来解决旅行中人们对冷热不同食品的需求。基于热电制冷的多功能储物箱的制冷装置部分设计原理如图4所示。

图4 多功能储物箱制冷装置部分设计原理图

3 热回收装置

太阳能电池板吸收太阳光转化为电能，电能储存在蓄电池中。箱子上半部分装有加热装置，当电源接通后，根据需要可以对纯净水直接加热，同时本设计在制热部分还装有温度传感器，可以显示水的温度，可根据个人需求随时停止加热。同时由太阳能转化的储存在蓄电池中的电能还可为半导体制冷片提供直流电使其正常工作。

图5 热回收装置图

半导体制冷片在制冷的过程中，一端产热，另一端制冷[5]。所需电能全部来自于太阳能电池板。制冷部分可将食物、酸奶等进行冷藏。半导体制冷片是热量搬运者，而不是能量产生者，所以其冷端在制冷的同时热端则不停产热，若不能及时利用其产生的热量则会造成能量的损失。为了能充分利用这部分热量，在制热端将其与半导体制冷片的散热端相连接，并人为设计一个加热室①(见图5)，将纯净水放置于加热仓②装置中，利用半导体热端回收的热能对水进行初步加热，同时在加热仓②内安装电加热棒③对水进行加热，电加热棒的热量也来自于太阳能电池板吸收太阳光转化为的电能。这样既减少了电能的消耗，又达到节能的目的。

4 结语

本设计响应国家绿色环保的号召，电源电量由新能源太阳能提供，而且也避免制冷剂污染的问题，环保科学；将制冷与制热技术巧妙结合，充分利用余热，以达到节能的目的；打造了一个全新的旅游箱，解决了许多旅游爱好者对食物储存以及饮用热水的问题；用水温控制系统来感知水温，加热到用户设定特定温度自动停止加热，以便饮用。

[1] 杜芳莉,白大雨,房晓平.基于半导体制冷高效热回收装置的研究[J].西安航空学院学报,2014,32(1):70-73,90.

[2] 杜芳莉,樊丽娟,白大雨,等.热电制冷在笔记本电脑散热系统中的应用[J].制冷与空调(四川),2014,28(3):310-313.

[3] 杨金环,闫小克,陈娟,等.CPU热管散热器对半导体制冷片制冷效果的影响[J].计量技术,2010(4):3-5.

[4] 裴念强,郭开华,刘杰.半导体制冷在新型环路热管的应用计算[J].低温物理学报,2007,29(1):42-45.

[5] 徐昌贵,贾艳婷,闫献国,等.半导体制冷技术及其应用[J].机械工程与自动化，2012,6(3):209-211.