冷循环便携式半导体降温服设计及制冷性能分析*

2022-05-19李孜军贾敏涛章梦胜王君健李蓉蓉

中国安全生产科学技术 2022年4期

徐宇，李孜军，贾敏涛,2，章梦胜，王君健，李蓉蓉

(1.中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙 410083；2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽马鞍山 243000)

0 引言

随着社会和经济的发展，高温环境问题在许多行业愈发严重，例如医疗卫生、深部矿井、应急救援等领域[1-3]。长期在高温环境下作业，不仅会降低作业积极性和劳动效率，还会对人的生理和心理造成危害，导致事故发生率显著上升[4-6]。对高温环境下的作业人员采取一定的降温措施是安全生产的重要保障[7-8]。但是，在某些特定的工作场所，无法直接对工作环境进行降温或者降温成本太高[9-10]。此时，降温服是热害治理的重要手段，其既有针对性的降温，热舒适性高，且降温成本相对较低。

目前的个体降温防护服主要包括气冷式、液冷式和相变材料3种[11-12]。气冷式降温服是采用强制通风的方式增加皮肤表面的对流换热带走身体的热量，同时促进皮肤表面汗液蒸发散热[13]。刘何清等[14]、Yi等[15]对降温服内气流特征和换热规律进行了研究。液冷式降温服主要是利用水等介质在降温服内的管路中流动吸收降温服内热量，往往由制冷系统和基础服装组成[16-17]；相变式降温服是将相变材料包、微胶囊等物品放置在服装内，利用其相变吸收热量达到降温目的[18]。郑晴等[19]、Zhao等[20]通过实验研究分析了相变降温服制冷效率和热舒适性。

近年来，随着人们对劳工保护的重视，新型降温服的研制逐渐被重视与推广。加拿大、日本等国家相继研发了一些新型的高效降温服，比如真空除湿降温服[21]、空气/二氧化碳降温服[22]等。但是目前的降温服普遍存在续航能力差、降温能力不足、无法精确调控制冷量等缺陷，造成性能低、热舒适性差[23-24]。因此，现有的降温防护服尚不能满足当前的社会需求，更加轻便、续航能力强、制冷能力大、舒适性好的新型个体降温防护服有待研发。

半导体制冷片是1种由半导体组成的冷却装置，其具有质量轻、无制冷剂、无振动、无噪音等特点，使其广泛地应用于电子、航空航天、医疗设备等高精度要求领域[25-26]。随着电池行业的不断发展，具有能量密度高、充放电寿命长的蓄电池逐渐成熟。在此基础上，续航能力长、体积小的半导体制冷系统成为可能。因此，将半导体制冷与防护服降温相结合，能够研发出轻便、高性能、舒适性好的半导体降温防护服[27]。鉴此，本文设计1套便携式冷循环降温服，并开展高温环境下降温服性能实验，分析半导体降温服制冷系统的制冷性能。

1 便携式降温服设计

1.1 半导体制冷原理及特征

半导体制冷的原理是基于固体的热电效应，即当电流流过具有热电转换特性导体组成的回路时会产生制冷效果。金属导体通过“桥”接的方式将多个P型和N型半导体交替串联，使电流可在多组P-N组件内流通，达到制冷目的，如图1所示。电流从上端N型半导体端流向P型半导体端时，2种半导体连接处温度降低成为冷端，向周围环境吸收热量，而下端P极流向N极连接处温度升高成为热端，向周围环境释放热量。因此，半导体制冷片的冷热端温差、电流大小将直接决定制冷量和制冷效率。当制冷片两端温差较大时，将极大地降低制冷片的制冷效率，因此，制冷片冷热端散热强度对制冷片的制冷性能有着显著影响。

图1 半导体制冷模块示意

人作为1种恒温动物，环境温度过高或过低都会引起人体不适。虽然人体对自身温度具有一定调节能力，但是人体对皮肤表面微气候的温度范围要求较高。因此，个体降温防护装备的降温性能需做到安全、精准、便捷、可快速调节等特点。利用半导体制冷系统作为降温服的制冷源，一方面可根据人体需要能快速调节制冷量，使人体微气候区域温度保持恒定，另一方面半导体制冷系统简单、安全，方便人体携带和移动，可在复杂环境下安全使用。

1.2 降温服降温和散热方式

人体新陈代谢过程中产生的热量会通过人体皮肤表面向周围环境散发，当周围环境温度过高或热量无法散失时，人体皮肤表面微气候区热量积聚、温度将升高，导致人体不适。因此，对人体皮肤表面微气候区温度的调节是降温服的直接目的。基于半导体制冷片作为降温动力源的基础上，可选择气冷式和液冷式2种降温方式。相比于气冷式降温，液冷式降温的冷量利用率更高、温度更容易控制、冷液制造更方便。为提高冷量利用率、便于精确控制降温服内温度，半导体制冷降温服选用液冷式降温。

制冷和散热工质的选择对于系统的性能和安全性至关重要，丙烷、氨、水以及二氧化碳是目前常用的4种制冷工质，其中水和二氧化碳的换热物性更佳[28]。利用二氧化碳作为制冷介质往往需要较高的系统压力，存在较大的安全隐患。为保障降温服安全、适用于复杂环境下使用，选用水作为降温服制冷系统的制冷和散热工质。

半导体便携式冷循环降温服主要由半导体制冷系统、降温服、冷/热工质输送系统组成，如图2所示。降温服表面镶嵌降温毛细金属管，毛细金属管之间缠绕细铜丝增强冷量传导，提高降温服内的温度均匀性。半导体制冷系统内2组半导体制冷片的制冷面夹住1块制冷水板，同时对制冷水板进行降温。2组半导体制冷片的散热面均利用散热水板和散热翅片进行散热。制冷水板和散热水板外形尺寸均为120 mm×140 mm×15 mm，散热翅板安装于散热水板外侧。制冷水板内流出的冷水由微型泵输送至布置在降温服上的金属毛细管内，冷水在降温服内吸收热量后输送回制冷水板中进行降温，之后重新流回降温服内降温，以此循环对降温服内微气候区进行持续降温。为增强半导体散热端散热，使用水作为散热工质，利用微型泵使水在散热板和冷凝器内循环流动。水在2块散热水板内吸收半导体制冷片散热端释放的热量后，流至冷却器内降温，然后输送回散热水板。

图2 便携式冷循环降温服系统

2 实验研究

半导体降温服性能测试实验在中南大学资源与安全工程学院自主研发的深井环境与安全人工智能仿真实验系统内进行。通过将实验舱内设置为恒定温度的高温环境，研究降温服系统的降温效果。降温服由可调式直流电源为半导体制冷系统提供0～16 V的电压，使用Pt 100铂电阻对降温服系统进行监测，并使用Fluke 2638A数据采集器进行数据采集。实验过程中为使实验舱内温度分布均匀，实验舱体内升温时打开局部风机运转，使舱体内空气充分混合。设定实验舱内温度，待舱体内温度达到设定值并保持10 min后开始实验。实验时，在降温服制冷系统运行前3 min打开数据采集器，记录各处温度变化。设定电源电压和电流后，连接降温服与电源，测试并记录降温服内以及制冷系统温度变化。降温服穿着于人体模型上，在衣服内的人体模型上布置A，B，C，D4个测点测量降温服内空气温度，测点A，C，D位于人体模型正面，测点B位于模型后背，如图2所示。

3 制冷性能分析

3.1 系统降温效果和制冷功率

将实验舱体内温度设定为30 ℃，制冷系统连接的电源电压为6.9 V，电源总功率为100 W。制冷开始3 min前开始数据记录，总实验时长为28 min。从图3(a)可以看出，制冷系统连接电源开始制冷后，散热板内循环水的温度快速上升。在制冷系统运行3 min后，散热板循环热水温度上升至34.5 ℃，并随着制冷时间热水温度继续上升，直至实验的第18 min稳定在42.3 ℃左右。在此过程中，制冷板出水温度在制冷开始后的0.5 min出现轻微的上升，之后快速降低，最终趋向稳定。制冷启动后0.5 min制冷板出水温度上升是由于降温服中的制冷循环管路内的循环水初始温度较高所导致。制冷系统运行3 min后，制冷板出水温度下降3.2 ℃。实验第15 min时制冷板出水温度下降至15.7 ℃左右，冷水流经降温服内后温度上升4.7 ℃。

图3 室温30 ℃时降温服运行参数

降温服系统运行过程中，降温服内金属毛细管不断吸收热量使降温服内的空气温度逐渐降低，如图3(b)所示。由于降温服内初始温度分布不均以及金属管布置特征，导致降温服内各测点降温速度不同。人体模型正面C测点初始温度高，因此，在刚开始时降温最为显著，而模型后背B测点初始温度低于正面温度，因此，降温速度较慢。但降温服长时间降温后，模型前方各测点温度基本相同，但人体模型后背温度依旧低于人体模型正面温度。这是由于制冷水从人体模型后背进入，从模型正面流出导致的。随着降温时间的不断延长，人体模型内各测点温度有不断下降的趋势。并随着降温服内温度的下降，金属管在降温服内吸收的热量减少，制冷系统的冷水温度在实验第23 min后继续下降。

制冷系数(COP)是评价降温服降温效果的重要指标，指单位时间内降温服的制冷量除以单位时间内降温服消耗电量的能效比。降温服系统的制冷功率可由公式(1)计算：

Q=cρV(Tl2-Tl1)

(1)

式中：Q为降温服制冷功率，W；c为制冷工质的比热容，水的比热容取4.2×103J/(kg·℃)；ρ为制冷工质的密度，kg/m3；V为制冷管路内制冷工质体积流量，m3/s；Tl2为制冷工质流经降温服后的温度，℃；Tl1为制冷工质流入降温服内的温度，℃。

图4为30 ℃工况环境下降温服系统制冷功率变化，从图4可以看出，在制冷系统运行初期，制冷功率波动较大，随着运行时间逐渐稳定，最终降温服系统制冷功率维持在340.4 W左右。经计算，降温服系统COP为3.40。

图4 30 ℃工况环境下降温服系统制冷功率

3.2 不同环境工况影响

为测试不同工况环境下降温服系统的运行性能，待降温服在30 ℃环境下运行20 min后，将实验舱内环境温度升温至35 ℃，维持10 min。之后将实验舱环境继续升温至40 ℃。30～40 ℃环境下降温服系统各处温度变化如图5所示。降温服系统在30 ℃环境下运行20 min后，散热板热水和制冷板出水温度分别稳定在42.6，15.3 ℃。在实验舱内环境温度上升时，各测点的温度均随之逐渐升高。实验舱温度从30 ℃上升至35 ℃的5 min期间，散热板热水和制冷板出水温度分别上升4.4，1.0 ℃。实验舱环境温度维持在35 ℃时，散热板热水和制冷板出水温度在经过一段时间的升温后最终分别稳定在46.2，17.7 ℃。由于热循环系统与环境更容易达到热平衡，而冷循环与环境温差更大，且降温服内微气候与升温后的外境温度需要较长的时间达到平衡，因此，热水温度能更快地保持稳定。

图5 室温30～40 ℃时降温服运行参数

实验舱内温度由35 ℃上升至40 ℃时，降温服系统各处升温程度比30 ℃上升至35 ℃时更加明显。实验舱温度40 ℃时，散热板热水温度在实验第54 min时不再显著变化，热循环系统达到热平衡。此时，散热板热水温度由35 ℃环境下的46.4 ℃上升至52.5 ℃。由于降温服从周围环境吸收的热量增加以及散热端温度上升导致制冷系统制冷能力下降，制冷板出水温度升高。由此可见，制冷系统运行工况环境对降温服系统的降温效果影响十分显著。制冷系统散热环境温度越低，系统散热能力越好，系统制冷功率越高，冷水的温度越低。因此，针对不同热环境下使用的降温服，需设计不同散热能力的散热系统。

3.3 单、双面制冷系统对比

为分析制冷系统采用单面制冷和双面制冷时制冷系统的制冷性能差异，本文开展相同工况下单、双面制冷系统制冷性能对比实验。图6给出了制冷系统工况环境从30 ℃上升至40 ℃时，单、双面制冷系统各处温度变化特征。在相同工况条件下，双面制冷的散热板热水温度均高于单面制冷，而双面制冷散热板表面温度低于单面制冷，说明双面制冷的热循环水能够从散热板内吸收更多的热量，有助于制冷系统向周围环境中散热。同时从图6(b)可看出，双面制冷情况下制冷板出水温度明显低于单面制冷。降温服系统稳定运行于30 ℃工况环境下时，双面制冷的制冷板出水温度比单面制冷的出水温度低2.0～3.5 ℃。此外，双面制冷的降温速度明显快于单面制冷。例如，降温服系统运行5 min后，双面制冷的出水温度已降至17.4 ℃，而单面制冷的出水温度为19.9 ℃。在工况环境温度发生波动时，单面制冷系统的热水温度、冷水温度均随之发现显著的变化，而双面制冷系统温度变化不明显。可见，双面制冷系统的制冷性能比单面制冷系统更加快速、稳定。

图6 室温30～40 ℃时单面制冷和双面制冷下降温服系统运行参数对比

图7为工况环境温度30～40 ℃时单、双面制冷系统制冷功率对比。在相同环境下，双面制冷的制冷功率要显著高于单面制冷，且更加稳定。单面制冷时系统的制冷功率大约为262.2 W，制冷系数(COP)为2.62。双面制冷COP是单面制冷的1.30倍。可以推论其原因是双面制冷系统增加了散热面积，提高了系统制冷功率，同时制冷板双面制冷，减少了制冷板向环境中散失的冷量。因此，采用双面制冷能够提高制冷系统的制冷功率和稳定性，但双面制冷系统会增加制冷系统的重量和体积。

图7 30～40 ℃室温下单、双面制冷系统制冷功率对比

3.4 热循环散热

为进一步探究热循环散热对提升降温服系统制冷性能的作用，本次实验在制冷系统运行前20 min仅使用散热板上的散热翅片进行散热，之后启动微型泵使散热水在散热板和冷凝器内循环流动散热。图8(a)显示，在不使用冷凝器降温的情况下，制冷系统散热板表面温度随着制冷时间增加快速上升，在制冷系统运行的前20 min，散热板表面温度持续升高至69.0 ℃，这意味着制冷系统散热端散热困难。与此同时，由于制冷片热端温度升高，导致制冷片制冷性能显著降低，冷水温度逐渐上升。在制冷系统运行的前6 min时，散热板温度尚低，制冷系统制冷效果尚好，制冷板出水温度逐渐下降。但随着散热板热量的继续积聚，制冷板出水温度开始逐渐上升。制冷板出水的温度在实验第23 min时由实验第9 min的19.9 ℃升高至25.1 ℃，如图8(b)所示。

图8 热循环散热对降温服制冷性能影响

实验第23～24 min时停止系统运行，第24 min时重新启动制冷系统并启动微型泵使循环水流入冷凝器散热。第23～24 min期间，制冷板表面和制冷板出水温度均快速上升，是由于半导体片在不通电的情况下，散热端热量经半导体片传至制冷板所导致的。在热循环散热启动后，散热板表面温度迅速降低，并最终稳定在41.1 ℃左右。在此期间，制冷板出水温度也快速降低，实验的第50 min时制冷板出水温度下降至14.5 ℃。因此，降温服制冷系统的散热效果对于系统的制冷性能具有决定性作用，良好的散热可以显著的提高制冷系统的制冷性能。