基于半导体制冷的小功率双控温便携冰箱设计＊

刘 艺，郭 斌，朱 迅，黄 圆，邓君如，牛鹏燕

（新疆农业大学计算机与信息工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

现在市场上的冰箱种类繁多，用于制冷的能源和方式也有所不同。其中有用压缩式制冷机进行降温的电能制冷，有用吸收式制冷机进行降温的蒸汽能源制冷，还有通过直接燃烧油或天然气获得能源的制冷机以及太阳能吸收式制冷机来制冷的方式等。现阶段人们普遍使用的制冷方式为压缩式制冷机。一般来说电冰箱从电动机获取电能，通过压缩机对冷却系统做功，其中冷却系统的基本原理是低沸点的制冷剂在蒸发过程中通过吸热来带走热量。但由于制冷剂在制冷机工作时容易蒸发到空气中，极易对环境造成污染及对人体产生伤害，并且有不易小型化、噪声大、成本高等缺点。

由于社会经济和科技的迅速发展，人们的生活水平越来越高，冰箱的便携性逐渐受到人们的重视，车载冰箱等小型冰箱逐渐问世，但现有的小冰箱很少能达到多种温度控温的效果。

现如今有人利用半导体制冷技术开发了半导体小型冰箱，用风扇散热很难将温度降到很低。根据人们在办公场所及学生宿舍等有限空间内贮存、保鲜东西的要求，通过改变半导体制冷片的散热装置来设计具有多种温度控制模式的小型小功率电冰箱具有一定研究意义。

1 小冰箱的制冷原理

1.1 压缩式制冷机制冷原理

现在市场上的小冰箱制冷原理包括压缩式制冷机制冷和半导体制冷。压缩式制冷机主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成[1]。压缩机增加内部压力，从而使制冷剂沸腾并蒸发，然后将气体压缩到冷凝器中[2]。在冷凝器中制冷剂从气体转变为液体，并将热量传递给冷却介质让制冷剂降温。冷凝后的液体通过膨胀阀降压进入蒸发器中，在蒸发器中制冷剂由液态蒸发变为气态以吸收热量达到制冷目的[3]。其中压缩机会将蒸发器中产生的蒸气连续带出，并将它一直不断地送往冷凝器中进行循环（如图1 所示）。压缩式制冷机的体积偏大，若用压缩式制冷机作为小冰箱的制冷基础，小冰箱的体积也会偏大，并且此类小冰箱移动时很容易造成制冷剂的泄露，从而影响人们的身体和环境安全，所以市面上一般使用的是半导体制冷。半导体制冷是利用PN 型半导体接通直流电时，在结点上产生帕尔帖效应的原理来实现制冷的[4]。

图1 压缩式制冷机运行原理

1.2 半导体制冷原理

半导体冷却装置工作时基于帕尔帖原理[5]，如图2所示。由P 型半导体和N 型半导体组成的电路，当连接直流电时，电流由N 极流向P 极的接头吸收热量形成冷端，从而达到制冷效果；从P 极到N 极的接头释放热量成为热端，通过散热装置对热端进行降温[6]。吸热和放热的多少与P、N 型导体的特性和热端的温度紧密相关。由半导体制冷原理可得，制热面温度越低冷面温度就越低。

图2 半导体制冷原理

2 小冰箱设计

2.1 半导体制冷片散热设计

目前常用的半导体制冷片散热方式有风冷、水冷、铜管制冷。风冷是最常见的散热方法，是利用导热硅脂将制冷片的热面紧密地贴在一块导热性能良好的散热片上，再为散热片的另一端固定一个风扇，利用风扇所产生的风力，把散热片上的热量带走，进而达到对制冷片热端散热的效果。水冷散热是将水冷头通过导热硅脂直接与制冷片的热端紧贴在一起，然后再进行固定，使其稳固，通过水冷头中重复循环的水流将热量带走，进而实现散热的目的。铜管制冷是将真空的铜管镶嵌于散热片中，使热量通过真空铜管迅速传递到散热片上，然后将风扇固定在散热片上，通过风扇产生的风力将散热片上的热量带走。由于金属管导热比散热片快，能够将热量快速带走，从而实现了较好的散热效果。

根据散热的需求应用水冷循环散热系统，该系统是由风冷和水冷相结合使用胶管和水泵连接而成的循环的水冷散热装置。由于水冷头中的水不停地流过制冷片热端，使得水冷装置中水的温度不断上升，所以需要对水冷头中的水进行散热。对水进行散热的散热系统由一个水冷排、一个风冷装置和一个储水盒构成，其中，风冷装置主要用于对制冷片的热端进行降温，为了达到更好的降温效果，将水冷排与水泵结合从水冷头将热量带入水排，从而实现进一步散热，具体原理如图3 所示。

图3 水冷循环散热系统原理图

2.2 小冰箱设计原理

小冰箱由第一冷藏层和第二冷藏层2 个温度层组成。2 个冷藏主要区别在于第一冷藏层温度低于第二冷藏层。它们都各自放有一块相同型号的制冷片分别制冷，其中第二冷藏层所用的散热装置由塔式散热器进行散热，第一冷藏层则是由组装式水冷循环散热系统进行散热，将图3 中显示的冰箱制冷端上的制冷片冷端加一个风扇放入第一冷藏层中进行降温，而系统中其余为水降温的装置则安放在箱体的底部，如图4 所示。

图4 第一冷藏层和第二冷藏层的原理

2.3 小冰箱实物设计

小冰箱的外壳由2 mm 厚的PVC 硬塑料板制作而成，内部由20 mm 厚的聚氨酯发泡板作为保温层。小冰箱分为上下2 层，上层为第一冷藏层，尺寸为190 mm×280 mm×190 mm；下层为第二冷藏层，尺寸为190 mm×280 mm×200 mm。最底层留有110 mm 的空余空间，用于风扇散热时进行空气循环，2 层之间有分隔板，分隔板所用材料为20 mm 厚的聚氨酯发泡板。小冰箱整体尺寸为510 mm×310 mm×360 mm，用热熔胶将PVC 板粘合，将聚氨酯发泡板固定在PVC 板上，再进行接口的粘合，使其达到良好的密封效果，最后在所有冷藏层内部粘贴锡箔纸，实物如图5 和图6 所示。

图5 小冰箱实物正面图

图6 小冰箱内部面图

3 小冰箱的性能测定

3.1 实验箱体

实验测试时分别使用2 个相同大小的泡沫箱作为第一冷藏层和第二冷藏层，其尺寸为290 mm×180 mm×190 mm，泡沫壁厚20 mm。泡沫箱内利用锡箔纸作为冰箱的内膜，防止内部冷气传到外界，也防止外界热气通过泡沫渗进箱体内，从而影响制冷温度。根据测试，箱体内可以放入3～4 罐可乐，能够满足人们的日常需求。

3.2 制冷片的选用

本次研究对市面上的TEC1-12706、TEC1-12710、CL-C067 型号的半导体制冷片进行了测试，3 个型号半导体制冷片的额定电压都为12 V，工作电流分别为6 A、10 A、6 A，功率分别为72 W、120 W、72 W，符合小功率的特点。在相同的环境下使用相同的风冷制冷装置，对3 种制冷片型号进行测试，测试数据如表1所示。其中功率相对较大的是TEC1-12710 型号的制冷片，根据功率越大效果更明显的原理，在测试中短时间内冷面的温度确实是降得最低的，但长时间后该冷面却有一定的回温，从而使降温效果比其他2 种类型的制冷片稍弱一些。通过测试上述3 种型号制冷片冷面的温度，得到CL-C067 型号的制冷片制冷效稍好，所以选用制冷效果较好的CL-C067 制冷片。

表1 制冷片冷端温度测试

3.3 性能测试

根据目前半导体制冷片散热方式，共做了15 组实验，实验分别选用风冷、4 个装有纯铜散热导管的下压式散热器（如图7 所示）、塔式散热器（上面有2 个风扇与6 个纯铜散热管）（如图8 所示）以及组装式水冷循环散热系统（如图9 所示）进行测试。为了确定制冷片的个数与箱体内的制冷效果的关系，实验设置分为在冷藏室内装一个制冷片和2 个制冷片。在室温相同的情况下，分别使用以上4 种散热方式对同一种型号制冷片进行散热，通过使用相同的温度传感器对箱体内的温度进行测量并对比（传感器测量点选择为制冷片附近），测试数据如表2 所示。然后再测试在一个箱体内同时装2 块制冷片的降温效果，2 块制冷片均用风冷直接进行散热，温度测量传感器也选择在制冷片附近，测试数据如表3 所示。

表2 测试冰箱内温度（温度传感器在制冷片附近）

表3 测试冰箱内温度（温度传感器在制冷片附近）

图7 下压式散热器实物图

图8 塔式散热器实物图

图9 组装式水冷循环散热系统实物图

1 块制冷片室温10 ℃下压式散热器散热温度显示如图10 所示。1 块制冷片室温24 ℃风冷直接散热温度显示如图11 所示。1 块制冷片室温28 ℃下水冷循环系统散热温度显示如图12 所示。1 块制冷片室温28 ℃塔式散热器散热温度显示如图13 所示。2 块制冷片室温28 ℃风冷散热温度显示如图14 所示。

图10 1 块制冷片室温10 ℃下压式散热器散热温度显示图

图11 1 块制冷片室温24 ℃风冷直接散热温度显示图

图12 1 块制冷片室温28 ℃下水冷循环系统散热温度显示图

图13 1 块制冷片室温28 ℃塔式散热器散热温度显示图

图14 2 块制冷片室温28 ℃风冷散热温度显示图

根据测试数据分析可知，室温28 ℃下，降温效果最好的是组装式水冷循环系统，所以作为第一冷藏层的散热装置。而对于第二冷藏层，用降温效果一般的塔式散热器进行散热。通过测试最终找到做小冰箱的最佳散热装置，并进行实物组装，如图15 所示。实物测试温度如图16 所示。

图15 散热装置实物连接图

图16 实物测温图

4 结论

本文利用半导体制冷片制作出具有对不同温度进行控温的双控功能小功率冰箱，通过对不同散热方式进行测试，1 块制冷片与2 块制冷片在实验环境相同的情况下，制冷效果基本相同。组装式水冷循环系统的散热效果优于下压式散热器、塔式散热器、风冷散热器。通过对组装式水冷循环系统与制冷片的结合，设计出了双控温小功能冰箱，其具有体积小、功率低、方便携带等特点，基本满足冷藏的需要，为以后研究者进行一步探索提供一定思路。