半導體降溫服交蓋效應的實驗研究

文 虎 丁喜梅劉長春李 貝

(1西安科技大學安全學院 西安 710054；2西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室 西安 710054)

半導體降溫服交蓋效應的實驗研究

文 虎1,2丁喜梅1,2劉長春1,2李 貝1,2

(1西安科技大學安全學院 西安 710054；2西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室 西安 710054)

近年來，頻繁的高溫天氣已經嚴重影響作業人員的身心健康，因此有必要研制降溫服以改善工人工作條件。通過對半導體降溫服的部分制冷性能進行實驗研究，結果表明：當最大制冷量為68.9 W的單個制冷片工作時，以P0為中心，半徑相同處，溫度也基本相同，且隨著距離的增加，各測點溫差降低率先加快后減慢；當三個制冷片工作時，溫度變化呈現一定的差異性，且隨著距離的增加，P5～P8和P9～P12測點的溫差先降低后上升，在距離制冷中心3 cm處有明顯的轉折點；半導體降溫服交蓋效應的范圍為以制冷中心為圓心、半徑4 cm左右的圓域，且在相鄰兩個制冷片距離相同的情況下，當制冷中心位于同一水平線時，交蓋效應更明顯。研究為半導體降溫服的應用提供了一定的指導意義。

半導體制冷；降溫服；交蓋效應

近年來，夏季高溫頻繁，高溫高濕的工作環境普遍存在，尤其在一些特殊行業，如深部礦井、航空航天和軍事領域等[1]。高溫熱害會影響工人的生理健康，導致工作積極性和工作效率降低，增加事故發生率，造成中暑、窒息甚至死亡[2]。高溫熱害環境已經嚴重影響作業人員的身心健康，因此有必要研制降溫服，對人體實行被動降溫[3]。目前，現有的降溫服主要分為液冷降溫服、氣冷降溫服和相變材料降溫服[4]。液冷服質量過重，氣冷服送氣管路較長、衣服臃腫不便于使用者活動，相變降溫服需要按時更換材料且易泄漏。半導體具有綠色環保、安全可靠、使用便捷等優點[5-6]，隨著半導體材料的發展，制冷性能不斷提高，應用領域也不斷拓寬。鄭宇薇等[7]對半導體制冷與固體除濕結合裝置的性能進行了研究；陳旭等[8]將熱電制冷技術應用于電子設備的冷卻中，給出了一種提高制冷器運行經濟性的控制方法；楊勝男等[9]將熱電制冷技術應用于空氣隙膜蒸餾系統中，為小型太陽能熱電制冷空氣隙膜蒸餾系統的理論研究和實際應用奠定了基礎；L.M.Shen等[10]提出了一種新型的熱電輻射空調系統，系統安全、運行可靠，且能夠通過使輸入電流反向來實現制冷和加熱的轉換。在半導體制冷性能方面，李茂德等[11]研究了散熱強度對制冷參數的影響，提出熱電制冷中存在最佳熱端散熱強度；戴源德等[12]提出熱管散熱是半導體制冷系統的最佳熱端散熱方式；陳桔[13]將幾種散熱方式對半導體制冷元件熱端散熱效果進行了比較，證明了改善傳熱條件可以提高半導體的制冷效率。文獻[14]主要研究了不同水溫、不同電流電壓以及不同散熱條件下，半導體降溫服的降溫性能。本文在以上基礎上，對半導體降溫服的溫服場分布進行了實驗研究，提出了半導體交蓋效應的說法。

1 半導體降溫服實驗系統

1.1實驗原理

降溫服是通過冷卻介質，在人體周圍造成相對低溫的微環境，達到降溫的目的。采用半導體降溫的方式，實現為高溫環境下作業人員降溫解暑的功能。半導體制冷片作為降溫服的核心層，可分為熱端和冷端，實驗中將制冷片的冷端置于內側，緊貼人體，實現為人體降溫。目前常見的熱端散熱方式有空氣自然對流散熱、風冷散熱、熱管散熱和水冷散熱等，水冷散熱結構雖然較為復雜，但效率比較高[15]。實驗采用銅制水冷散熱盒進行散熱，實現整個系統的循環。

1.2實驗裝置

實驗系統主要由半導體制冷系統、散熱系統、數據采集系統、高溫環境模擬系統和電路系統四部分組成。其中，熱電制冷模塊采用TEC-12708型半導體制冷片，外形尺寸為40 mm×40 mm×3.4 mm，最大溫差66 ℃，最大溫差電流8 A，最大溫差電壓12 V，最大制冷量68.9 W。散熱系統主要采用水冷散熱方式，即將銅制水冷散熱盒通過硅膠與半導體制冷片的冷熱端相連，實現半導體熱端的散熱需求。其中，銅制尺寸為40 mm×40 mm×10 mm，為了保證水能在散熱盒內充分循環流動，散熱盒內設有“E形”折流板的結構。數據采集模塊采用ADAM4018/ 4018+數據采集模塊，精度可達0.1%，具有過壓保護功能。高溫環境模擬系統采用水浴保溫的模擬倉，利用溫控儀保證模擬艙內環境溫度為40 ℃。

在穩定的室溫環境下，人體最高皮膚溫度出現在腹部和前胸[16]，為了避免腹部過冷導致人體不適，將半導體制冷片主要布置于胸部。半導體制冷系統如圖1所示，電路系統采用如圖2所示，各個半導體制冷片之間采用串聯的方式，然后與水泵并聯。

圖1 半導體制冷系統Fig.1 Semiconductor cooling system

圖2 電路連接圖Fig.2 Circuit connection

1.3實驗過程及測點布置

1.3.1 實驗過程

實驗時，外界環境溫度為28 ℃，采用水浴保溫的方式，將模擬倉內環境溫度設置為40 ℃。所用電源為12 V，將8個半導體制冷片串聯，相鄰兩個制冷片之間相距2 cm，其編號分別為1～8，電壓電流均為1.5 V、0.54 A；水泵的工作電流和工作電壓分別為：0.81 A、12 V；水冷散熱盒中循環水的流量為0.63 L/min，循環水溫度為40 ℃。

實驗前，將所有硅膠管連接處用隔熱材料包裹起來，以避免管中散熱對實驗測點溫度的影響，然后將模擬艙內溫度保持在40 ℃，并將實驗假人置于艙內，使其體表溫度不斷升高，直到其衣內溫度升高至39 ℃且穩定40 min后，再開始通電使半導體和水泵工作，為人體進行降溫。

1.3.2 實驗測點布置

為了測得降溫服內部溫度場的分布情況，如圖3所示，取1號半導體為研究對象，將測點P0布置于1號半導體正下方，即制冷中心處，然后以P0為中心垂直向上、向下和水平向右分別間隔1 cm布置P1～P4、P5～P8和P9～P12。

圖3 測點布置圖Fig.3 Layout of measuring point

2 實驗結果與微環境的散熱量

2.1實驗結果

對實驗中所采集的數據進行分析，可以得到半導體不同位置處的制冷性能參數，進而得出降溫服的溫度場分布情況。如圖4所示，整個降溫過程只需10 min，持續100 min左右結束實驗。

2.1.1 溫度-時間曲線

如圖4所示，在40 ℃的高溫熱環境中，模擬人衣內微環境的溫度能夠維持在39 ℃左右，待系統穩定40 min后，開始降溫。P0號測點位于半導體制冷片正下方，即制冷中心處，溫度最低可達31.9 ℃，相對其衣內微環境，溫度下降了7 ℃，基本滿足人體對溫度熱感覺的舒適度需求[17]。

由圖4(a)可知，由于各測點均勻分布，且不存在其他制冷片的影響，故其溫度分布也呈現出一定的規律性，以P0為中心，半徑相同處，其溫度也基本相同。總體而言，整個溫度變化情況可分為四組，且規律性十分明顯。對于圖4(b)，雖然各測點布置條件不變，但由于其他制冷片的影響，其溫度變化呈現一定的差異性。P0點溫度最低，P1、P5、P9點溫度相當；P6溫度受到3號半導體的影響，溫度相對P2、P9低；由于受到2號半導體制冷范圍的影響，P11點溫度相對P3、P7低，P12點溫度相對P4、P8低，且P12測點的溫度低于P11點溫度。這里，半導體交蓋效應是指相鄰半導體之間在一定距離范圍內，其制冷降溫效果具有一定的重疊效應，重疊區域的面積越大，該測點的溫度降低得更多，溫差相對更大。通過分析可知，半導體降溫服交蓋效應的范圍為以制冷中心為圓心、半徑為4 cm左右的圓域。

圖4 溫度-時間曲線Fig.4 Temperature-time curve

2.1.2溫度-距離曲線

為了便于分析各測點的溫差隨距離變化的整體趨勢和局部差異性，將各測點溫差連接成線。由圖5(a)可以明顯看出，隨著距離的增加，各測點溫差降低速率先加快后減慢。對于圖5(b)，P0～P4測點的溫差隨著距離的增加，溫差變化趨勢明顯與圖5(a)不同；P5～P8和P9～P12測點的溫差隨著距離的增加，先降低后上升，且在距離制冷中心3 cm處有明顯的轉折點。

當距制冷中心1 cm以內，溫差以0.5 ℃/cm的速率降低，1～2 cm范圍內以1 ℃/cm的速率降低，總體相對穩定；當距離在2～3 cm，溫差開始以2 ℃/cm甚至2.5 ℃/cm的速率急速降低。對比圖5中(a)(b)兩圖可知，圖5(b)在3 cm處出現轉折點，P0～P4測點的溫差依然保持降低的趨勢，P5～P8和P9～P12測點，受到半導體交蓋效應的影響，溫差反而下降；同時當相鄰兩個半導體制冷片的制冷中心位于同一水平位置時，交蓋效應的影響效果更明顯，溫差也變大。

圖5 溫度-距離曲線Fig.5 Temperature-distance curve

2.2微環境的散熱量

為了定量的描述降溫服的溫度場分布，采用其制冷范圍內的微環境的散熱量變化情況加以分析。

假設周圍環境1 cm3范圍內比熱容相同，即：

(1)

(2)

(3)

式中：a0=28.15,a1=1.967×10-3,a2=4.801×10-6；cp,m為定壓比熱容，J/(kg·K)；M為空氣的摩爾質量，kg/mol；ρ為干空氣的密度，kg/m3；ρw為濕空氣的密度，kg/m3；φ為空氣的相對濕度，%；T為熱力學溫度，K；p為空氣的絕對壓力，kPa；pb為飽和水蒸氣壓力，kPa。計算結果如表1所示。

由表1可知，當單個制冷片工作時，微環境的熱傳導量分布與溫度分布相似，各測點對微環境的熱傳導量大小僅與距制冷中心的距離有關且呈現出一定的規律性，即：距制冷中心相同距離處，導熱量基本相同，且隨著距離的增加，相應的導熱量不斷減小，當距制冷中心距離為4 cm時，對微環境的制冷效果已經不足12%；當三個制冷片工作時，熱量分布不僅與距制冷中心的距離遠近有關，還與其相鄰制冷片的距離有關。

注：Q為單個制冷片作用下各測點的熱量分布；Q′為三個制冷片作用下各測點的熱量分布。

3 結論

本文在40 ℃的高溫環境對自行研制的半導體降溫服進行降溫實驗測試，分別研究了當單個制冷片和三個制冷片工作時，相同測點位置處的溫度變化。通過對比實驗數據和計算微環境的散熱量，得出以下結論：

1)由溫度隨時間的變化可知：整個降溫過程需要10 min左右，且在測點溫度穩定的時間段內，當單個制冷片工作時，以P0為中心，半徑相同處，溫度隨時間的變化也基本相同；當三個制冷片工作時，保持各測點位置不變，但由于其他制冷片的影響，溫度隨時間的變化呈現一定的差異性。

2)由溫差隨距離的變化可知：在單個制冷片工作條件下，隨著距離的增加，各測點溫差降低率先增加后減小；當三個制冷片工作時，隨著距離的變化，各測點溫差變化趨勢明顯不同，P0～P4測點的溫差隨著距離的增加，溫差逐漸下降，且下降速率先增加后減小；P5～P8和P9～P12測點的溫差隨著距離的增加，先降低后上升，且在距離制冷中心3 cm處有明顯的轉折點。

3)分析相鄰兩制冷片的相對位置對制冷效果的影響，得出半導體降溫服交蓋效應的范圍為以制冷中心為圓心、半徑4cm左右的圓域，且在相鄰兩個制冷片距離相同的情況下，當制冷中心位于同一水平線時，交蓋效應更明顯。

本文受陜西省重點科技創新團隊計劃(2012KCT-09)和陜西省13115科技創新工程(2010ZDGC-14)項目資助。(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

教育部創新團隊(IRT0856)和中國博士后科學基金(2016M590962)項目資助。(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，在讀碩士，西安科技大學，15991853890，E-mail:303285835@qq.com。研究方向：制冷降溫。