半導體便攜式制冷空調設計開發

閆美玉　徐榮吉　許淑惠

(北京建筑大學北京市建筑能源綜合高效綜合利用工程技術研究中心，北京　100044)

1　概述

隨著時代發展，制冷空調市場分類越來越精細化，特種空調需求也越來越多。傳統空調以房間空氣的溫度、濕度為主要調節對象，特別考慮整個房間溫度的均勻性。在現代化辦公條件下，空間應用越來越靈活，而空調不能根據空間而變，會造成能源的浪費。另一方面，特殊工作場所對局部空間降溫的需求也越來越強烈。以人的周圍環境為主要調節對象的便攜式空調能滿足各種局部空調的要求，增加了空調的靈活性，同時一定情況下會節約大量能源。

而半導體制冷技術由于其結構緊湊、制冷迅速、操作簡單、可靠性強、可對溫度精確控制等優點被利用在各個行業，尤其在制冷量不大且要求裝置小型化的場合，其優勢更加明顯。本文基于半導體制冷技術[1]，提出并設計一種便攜式空調，加工樣機后進行了測試研究，為便攜式空調設計開發提供參考。

2　整體結構設計

2.1　基本思路

便攜式空調器區別于風扇，能提供冷風，又區別于常規空調，體積很小更靈活，甚至能隨身攜帶。利用半導體制冷技術，可以實現制冷裝置的小型化。半導體制冷裝置目前主要的技術難點是性能系數較低，熱端發熱量較大[2]。由于桌面空調直吹人體，一般要求送風溫度不會太低，且送風量相對較小，正好與半導體芯片制冷功率較小相結合，滿足空氣降溫的需要。

設計的基本思路是，將空氣通過半導體制冷芯片降溫后吹送到人體，熱端空氣被加熱后吹入室內。其核心部件包括：半導體制冷芯片、風機、冷熱端散熱器，如圖1所示。

2.2　小型空調基本形式

除了制冷區域的核心部件外，還需要有合適的氣流組織與送風方式以及電路控制系統。所設計的小型空調尺寸高度為26 cm，機身為7.5 cm。其中，氣流組織部分主要是通過機殼與內部風路相結合完成的。如圖2所示為整個半導體小型空調基本結構示意圖。除了核心部件外，整個機殼從下到上分為底座、中部殼體、上擋風板、上部風口、頂蓋(如圖3所示)。

整個風路由下往上流動。經過底部擋風板的時候，空氣被一分為二，一部分經過冷端翅片后降溫，通過冷風出口吹到人體；另一部分經過熱端翅片后升溫，通過熱風的側出口進入環境。小型空調的側剖視圖如圖4所示。

小型空調的電控也非常重要[3]。半導體芯片的工作電流很高，而且工作電壓為直流12 V，需要220 V交流電轉換，此外，風扇需要直流或交流供電。如果需要，還可以設計擺頭。其中，電路部分集中在空調底座內部，充分利用空間。如果考慮移動，空調應該集中蓄電池。蓄電池也放在底座，降低空調重心。

3　空氣降溫計算

一臺小型空調能達到多低的送風溫度，是空調設計的核心參數。其中相關參數如下：

空氣相關參數：比熱為c=1.004 kJ/(kg·K)，空氣密度為ρ=1.29 kg/m3。半導體芯片參數：半導體制冷量Φ=40 W，尺寸40 mm×40 mm×4 mm。風機參數：風機風量V=28CFM=28×1.7=47.6 m3/h，噪聲25 dB(A)。

假設風機風量一半通過熱端，一半通過冷端，即通過冷端的風量為V/2。由能量守恒可得[4]：

半導體制冷量Φ=空氣比熱c×空氣質量流量m×空氣降低溫度Δt。

其中，空氣質量流量m=空氣密度ρ×風機流量V/2。

即：Φ=c×m×Δt=c×ρ×V×Δt/2。得：Δt=2Φ/(cρV)=4.67 ℃。

可得到空氣降溫達到4.5 ℃左右。如果室內溫度為30 ℃，吹風溫度為25.5 ℃，屬于涼風范圍，基本滿足要求。如果采用更高性能的半導體芯片，溫度降低程度會更高。

4　主要部件選型

4.1　半導體芯片

半導體芯片是便攜式空調的核心部件，其性能直接決定了空調的性能。經過對比測試，選用南京豪特酷源電子科技有限公司生產的半導體芯片(TEC1-12704T125)，具體參數如表1所示。根據制冷量的需求，可以選擇其他型號芯片，可以達到更好的制冷效果。

表1　半導體芯片參數

4.2　風機

經過對比綜合考慮風量對換熱系數的影響及實際需要，以及噪聲及尺寸，選用富士康生產的PV903212DSPF風機。具體參數如下：

型號：PV903212DSPF；

尺寸：80 mm×80 mm×25 mm；

轉速：1 000 rad/min～4 500 rad/min；

電壓：12 V；

軸承：滾珠軸承；

噪聲：15 dB～40 dB；

電流：0.40 A。

5　測試結果

將加工的樣機分別放置于25 ℃和30 ℃無空調房間進行了送風降溫測試和體感測試。

在兩種環境溫度下，中等風量時，入風與送風穩定達到5 ℃溫差，即30 ℃環境溫度時，送風溫度達到25 ℃；25 ℃環境溫度時，送風溫度達到20 ℃。進一步減少風量后，送風溫度可以進一步降低，到無風時，冷端換熱器會有明顯的結霜。

同時對體感進行了測試，在兩種工況下，在離開送風口不同距離時，樣機冷風出口吹拂人手部和面部，測試人體舒適度感覺。在送風口5 cm時，吹拂面部和手部，均能感覺到非常明顯的涼風。當距離達到25 cm時，風量明顯變小，能感覺到涼風，超過35 cm僅僅能感覺到微風。對比發現吹拂面部，人的舒適度更高，可以感覺到明顯的涼風。半導體制冷適用于近距離局部空調。當然可以根據需要設計遠距離送風。

6　結語

本文利用半導體制冷技術，設計并加工了一種便攜式空調。詳細介紹設計方案和設備選型并進行了測試。結果表明在不同室溫下半導體空調均能保證入風和送風5 ℃的溫差；體感測試時，在不同距離下手部和面部均能感覺到涼風且風量隨著距離增加而減小，兩者相比面部舒適度更高。便攜式半導體空調可以滿足近距離局部空間制冷的需求，但對于遠距離、空間較大的區域，應根據半導體制冷片的結構和環境需要的降溫要求，對半導體芯片重新選型并對其他裝置進行優化設計。

參考文獻：

[1]徐德勝.半導體制冷與應用技術[M].上海：上海交通大學出版社，1999：24-33.

[2]王懷光，吳定海，陳彥龍，等.半導體制冷技術研究綜述[J].四川兵工學報，2012，33(11)：133-134.

[3]吳業正.制冷原理及設備「M].西安:西安交通大學出版社，1997:21-25.

[4]楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].第4版.北京：高等教育出版社,2006：32-45.