基于帕爾貼效應的便攜式制冷箱的設計與制作

黃裕 韓佳燁 鄭亞麗 宋一田 楊千

摘 要： 基于帕爾貼效應的便攜式制冷箱是一種應用半導體制冷技術的新型制冷箱。本文首先介紹了帕爾貼原理及其他相關原理，即通過改變流過制冷箱的電流方向來實現加熱和制冷的轉換。其次對制冷箱制作與應用提出許多關鍵問題，簡述利用帕爾貼效應制作的便攜式制冷箱的優缺點，并對制冷箱的目前現狀與未來發展前景趨勢進行分析。

關鍵詞： 帕爾貼效應;溫度控制;便攜冰箱

關于冰箱的發展史，古人類很早就懂得低溫貯藏食物，后來到中世紀，冰箱已有雛形。最初的制冷劑，大多都是像醚、氨等易燃易爆炸的物品。到1931年，氟利昂研制成功，但人們后來發現它會破壞大氣臭氧層，就意識到不能長久依靠制冷劑作為冰箱的主要制冷方式。而該半導體便攜式制冷箱，主要利用的就是應用帕爾貼效應的半導體制冷方式，通過PN型半導體產生帕爾貼效應來實現制冷。這樣制冷箱不僅提高了其制冷效率，同時還具有體積小，足夠便攜，使用壽命長，沒有環境污染等優點，對我國冰箱未來發展有很大價值性。

1 原理

半導體制冷工作原理。半導體制冷是利用半導體材料，在通有直流電流時會產生降溫的作用，即半導體的兩端可以實現一端制冷，一段端熱的效應。[1]而且，半導體能夠高效率的轉換能量。

1.1 帕爾貼效應

當有直流電流通過半導體時，會產生一定的熱量。而且產生的熱量與時間和電流密度有關。把一只N型半導體元件和一只P型半導體元件聯結成熱電偶，接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。[2]

1.2 塞貝克效應

當有多種金屬在同一閉合回路里的時候，如果金屬與金屬之間發生接觸，就會產生一定的電勢差。當兩節點之間的溫度在一定范圍內，回路產生的電動勢與熱冷兩端的溫差成正比。[3]

1.3 湯姆遜效應

當回路中的金屬的兩端溫度不相同時，溫度較大處的電子自由運動從而產生一定的電勢差。且所產生的電勢差大小與金屬的材料以及內部分布均有關。

1.4 焦耳效應

回路中，半導體產生的熱量與電流時間相關。

1.5 傅立葉效應

在一閉合回路中，金屬導熱率與時間和截面面積有關。半導體的載流子對熱導率的貢獻很小。[4]

2 關鍵問題

基于帕爾貼效應的便攜式制冷箱最突出的問題就是制冷工作的效率不高，溫度不夠低，散熱方式不夠強勁。到目前為止，適用于低溫制冷的半導體材料的種類并不是十分多，其中，我國的一些P型和N型的半導體都是合適的材料。把這兩種半導體材料鏈接成電偶對，對其施加外部的直流電流就可以轉移能量。為了更好的加強散熱過程，熱端散熱器選用鋁制的翅型片做散熱器。鋁制品質量小，安裝在制冷箱中便于攜帶。并且半導體制冷的成本要比以往市場中制冷設備的成本和技術要低，

3 半導體制冷箱的發展

3.1 半導體制冷箱優勢及目前現狀

3.1.1 半導體制冷的簡述

（1）半導體制冷是一種還沒有被普及的新型技術，比起以往利用化學物質去制冷，P-N型半導體在制冷方面有著極大的優勢。它不需要制冷劑，便可以一直工作，并且半導體在制冷過程中沒有噪音，沒有震動，壽命很長。

（2）半導體制冷技術擁有兩種功能，既能夠制冷同時還能夠制熱，也就是說我們只需使用一個片件便能代替彼此分立的加熱和制冷系統。

（3）半導體制冷片是可以將電能轉換成其他形式能的物件，通以一定大小的直流電流，便可以對其改變溫度的準確性進行調控。

（4）半導體的制冷后，溫度有極大的跨度。

3.1.2 目前現狀

自上個世紀60年代我國就已經開始對半導體技術進行了研究，在多年研究后，我國對于半導體制冷技術等方面的研究已經取得了很大的突破。但仍然存在很多問題，比如我們如何經過改變半導體制冷器中制冷片的一些特性從而能夠增加其制冷的效率，如何選取半導體的制冷片元件和改進工藝條件能夠實現降低其成本，如何能夠強化散熱等問題。我們仍然需要進一步的研究和探討。

3.2 半導體制冷應用前景

近些年來，我國逐漸跨越了冰箱行業在制冷劑和耗能等方面的技術門檻。由于產品的不斷升級創新一定會引發產業的升級，也將會使冰箱企業的競爭格局的改變提供良機。預計在將來的幾十年里，中國冰箱行業依舊會保持著平穩的增長。并且人們對于這種采用新型制冷方式的便攜式冰箱的興趣越來越大，便攜式制冷箱的前景將不可估量。此外隨著我國在科學技術等方面的不斷發展和進步，我們可以堅信半導體制冷的應用前景一定會更加的廣闊。

4 總結

該便攜式制冷箱充分利用了帕爾貼效應，在制冷方面比起以往利用化學物質去制冷有著極大的優勢。它不需要任何的制冷劑，便可一直工作，同時可以通過控制電流的大小實現對其溫度的準確調控。并且在制冷過程中沒有噪音，沒有震動，壽命很長同時具有方便、易攜帶的優點。但是由于我國目前在半導體制冷箱的制冷的效率、溫度控制系統的改進、制作成本，強化散熱等方面還存在問題，仍然需要進一步的研究和探討。但我相信隨著我國科學技術水平的不斷提高，半導體制冷箱不斷的改進和創新，半導體制冷箱的前景一定會更加廣闊，這也將會為我國冰箱產業的創造和升級帶來更大的機遇。

參考文獻：

[1]唐啟見.基于單片機半導體溫度控制系統的研究[J].信息記錄材料，2018，19（09）：108-109.

[2]申勇.用半導體制冷片為CPU降溫[J].承德職業學院學報，2005（04）：73-76.

[3]張洗玉，王旭，陳國慶.基于塞貝克效應的熱電轉換儀器的研制[J].儀表技術與傳感器，2018（04）：32-35.

[4]王懷光，石志勇，王毅，全振中.半導體制冷熱力學循環機理研究[J].國外電子測量技術，2013，32（02）：26-28.