一種循環水冷式半導體制冷箱的設計與實現

張雨浩 李權 何仁旺 劉天健 陳佳輝

1.江西理工大學能源與機械工程學院 江西南昌 330013； 2.江西理工大學軟件工程學院 江西南昌 330013

隨著經濟發展水平的不斷提高，人們對生態環境的要求也越來越高。在制冷領域，現有的制冷設備多是通過使用壓縮機、制冷劑等來實現制冷，易對環境造成污染。近年來半導體制冷方式以其無污染、噪聲小、壽命長、制冷響應快等優勢得到了快速發展。半導體制冷是一種新型的制冷技術，主要是帕爾帖效應在制冷技術上的應用[1]。如今已經被廣泛應用到軍事裝備、醫療衛生、智能生活、航空航天及科研等領域[2]。

半導體制冷器熱端的散熱效率是限制制冷的主要因素，因此，如何提高半導體制冷器熱端的散熱效率是半導體制冷的關鍵。半導體制冷的散熱方式有很多：空氣自然對流、空氣強制對流散熱、環流散熱、利用物質的溶化潛熱散熱、熱管以及水冷散熱傳熱等[3]。本文通過設計風冷、水冷結合的循環水冷式散熱系統和基于DS18B20的溫控系統，逐步完成了半導體制冷箱的設計與實現，并通過實驗探究了水溫、水容量對半導體制冷箱制冷效率的影響。

1 工作原理

如圖1所示，半導體制冷器是基于N型和P型半導體特性，通過在N型和P型半導體材料聯合形成的熱電偶上通以直流電流來實現制冷。直流電源提供電子流所需的能量，通上電源后，電子從負極出發，首先經過P型半導體，于此吸收熱量，到了N型半導體，又將熱量放出，每經過一個NP模塊，就有熱量由一邊被送到另外一邊造成溫差而形成冷熱端。改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變。但是半導體自身存在電阻，當電流經過半導體時就會產生熱量，從而會影響熱傳遞。兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡點，正逆向熱傳遞相互抵消，此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。

圖1 半導體制冷器工作原理圖

2 設計方案

2.1 整體設計方案

裝置的整體結構如圖2所示，整個裝置由制冷箱、冷排、水箱組成，通過導管進行連接。制冷器安裝在制冷箱中，通過外接12V穩壓電源對其進行供電，制冷器冷端外接散熱鰭片，用于導出制冷片冷端的熱量。水箱中裝有水泵和溫度傳感器，分別用于驅動冷卻水和檢測溫度。裝置啟動后，制冷器冷端開始制冷，同時熱端開始產熱，水箱中的水在水泵的作用下通過導管流經制冷器的熱端，帶走熱端產生的熱量，然后通過導管流經冷排做進一步散熱，最后回到水箱中供下次循環使用。

圖2 制冷箱整體設計方案圖

2.2 制冷箱的設計

經過前期設計對比與綜合分析，設計的制冷箱如圖3所示。制冷箱外觀尺寸設計為35cm×50cm×35cm，結構類似于小型冰箱。制冷箱內部裝有溫度傳感器，用于實時檢測箱體內的溫度。箱體側面開有40mm×40mm的孔用于放置溫控器。溫控器與箱體內的溫度傳感器相連接，用于控制溫度。戴源德等人[4]的研究表明，將半導體制冷器布置在箱內頂部中心位置上，可使得溫度分布效果最佳，布置在后側壁中心位置上的效果次之。因此，在制冷箱上方中部開20cm×10cm孔用于放置制冷器可以獲得較好的制冷效果，制冷器放在上方一方面可以使整個箱體制冷均勻，另一方面是使水冷頭和導管安裝在箱體外部，令升溫后水的熱量被外部環境所吸收。

圖3 制冷箱設計圖

2.3 制冷器的設計

制冷器的整體設計如圖4所示，藍色部分為水冷頭，半導體制冷片的熱端通過導熱硅脂與水冷頭連接，冷端與風扇連接。接通電源后，制冷片開始工作，水箱中的水在水泵的作用下流經水冷頭，帶走制冷片熱端的熱量，然后通過水冷頭的另一端經過冷排回流到水箱中。此時冷端正源源不斷地制冷，風扇的作用就是將制冷片冷端的熱量吹出，使整個制冷箱制冷量相對均勻。

圖4 制冷器設計圖

2.4 溫控系統的設計

整個溫控系統以STC89C52單片機為核心器件，配合電阻電容晶振等器件，構成單片機的最小系統。外接溫度傳感器模塊、繼電器模塊、按鍵模塊、LED數碼管以及電池如圖5所示。

圖5 溫控系統電路圖

溫度傳感器采用DS18B20溫度傳感器，其具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高等特點，其溫度感應范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內誤差為±0.4℃，適用于制冷箱的溫度檢測，其由單片機直接供電，會將感應到的溫度通過A/D轉換為16位二進制溫度數值返回給單片機。顯示設備采用4位共陰數碼管，用于顯示檢測到的溫度值，其顯示范圍為±99.9，最小精度為0.1。按鍵模塊主要進行溫控值的設置，通過單片機的三個I/O來讀取按鍵按下時產生的低電平，讀取到對應數值后根據內部編寫程序來完成溫度設置的功能。同時繼電器一端通過I/O連接單片機，另一端外接降溫裝置，降溫裝置由外接12V電源供電，而繼電器起到控制電源供電開關的作用，電源開關由銜鐵構成，繼電器通過單片機提供的控制信號產生電磁效應，從而將開關拉向繼電器的鐵芯，實現斷電功能，繼電器不工作時鐵片由于彈力自動彈回，外部電路又正常工作，從而使得溫度可以保持在一個范圍之內[5]。

3 設備的制冷性能測試

3.1 實驗方案設計

根據水容量、水溫度的不同設計了6組實驗。通過溫度傳感器測量制冷箱內表面溫度和水箱溫度隨時間變化情況。根據下表所示的實驗變量分析水容量、水初始溫度對制冷的影響。可以用A、B兩個字母分別表示6組不同實驗的兩個實驗變量。則6組實驗依次為A1B1、A1B2、A1B3、A2B1、A2B2、A2B3、A3B1、A3B2、A3B3。

實驗因素水平表

3.2 制冷箱溫度變化

制冷箱內表面溫度變化如圖6所示，從圖中可以看出，L7曲線的制冷效果最好。此時的實驗條件為水容量6L，水溫17℃。這表明制冷片熱端的產熱能實時被水箱中的水吸收，從而提高制冷效率。當水溫度趨于38℃時，制冷箱的溫度幾乎沒有發生變化，這表明制冷片熱端的產熱已經很難被水箱中的水所吸收。

圖6 制冷箱溫度變化圖

3.3 水箱溫度變化

不同實驗條件下的水箱溫度變化如圖7所示，從圖中可以看出在水溫條件相同時，水容量越大，水溫升高也就越慢。水的初始溫度越低，水容量越大，水溫最終能夠上升的溫度差也就越大。這表明制冷片熱端的產熱能夠被有效吸收，制冷箱的制冷效果也就越好。

圖7 水箱溫度變化圖

結語

本文通過設計制冷箱、制冷器、溫控器逐步完成了循環水冷式半導體制冷箱的初步設計，并通過實驗研究了水初始溫度和水箱容量對制冷效率的影響。實驗表明水箱中冷卻水的溫度越低，水箱容量越大，制冷效率就越高。因此，在水冷式半導體制冷箱的應用中，應盡可能保證水箱中水的溫度較低，并控制其在循環過程中溫度的升高，以此提高半導體制冷箱的制冷性能[6]。