野戰(zhàn)低溫冷藏箱的設計研究

王星星 朱興喜 湯黎明 于春華*

近年來，自然災害和戰(zhàn)爭的頻發(fā)，出血性傷亡及病毒性感染等事件不斷發(fā)生，對于必要的血液、血制品或者新型疑似病毒如何進行轉運，需要對冷藏裝置進行設計研制。盡管目前市場上已經出現了部分冷藏車和冷藏箱，但因其價格高、體積大，不便在災后或野戰(zhàn)救治過程中使用。為解決這一問題，提出設計一種大小適中、方便攜行、效率高、冷藏時間較長，同時可滿足災后及野戰(zhàn)中使用的野戰(zhàn)低溫冷藏箱，用于災后及野戰(zhàn)救治過程中轉移運送血制品或疑似病毒。

1 設計思路與原理

根據災害、野外戰(zhàn)爭等特殊環(huán)境中的使用需求，所研制的野戰(zhàn)低溫冷藏箱體積大小應適中、重量要輕且方便攜行，因此不宜使用體積大而笨重的機械制冷裝置。而半導體制冷技術經過數十年的研究，技術已經趨于成熟。同時，半導體制冷片以其結構簡單、尺寸小、低噪聲、無磨損、壽命長、控制靈活以及無污染等優(yōu)點，成為研制野戰(zhàn)低溫冷藏箱的首選材料[1]。

半導體制冷又稱熱電制冷或溫差電制冷，它是一種基于珀爾帖效應的制冷技術。1834年，珀爾帖在電流通過兩種不同導體的接頭時，接頭上有熱量Q的吸收或放出，從而確定了珀爾帖效應的存在。1838年，楞次在金屬鉍和金屬銻的接合處的凹下部分放進一滴水，當從某一方向上通過電流時，水就結冰；而當反方向的電流通過時，冰就融化。楞次用這個簡單的實驗證明了珀爾帖效應的正確性，也為珀爾帖效應在今后的實際應用展示了可能的前景[2]。

2 基本結構

為了便于研制，將野戰(zhàn)低溫冷藏箱的設計分為制冷部分、散熱部分、電源部分和箱體及保溫材料等4部分。

2.1 制冷部分

盡管半導體的珀爾帖效應要比金屬的珀爾帖效應明顯很多，但是在制冷時其效率依然很低，損耗很大[3-4]。半導體制冷片的制冷效果與其冷熱兩端的溫差有關，在溫差一定的情況下，熱端的溫度越低，冷端的溫度也就越低，制冷效果就越好[5]。因此，采用TES1-12708半導體制冷片做制冷元件，熱端溫度分別為25 ℃、50 ℃時TES1-12708的性能參數見表1和表2。

表1 熱端溫度25 ℃時TES1-12708性能參數

表2 熱端溫度50℃時TES1-12708性能參數

由表1、表2可知，使用TES1-12708做制冷元件時，即便熱端溫度高達50 ℃時，其冷端的溫度也在零度以下，為－25 ℃，仍可保證其制冷效果。但是為了能夠達到更好的制冷效果，將半導體制冷片的熱端緊貼在水箱的一面上散熱，以水冷的方式保證散熱片熱端的溫度保持在50 ℃以下，從而保證TES1-12708型半導體制冷片的制冷效果[6-8]。

2.2 散熱部分

由于半導體制冷片在工作過程中的熱端工作效率較高，產生的熱量較多，因此普通的空氣散熱效果很差。

公式1中∶Q為吸收的熱量，m為物質的質量，c為物質的比熱，T2為物質吸收Q熱量后的溫度，T1為物質的初始溫度。

在制冷片產生同等熱量的情況下，由于水的比熱要比空氣的比熱大的多，因此等質量的水的溫度變化比空氣小很多，可較長時間穩(wěn)定在一定范圍之內。因此用水冷的散熱方式可以較長時間的保證散熱效果，降低制冷片的熱端溫度，進而提高制冷效果[9-13]。

當半導體制冷片工作后，熱端產生的熱量被水吸收，水的溫度會慢慢升高，因此需要設計一個循環(huán)回路來給水散熱，水箱里的水通過循環(huán)回路到散熱片，經過降溫處理后再回流到水箱中。這種設計可保證在半導體制冷片長時間工作的情況下，水箱內有源源不斷的冷卻水注入，確保水箱內水的溫度都能盡可能的與外界環(huán)境溫度相接近，因此用這種循環(huán)的水冷方式來給半導體制冷片散熱可保證半導體制冷片的熱端的溫度變化很小，溫度不會過高，從而保證半導體制冷片的冷端的制冷效果。水冷裝置如圖1所示。

圖1 水冷裝置示意圖

水冷裝置包括水箱、微型水泵、散熱管以及風扇等幾個部分；水箱為250 mm×200 mm×10 mm的立方體，其作用是利用水來給制冷片的熱端散熱。水箱的一面與半導體制冷片的熱端緊貼，之間以導熱膠連接。水箱的上端有一進水口，冷卻后的水經此口循環(huán)流入水箱；水箱的下部有一出水口，微型水泵通過此口將水泵到散熱管上，經風扇冷卻后再回流入水箱，形成一個循環(huán)。水箱側面下部有一注水口，注水口通過一根L型導管連接到箱體外部，當水箱內的水面低于半導體制冷片上部邊沿時，需通過注水口向水箱內加水，以確保不會燒壞制冷片。微型水泵的一端與水箱的進水口相連，另一端與散熱管的一端相連，其作用是提供水路循環(huán)的動力，將水箱內的水泵到散熱片上，散熱后再將水泵回水箱。散熱管采用內徑為0.5 mm的銅管，銅管彎曲成如圖1所示的曲管，通過增加水流路徑的方式增加散熱面積和散熱時間。采用DC12 V，0.21 A的直流風扇緊靠散熱管為水散熱。這種以水箱為制冷片熱端散熱、風扇為水散熱的雙重循環(huán)散熱結構能有效降低制冷片熱端溫度，保證制冷效果。

2.3 電源部分

由于野戰(zhàn)及災后易發(fā)生電力中斷等情況，為了保證野戰(zhàn)低溫冷藏箱可在此環(huán)境下使用，其電源的設計分為兩個部分∶

(1)DC/DC逆變電源，適用于因電力中斷或車載行進過程中的蓄電池供電方式，可將12～24 V電壓轉換穩(wěn)定的12 V直流電壓，這部分電源經過逆變、降壓、整流等步驟確保將12～24 V范圍內的電壓轉換為12 V穩(wěn)定輸出，這部分電源安裝于野戰(zhàn)低溫冷藏箱內，有效滿足TES1-12708型半導體制冷片、散熱風扇以及微型水泵的供電需求[14]。

(2)AC/DC高頻開關電源，可將220市電轉換為穩(wěn)定的24 V直流電源，該部分電源經過整流、逆變、二次整流等步驟確保不論市電處于峰值還是谷值都可穩(wěn)定輸出24 V電壓，這部分電源為獨立的封裝，不安裝于野戰(zhàn)低溫冷藏箱內，只在有市電供應的范圍內使用，其輸出可通過電源接口與DC/DC逆變電源輸入端相連[6]。

這種分開的電源設計能保證野戰(zhàn)低溫冷藏箱既可使用車載電平供電，也可使用市電供電，有效拓寬了野戰(zhàn)低溫冷藏箱的使用范圍。

2.4 箱體與保溫材料

為滿足野戰(zhàn)環(huán)境下的便攜與存儲要求，野戰(zhàn)低溫冷藏箱的箱體采用350 mm×250 mm×250 mm的塑料箱，有效容積為12.5 L，能有效滿足野戰(zhàn)及災后救治過程中對血制品、人體器官、疑似病毒的轉運需求。冷藏箱箱壁分內外兩層，中間填充復合型酚醛發(fā)泡材料，這種發(fā)泡材料具有導熱系數低、隔熱效果好、防燃防水等優(yōu)點，是作為保溫材料的不二選擇[15]。

3 結論

該野戰(zhàn)低溫冷藏箱無污染、低噪聲、質量輕，雙重散熱的水冷設計能有效降低制冷片熱端的溫度，保證制冷片的制冷效果；箱內容積較小，因此只需很短的時間即可達到制冷需求，制冷速度快；以復合型酚醛材料做保溫材料，且箱體密封設計，確保冷藏箱保溫時間長。分離式的電源設計保證冷藏箱即可使用蓄電池供電，也可使用市電供電，可有效滿足野戰(zhàn)或災后電源短缺環(huán)境下和車載轉運過程中的使用需求；野戰(zhàn)低溫冷藏箱能為救治出血性疾病患者或疑似病毒的轉運研究提供幫助，為國家減少經濟損失和人才損失，這些都是其他制冷設備所不能代替的。

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