基于半導(dǎo)體制冷的醫(yī)用恒溫箱的設(shè)計研究

穆江勃，盧菡涵，劉志奇，閆獻國，徐昌貴

(1.太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，太原030024;2.北京工商大學(xué)機械工程學(xué)院，北京100048)

1 引言

半導(dǎo)體制冷技術(shù)是基于帕爾貼效應(yīng)的一種新型制冷方式，它具有體積小、無污染、易于控制的特點。目前在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用較為廣泛，如:PCR儀、電泳儀及一些智能精確溫控的恒溫儀培養(yǎng)箱等，因此對半導(dǎo)體制冷恒溫箱的研究具有一定的實用價值。本文通過對半導(dǎo)體制冷及傳熱原理的研究，最終確定出一套恒溫箱的設(shè)計理論及方法，對以后該類恒溫箱的進一步設(shè)計與批量生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)及技術(shù)支持。

2 半導(dǎo)體制冷原理

早在1834年，法國物理學(xué)家帕爾貼發(fā)現(xiàn)帕爾貼效應(yīng)——兩個不同導(dǎo)體接通后，通上直流電，在接頭處產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象，這就是半導(dǎo)體制冷原理。如圖1所示，通上直流電源后，在上面的接頭處，電流由n型半導(dǎo)體流向p型半導(dǎo)體，也就是由負溫差電勢流向正溫差電勢，由低能級流向高能級，就會從外界吸收能量，因此成為冷端，溫度降低;相反，在下面的接頭處，電流是從p型半導(dǎo)體流向n型半導(dǎo)體，釋放能量，形成熱端，溫度升高。

圖1 半導(dǎo)體制冷原理圖

3 恒溫箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于半導(dǎo)體制冷原理，對醫(yī)用恒溫箱進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。初步確定該試驗箱的體積為8L，室溫為30℃ (303K)，假定在半個小時內(nèi)能從室溫降到0℃ (273K)，即溫度下降為ΔT=30K。

(1)殼體隔熱層的理論計算

殼體采用不銹鋼來制作，選取鋼板厚度σ1=0.2mm，隔熱層采用聚氨酯發(fā)泡劑發(fā)泡來形成，聚氨酯泡沫塑料具有容重強度高、質(zhì)輕、使用壽命長、導(dǎo)熱系數(shù)低、低溫或高溫尺寸穩(wěn)定性好的特點，因此采用聚氨酯泡沫塑料做隔熱層是很好的選擇。隔熱層的厚度由公式 (1)來計算。

式中:

λ—隔熱層的導(dǎo)熱系數(shù);

α—空氣對隔熱層外表面的放熱系數(shù);

Tb—隔熱層外表面溫度;

TW—被隔熱物體的溫度;

Ta—環(huán)境溫度。

將各個參數(shù)帶入公式 (1)中，可求出隔熱層的理論厚度為27.64mm，為了確保保溫效果，將理論值化整計算，取隔熱層厚度為30mm。

(2)恒溫箱冷負荷的理論計算

恒溫箱的冷負荷主要包括兩部分:(1)箱體由常溫降至貯藏溫度的空載降溫冷負荷 (恒溫運行時存儲樣品的降溫冷負荷考慮包含在內(nèi));(2)熱量通過箱壁從外界傳入的冷負荷。其中降溫階段的冷負荷可用公式 (2)計算，外界熱量通過箱壁傳入的冷負荷可用公式 (3)計算。

式中:

Q1、Q2—分別表示降溫的冷負荷和傳導(dǎo)的冷負荷;

M—表示需要降溫部分的質(zhì)量;

C—比熱容;

T1、T2—分別表示降溫初始和結(jié)束時的箱體內(nèi)溫度;K—熱導(dǎo)率;

F—表示箱體外表面積的平均值;

Ta、T—分別表示環(huán)境溫度和箱體內(nèi)溫度。

根據(jù)計算，可得公式中的各個參數(shù)值分別為:

M空=1.205 kg/m3

M鋼=7750 kg/m3

C空=1.0005 kJ/kg·k

C鋼=0.47 kJ/kg·k

K=5 W/m2·K

T1=303 K

T2=273 K

t=1800 s。

將各個參數(shù)值分別帶入公式 (2)和 (3)中，可得系統(tǒng)所需冷負荷為

Q=Q1+Q2=0.257 kW=257 W

通過對半導(dǎo)體制冷片的參數(shù)與制冷性能的分析比較，最終可選用C1206型號的半導(dǎo)體制冷片，如圖2所示。該制冷片的額定電壓為12V，額定電流為6A，每個制冷片的功率為P=12×6=72 W，制冷量q為55W，那么，半導(dǎo)體制冷試驗箱需要制冷片的個數(shù)為:

綜合考慮該試驗箱空箱降溫次數(shù)不多等因素，選取半導(dǎo)體制冷片個數(shù)為4個。

圖2 C1206制冷片

圖3 恒溫箱三維模型圖

根據(jù)上述理論計算，首先采用Solidworks三維軟件進行恒溫箱三維模型的設(shè)計，所設(shè)計三維模型如圖3所示。

基于該三維模型，進行恒溫箱的實體加工。將開關(guān)、控制器等元件與箱體組裝起來，就構(gòu)成了整體的半導(dǎo)體制冷恒溫箱，如圖4所示。

4 實驗驗證

加工出所設(shè)計的恒溫箱，需要進一步對其性能進行實驗驗證，以確保該恒溫箱是否能夠滿足設(shè)計要求。

4.1 制冷能力的實驗驗證

首先在室溫20℃，不加溫度控制器的前提下，對該恒溫箱的制冷能力進行實驗驗證，記錄半小時內(nèi)持續(xù)制冷情況下該箱體內(nèi)的溫度，溫度變化情況如圖5所示。

圖4 半導(dǎo)體制冷恒溫箱實體圖

圖5 恒溫箱制冷能力實驗

從圖5可以看出，室溫20℃時，開機制冷前五分鐘的制冷速度是比較快的，之后，雖然速度有所減緩，但由于總制冷量不變，箱內(nèi)溫度仍會持續(xù)不間斷下降，開機30分鐘后，箱內(nèi)溫度可達1.5℃左右。

由于血液的存儲溫度為2～6℃，由上述實驗可以看出所設(shè)計的半導(dǎo)體制冷恒溫箱在常溫下能夠滿足設(shè)計目標，可以滿足血液存儲的需要。

4.2 恒溫控制實驗驗證

該恒溫箱采用繼電器開關(guān)控制的控制方式來實現(xiàn)箱體內(nèi)的恒溫控制。采用Pt 100熱電偶傳感器來測量箱體內(nèi)的溫度，將所測得的溫度信號反饋給電子溫控器，將所得溫度與目標溫度值進行比較來控制電流的通斷，進而實現(xiàn)箱體內(nèi)的恒溫。

將溫控器的穩(wěn)定溫度設(shè)置為3℃，溫差為0.1℃，在室溫為20℃的前提下，半個小時內(nèi)箱體內(nèi)的溫度變化情況如圖6所示。

圖6 恒溫控制實驗

由圖6可以看出，在恒溫控制狀態(tài)下，箱內(nèi)溫度在達到設(shè)定值之前的制冷曲線與圖5的幾乎一致。在溫度達到2.9℃時，斷開電源，制冷片不再制冷，箱體內(nèi)溫度會逐漸升高;在溫度達到3.1℃時，電源接通，制冷片再次開始產(chǎn)生冷量，使箱體內(nèi)的溫度逐漸下降，如此反復(fù)循環(huán)，使箱體內(nèi)溫度維持在2～6℃的允許范圍內(nèi)，因此所設(shè)計的半導(dǎo)體制冷醫(yī)用恒溫箱能夠滿足設(shè)計要求，滿足血液的存儲要求。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計的醫(yī)用恒溫箱具有綠色環(huán)保、低能耗 (整機功率在120W左右)的特點，而且體積小、重量輕，便于攜帶;控制精度比較高，易于控制，能夠?qū)崿F(xiàn)血液存儲的目標要求。

［1］徐昌貴，賈艷婷，閆獻國，等.半導(dǎo)體制冷技術(shù)及其應(yīng)用 ［J］．機械工程與自動化，2012，(3):209－211

［2］樂建波.溫度控制系統(tǒng) ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007

［3］吳松林.傳感器與檢測技術(shù)基礎(chǔ) ［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2009

［4］胡壽松.自動控制原理 ［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1994

* 史章華.發(fā)泡聚氨酯保溫材料知識總匯.