基于半導(dǎo)體制冷的冰箱制冷效率提高的研究

陳良深等

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，小型半導(dǎo)體冰箱越來(lái)越受到人們的青睞，但是半導(dǎo)體冰箱仍然存在效率低下的致命特點(diǎn)。文章主要利用冷凝管對(duì)半導(dǎo)體冰箱散熱方式進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體選擇和功率計(jì)算等，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體冰箱制冷效率的提高。相信這款利用新型散熱系統(tǒng)的半導(dǎo)體冰箱將憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體冰箱；冷凝管；散熱方式

中圖分類號(hào)：TM925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）29-0020-03

半導(dǎo)體冰箱至今未能在更廣泛的領(lǐng)域中應(yīng)用就是因?yàn)樗^低的能量轉(zhuǎn)化效率，將白白耗費(fèi)較多的能量。根據(jù)我們項(xiàng)目小組的調(diào)查，目前市面上的半導(dǎo)體冰箱基本采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的散熱方式，但這種散熱效果并不好，一定程度上導(dǎo)致了半導(dǎo)體冰箱制冷效率過(guò)低，最低溫度過(guò)高，箱內(nèi)溫度只能降到低于環(huán)境溫度10℃～15℃，這并不能真正滿足大眾的需求。本課題的研究目的就是提高半導(dǎo)體冰箱的制冷效率，研究方案主要是利用冷凝管對(duì)半導(dǎo)體冰箱散熱方式進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體選擇和功率計(jì)算等，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體冰箱制冷效率的提高。本文將對(duì)我們的研究展開(kāi)論述與分析。

1 散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）工質(zhì)選擇：實(shí)驗(yàn)測(cè)得熱管兩端溫度分別為35℃和30℃，根據(jù)公式Tv=（T1+nT2）/（1+n）（其中T1為熱源溫度，T2為冷源溫度）可得工作溫度為T(mén)v=（35+4×30）/

5=31（其中n值取4）。通過(guò)查表可知氨的適合工作溫度為-40℃～60℃，故我們選擇氨作為熱管工質(zhì)。

（2）熱管內(nèi)徑的確定：

一般情況下，熱管的沸騰極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于攜帶極限，因此，沸騰極限不會(huì)成為限制熱管傳熱的控制因素。

綜合分析，最終確定每根熱管關(guān)鍵參數(shù)如表1：

2 理論分析

2.1 保溫箱

Pin恒定。忽略降溫過(guò)程冰箱內(nèi)部氣體壓強(qiáng)變化，?。?/p>

Pin=1.013×105Pa

考慮到冰箱中擺放的物品在兩種散熱方式下只改變比熱容，故假設(shè)冰箱中未放物品，取工作溫度t=273K和t=298K下的平均比定壓熱容。

2.2 半導(dǎo)體制冷片

假設(shè)半導(dǎo)體片各處制冷功率相同，并正常工作。

2.3 散熱器

近似取300K條件下鋁片的導(dǎo)熱系數(shù)，并假設(shè)鋁片上各點(diǎn)的溫度相同。

由于有風(fēng)扇作用，假設(shè)散熱器與外溫溫度T0的空氣直接換熱。

2.4 模擬計(jì)算

設(shè)冰箱內(nèi)部的溫度函數(shù)為T(mén)（t）。

理論結(jié)果分析：由圖像可知，兩種散熱方式下冰箱的最低溫分別為0℃和-5℃，由此可計(jì)算出正常工作時(shí)箱體實(shí)際漏熱率分別為Q鋁片=3.87W和Q熱管=4.65W，故冰箱的制冷效率分別為COP鋁片=7.74%和COP熱管=9.29%，因此理論上冰箱效率提高了?COP=1.55%。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在測(cè)定半導(dǎo)體制冷冰箱效率時(shí)，我們進(jìn)行了兩個(gè)部分的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)一：熱管散熱與散熱片散熱性能的定性對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中共使用兩個(gè)溫度傳感器：

第一個(gè)溫度傳感器的一端放在半導(dǎo)體制冷片的冷端表面，并加以固定，以測(cè)定冷端溫度。

第二個(gè)傳感器放在熱管散熱器的翅片部分，并加以固定，以測(cè)定散熱器溫度。

首先，我們測(cè)定熱管的散熱性能。先測(cè)定室內(nèi)溫度，接好電源及實(shí)驗(yàn)設(shè)備。接通半導(dǎo)體制冷片。其次，測(cè)定普通鋁片散熱性能。先測(cè)定室內(nèi)溫度，接好電源及實(shí)驗(yàn)設(shè)備。接通半導(dǎo)體制冷片，記錄冷熱端溫度。

綜合以上數(shù)據(jù)，我們用繪圖軟件做出了熱管和鋁片條件下的溫度變化圖像，如圖2所示：

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在相同條件下，熱管散熱效率高于鋁片散熱效率。

實(shí)際條件下的熱管效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)：

我們選用現(xiàn)有的鋁片風(fēng)冷散熱半導(dǎo)體冰箱作為對(duì)比參照，用無(wú)線溫度傳感器測(cè)定在室溫條件下鋁片風(fēng)冷散熱半導(dǎo)體冰箱內(nèi)部的溫度。

在冰箱的中層放入無(wú)線溫度傳感器，接通冰箱電源，調(diào)至制冷檔，每隔0.5min記錄一次數(shù)據(jù)，得到120min的溫度變化數(shù)據(jù)。

將相同冰箱的鋁片拆下，換成相同大小的熱管翅片散熱系統(tǒng)，在相同的室溫下重復(fù)上一步驟實(shí)驗(yàn)操作，得出120min熱管散熱的半導(dǎo)體冰箱制冷溫度數(shù)據(jù)。

對(duì)比兩組數(shù)據(jù)，使用制圖軟件制作出兩次條件下的溫度曲線如圖3所示：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由圖像可知，相同實(shí)驗(yàn)條件下，兩種散熱方式下冰箱的最低溫分別為7℃和3℃，由此可計(jì)算出正常工作時(shí)箱體實(shí)際漏熱率分別為Q鋁片=2.01W和Q熱管=

2.63W，故冰箱的制冷效率分別為COP鋁片=4.02%和COP熱管=

5.26%，因此冰箱效率實(shí)際上提高了?COP=1.14%。對(duì)比理論結(jié)果，鋁片和熱管兩種散熱方式下冰箱達(dá)到最低溫度都應(yīng)該在50min左右，最低溫度分別是0℃和-5℃。雖然實(shí)際實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有達(dá)到這種效果，但是實(shí)際提高的效率?COP卻很接近，經(jīng)過(guò)誤差分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。造成誤差的原因主要有理論分析時(shí)做了一些合理假設(shè)和環(huán)境條件變化，實(shí)驗(yàn)材料實(shí)際上沒(méi)有達(dá)到理想的性能。不過(guò)，這種誤差并不影響我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在外界環(huán)境近似相同的情況下，采用相同的制冷片、制冷功率，保溫設(shè)施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，盡可能排除無(wú)關(guān)變量影響。從圖像中可以看出，在將散熱方式由鋁片散熱改為熱管散熱之后，冰箱的制冷速率和制冷能力均得到明顯提升。對(duì)圖像部分區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合可知，在10min之內(nèi)，兩種散熱方式并無(wú)明顯差距；但在10～20min之間，采用熱管制冷可以將制冷效率提高一倍以上；對(duì)于穩(wěn)定溫度，熱管制冷比普遍采用的鋁片制冷在相同條件下低大約3℃，從而從一定程度上改善了半導(dǎo)體冰箱制冷能力方面的缺陷，大大增強(qiáng)半導(dǎo)體制冷冰箱的實(shí)

用性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在實(shí)際情況下，使用熱管制冷的半導(dǎo)體冰箱制冷效率大于使用鋁片制冷的半導(dǎo)體冰箱。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用了理論計(jì)算與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，完成了基于半導(dǎo)體制冷的冰箱制冷效率提高的研究。其中創(chuàng)新性地采用了用熱管散熱代替散熱片散熱，解決了目前市面上車(chē)載半導(dǎo)體冰箱的難題。在設(shè)計(jì)過(guò)程中所進(jìn)行的兩種散熱方式對(duì)比實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行的冰箱模型對(duì)比試驗(yàn)有說(shuō)服力地證明了以我們創(chuàng)意方式制造的冰箱的散熱和制冷效果將優(yōu)于市面上的同類冰箱。該種類型產(chǎn)品投放市場(chǎng)后，必將受到大部分車(chē)市和消費(fèi)者的青睞，為企業(yè)創(chuàng)造可觀經(jīng)濟(jì)收益，并很好地符合了國(guó)家對(duì)于創(chuàng)新產(chǎn)品節(jié)能高效的期望，有利于受到政策的正影響。與此同時(shí)，這次對(duì)于車(chē)載冰箱制冷效率提高的研究，有利于打開(kāi)研究者的眼界思路，對(duì)于日后同類研究具有很高的借鑒及參考價(jià)值。

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