冷循環(huán)便攜式半導(dǎo)體降溫服設(shè)計及制冷性能分析*

徐 宇，李孜軍，賈敏濤,2，章夢勝，王君健，李蓉蓉

(1.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院,湖南 長沙 410083；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高溫環(huán)境問題在許多行業(yè)愈發(fā)嚴(yán)重，例如醫(yī)療衛(wèi)生、深部礦井、應(yīng)急救援等領(lǐng)域[1-3]。長期在高溫環(huán)境下作業(yè)，不僅會降低作業(yè)積極性和勞動效率，還會對人的生理和心理造成危害，導(dǎo)致事故發(fā)生率顯著上升[4-6]。對高溫環(huán)境下的作業(yè)人員采取一定的降溫措施是安全生產(chǎn)的重要保障[7-8]。但是，在某些特定的工作場所，無法直接對工作環(huán)境進(jìn)行降溫或者降溫成本太高[9-10]。此時，降溫服是熱害治理的重要手段，其既有針對性的降溫，熱舒適性高，且降溫成本相對較低。

目前的個體降溫防護(hù)服主要包括氣冷式、液冷式和相變材料3種[11-12]。氣冷式降溫服是采用強(qiáng)制通風(fēng)的方式增加皮膚表面的對流換熱帶走身體的熱量，同時促進(jìn)皮膚表面汗液蒸發(fā)散熱[13]。劉何清等[14]、Yi等[15]對降溫服內(nèi)氣流特征和換熱規(guī)律進(jìn)行了研究。液冷式降溫服主要是利用水等介質(zhì)在降溫服內(nèi)的管路中流動吸收降溫服內(nèi)熱量，往往由制冷系統(tǒng)和基礎(chǔ)服裝組成[16-17]；相變式降溫服是將相變材料包、微膠囊等物品放置在服裝內(nèi)，利用其相變吸收熱量達(dá)到降溫目的[18]。鄭晴等[19]、Zhao等[20]通過實(shí)驗(yàn)研究分析了相變降溫服制冷效率和熱舒適性。

近年來，隨著人們對勞工保護(hù)的重視，新型降溫服的研制逐漸被重視與推廣。加拿大、日本等國家相繼研發(fā)了一些新型的高效降溫服，比如真空除濕降溫服[21]、空氣/二氧化碳降溫服[22]等。但是目前的降溫服普遍存在續(xù)航能力差、降溫能力不足、無法精確調(diào)控制冷量等缺陷，造成性能低、熱舒適性差[23-24]。因此，現(xiàn)有的降溫防護(hù)服尚不能滿足當(dāng)前的社會需求，更加輕便、續(xù)航能力強(qiáng)、制冷能力大、舒適性好的新型個體降溫防護(hù)服有待研發(fā)。

半導(dǎo)體制冷片是1種由半導(dǎo)體組成的冷卻裝置，其具有質(zhì)量輕、無制冷劑、無振動、無噪音等特點(diǎn)，使其廣泛地應(yīng)用于電子、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等高精度要求領(lǐng)域[25-26]。隨著電池行業(yè)的不斷發(fā)展，具有能量密度高、充放電壽命長的蓄電池逐漸成熟。在此基礎(chǔ)上，續(xù)航能力長、體積小的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)成為可能。因此，將半導(dǎo)體制冷與防護(hù)服降溫相結(jié)合，能夠研發(fā)出輕便、高性能、舒適性好的半導(dǎo)體降溫防護(hù)服[27]。鑒此，本文設(shè)計1套便攜式冷循環(huán)降溫服，并開展高溫環(huán)境下降溫服性能實(shí)驗(yàn)，分析半導(dǎo)體降溫服制冷系統(tǒng)的制冷性能。

1 便攜式降溫服設(shè)計

1.1 半導(dǎo)體制冷原理及特征

半導(dǎo)體制冷的原理是基于固體的熱電效應(yīng)，即當(dāng)電流流過具有熱電轉(zhuǎn)換特性導(dǎo)體組成的回路時會產(chǎn)生制冷效果。金屬導(dǎo)體通過“橋”接的方式將多個P型和N型半導(dǎo)體交替串聯(lián)，使電流可在多組P-N組件內(nèi)流通，達(dá)到制冷目的，如圖1所示。電流從上端N型半導(dǎo)體端流向P型半導(dǎo)體端時，2種半導(dǎo)體連接處溫度降低成為冷端，向周圍環(huán)境吸收熱量，而下端P極流向N極連接處溫度升高成為熱端，向周圍環(huán)境釋放熱量。因此，半導(dǎo)體制冷片的冷熱端溫差、電流大小將直接決定制冷量和制冷效率。當(dāng)制冷片兩端溫差較大時，將極大地降低制冷片的制冷效率，因此，制冷片冷熱端散熱強(qiáng)度對制冷片的制冷性能有著顯著影響。

圖1 半導(dǎo)體制冷模塊示意

人作為1種恒溫動物，環(huán)境溫度過高或過低都會引起人體不適。雖然人體對自身溫度具有一定調(diào)節(jié)能力，但是人體對皮膚表面微氣候的溫度范圍要求較高。因此，個體降溫防護(hù)裝備的降溫性能需做到安全、精準(zhǔn)、便捷、可快速調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。利用半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)作為降溫服的制冷源，一方面可根據(jù)人體需要能快速調(diào)節(jié)制冷量，使人體微氣候區(qū)域溫度保持恒定，另一方面半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)簡單、安全，方便人體攜帶和移動，可在復(fù)雜環(huán)境下安全使用。

1.2 降溫服降溫和散熱方式

人體新陳代謝過程中產(chǎn)生的熱量會通過人體皮膚表面向周圍環(huán)境散發(fā)，當(dāng)周圍環(huán)境溫度過高或熱量無法散失時，人體皮膚表面微氣候區(qū)熱量積聚、溫度將升高，導(dǎo)致人體不適。因此，對人體皮膚表面微氣候區(qū)溫度的調(diào)節(jié)是降溫服的直接目的?；诎雽?dǎo)體制冷片作為降溫動力源的基礎(chǔ)上，可選擇氣冷式和液冷式2種降溫方式。相比于氣冷式降溫，液冷式降溫的冷量利用率更高、溫度更容易控制、冷液制造更方便。為提高冷量利用率、便于精確控制降溫服內(nèi)溫度，半導(dǎo)體制冷降溫服選用液冷式降溫。

制冷和散熱工質(zhì)的選擇對于系統(tǒng)的性能和安全性至關(guān)重要，丙烷、氨、水以及二氧化碳是目前常用的4種制冷工質(zhì)，其中水和二氧化碳的換熱物性更佳[28]。利用二氧化碳作為制冷介質(zhì)往往需要較高的系統(tǒng)壓力，存在較大的安全隱患。為保障降溫服安全、適用于復(fù)雜環(huán)境下使用，選用水作為降溫服制冷系統(tǒng)的制冷和散熱工質(zhì)。

半導(dǎo)體便攜式冷循環(huán)降溫服主要由半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)、降溫服、冷/熱工質(zhì)輸送系統(tǒng)組成，如圖2所示。降溫服表面鑲嵌降溫毛細(xì)金屬管，毛細(xì)金屬管之間纏繞細(xì)銅絲增強(qiáng)冷量傳導(dǎo)，提高降溫服內(nèi)的溫度均勻性。半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)內(nèi)2組半導(dǎo)體制冷片的制冷面夾住1塊制冷水板，同時對制冷水板進(jìn)行降溫。2組半導(dǎo)體制冷片的散熱面均利用散熱水板和散熱翅片進(jìn)行散熱。制冷水板和散熱水板外形尺寸均為120 mm×140 mm×15 mm，散熱翅板安裝于散熱水板外側(cè)。制冷水板內(nèi)流出的冷水由微型泵輸送至布置在降溫服上的金屬毛細(xì)管內(nèi)，冷水在降溫服內(nèi)吸收熱量后輸送回制冷水板中進(jìn)行降溫，之后重新流回降溫服內(nèi)降溫，以此循環(huán)對降溫服內(nèi)微氣候區(qū)進(jìn)行持續(xù)降溫。為增強(qiáng)半導(dǎo)體散熱端散熱，使用水作為散熱工質(zhì)，利用微型泵使水在散熱板和冷凝器內(nèi)循環(huán)流動。水在2塊散熱水板內(nèi)吸收半導(dǎo)體制冷片散熱端釋放的熱量后，流至冷卻器內(nèi)降溫，然后輸送回散熱水板。

圖2 便攜式冷循環(huán)降溫服系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)研究

半導(dǎo)體降溫服性能測試實(shí)驗(yàn)在中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院自主研發(fā)的深井環(huán)境與安全人工智能仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。通過將實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)設(shè)置為恒定溫度的高溫環(huán)境，研究降溫服系統(tǒng)的降溫效果。降溫服由可調(diào)式直流電源為半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)提供0～16 V的電壓，使用Pt 100鉑電阻對降溫服系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，并使用Fluke 2638A數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)過程中為使實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)溫度分布均勻，實(shí)驗(yàn)艙體內(nèi)升溫時打開局部風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使艙體內(nèi)空氣充分混合。設(shè)定實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)溫度，待艙體內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值并保持10 min后開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時，在降溫服制冷系統(tǒng)運(yùn)行前3 min打開數(shù)據(jù)采集器，記錄各處溫度變化。設(shè)定電源電壓和電流后，連接降溫服與電源，測試并記錄降溫服內(nèi)以及制冷系統(tǒng)溫度變化。降溫服穿著于人體模型上，在衣服內(nèi)的人體模型上布置A，B，C，D4個測點(diǎn)測量降溫服內(nèi)空氣溫度，測點(diǎn)A，C，D位于人體模型正面，測點(diǎn)B位于模型后背，如圖2所示。

3 制冷性能分析

3.1 系統(tǒng)降溫效果和制冷功率

將實(shí)驗(yàn)艙體內(nèi)溫度設(shè)定為30 ℃，制冷系統(tǒng)連接的電源電壓為6.9 V，電源總功率為100 W。制冷開始3 min前開始數(shù)據(jù)記錄，總實(shí)驗(yàn)時長為28 min。從圖3(a)可以看出，制冷系統(tǒng)連接電源開始制冷后，散熱板內(nèi)循環(huán)水的溫度快速上升。在制冷系統(tǒng)運(yùn)行3 min后，散熱板循環(huán)熱水溫度上升至34.5 ℃，并隨著制冷時間熱水溫度繼續(xù)上升，直至實(shí)驗(yàn)的第18 min穩(wěn)定在42.3 ℃左右。在此過程中，制冷板出水溫度在制冷開始后的0.5 min出現(xiàn)輕微的上升，之后快速降低，最終趨向穩(wěn)定。制冷啟動后0.5 min制冷板出水溫度上升是由于降溫服中的制冷循環(huán)管路內(nèi)的循環(huán)水初始溫度較高所導(dǎo)致。制冷系統(tǒng)運(yùn)行3 min后，制冷板出水溫度下降3.2 ℃。實(shí)驗(yàn)第15 min時制冷板出水溫度下降至15.7 ℃左右，冷水流經(jīng)降溫服內(nèi)后溫度上升4.7 ℃。

圖3 室溫30 ℃時降溫服運(yùn)行參數(shù)

降溫服系統(tǒng)運(yùn)行過程中，降溫服內(nèi)金屬毛細(xì)管不斷吸收熱量使降溫服內(nèi)的空氣溫度逐漸降低，如圖3(b)所示。由于降溫服內(nèi)初始溫度分布不均以及金屬管布置特征，導(dǎo)致降溫服內(nèi)各測點(diǎn)降溫速度不同。人體模型正面C測點(diǎn)初始溫度高，因此，在剛開始時降溫最為顯著，而模型后背B測點(diǎn)初始溫度低于正面溫度，因此，降溫速度較慢。但降溫服長時間降溫后，模型前方各測點(diǎn)溫度基本相同，但人體模型后背溫度依舊低于人體模型正面溫度。這是由于制冷水從人體模型后背進(jìn)入，從模型正面流出導(dǎo)致的。隨著降溫時間的不斷延長，人體模型內(nèi)各測點(diǎn)溫度有不斷下降的趨勢。并隨著降溫服內(nèi)溫度的下降，金屬管在降溫服內(nèi)吸收的熱量減少，制冷系統(tǒng)的冷水溫度在實(shí)驗(yàn)第23 min后繼續(xù)下降。

制冷系數(shù)(COP)是評價降溫服降溫效果的重要指標(biāo)，指單位時間內(nèi)降溫服的制冷量除以單位時間內(nèi)降溫服消耗電量的能效比。降溫服系統(tǒng)的制冷功率可由公式(1)計算：

Q=cρV(Tl2-Tl1)

(1)

式中：Q為降溫服制冷功率，W；c為制冷工質(zhì)的比熱容，水的比熱容取4.2×103J/(kg·℃)；ρ為制冷工質(zhì)的密度，kg/m3；V為制冷管路內(nèi)制冷工質(zhì)體積流量，m3/s；Tl2為制冷工質(zhì)流經(jīng)降溫服后的溫度，℃；Tl1為制冷工質(zhì)流入降溫服內(nèi)的溫度，℃。

圖4為30 ℃工況環(huán)境下降溫服系統(tǒng)制冷功率變化，從圖4可以看出，在制冷系統(tǒng)運(yùn)行初期，制冷功率波動較大，隨著運(yùn)行時間逐漸穩(wěn)定，最終降溫服系統(tǒng)制冷功率維持在340.4 W左右。經(jīng)計算，降溫服系統(tǒng)COP為3.40。

圖4 30 ℃工況環(huán)境下降溫服系統(tǒng)制冷功率

3.2 不同環(huán)境工況影響

為測試不同工況環(huán)境下降溫服系統(tǒng)的運(yùn)行性能，待降溫服在30 ℃環(huán)境下運(yùn)行20 min后，將實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境溫度升溫至35 ℃，維持10 min。之后將實(shí)驗(yàn)艙環(huán)境繼續(xù)升溫至40 ℃。30～40 ℃環(huán)境下降溫服系統(tǒng)各處溫度變化如圖5所示。降溫服系統(tǒng)在30 ℃環(huán)境下運(yùn)行20 min后，散熱板熱水和制冷板出水溫度分別穩(wěn)定在42.6，15.3 ℃。在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境溫度上升時，各測點(diǎn)的溫度均隨之逐漸升高。實(shí)驗(yàn)艙溫度從30 ℃上升至35 ℃的5 min期間，散熱板熱水和制冷板出水溫度分別上升4.4，1.0 ℃。實(shí)驗(yàn)艙環(huán)境溫度維持在35 ℃時，散熱板熱水和制冷板出水溫度在經(jīng)過一段時間的升溫后最終分別穩(wěn)定在46.2，17.7 ℃。由于熱循環(huán)系統(tǒng)與環(huán)境更容易達(dá)到熱平衡，而冷循環(huán)與環(huán)境溫差更大，且降溫服內(nèi)微氣候與升溫后的外境溫度需要較長的時間達(dá)到平衡，因此，熱水溫度能更快地保持穩(wěn)定。

圖5 室溫30～40 ℃時降溫服運(yùn)行參數(shù)

實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)溫度由35 ℃上升至40 ℃時，降溫服系統(tǒng)各處升溫程度比30 ℃上升至35 ℃時更加明顯。實(shí)驗(yàn)艙溫度40 ℃時，散熱板熱水溫度在實(shí)驗(yàn)第54 min時不再顯著變化，熱循環(huán)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡。此時，散熱板熱水溫度由35 ℃環(huán)境下的46.4 ℃上升至52.5 ℃。由于降溫服從周圍環(huán)境吸收的熱量增加以及散熱端溫度上升導(dǎo)致制冷系統(tǒng)制冷能力下降，制冷板出水溫度升高。由此可見，制冷系統(tǒng)運(yùn)行工況環(huán)境對降溫服系統(tǒng)的降溫效果影響十分顯著。制冷系統(tǒng)散熱環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)散熱能力越好，系統(tǒng)制冷功率越高，冷水的溫度越低。因此，針對不同熱環(huán)境下使用的降溫服，需設(shè)計不同散熱能力的散熱系統(tǒng)。

3.3 單、雙面制冷系統(tǒng)對比

為分析制冷系統(tǒng)采用單面制冷和雙面制冷時制冷系統(tǒng)的制冷性能差異，本文開展相同工況下單、雙面制冷系統(tǒng)制冷性能對比實(shí)驗(yàn)。圖6給出了制冷系統(tǒng)工況環(huán)境從30 ℃上升至40 ℃時，單、雙面制冷系統(tǒng)各處溫度變化特征。在相同工況條件下，雙面制冷的散熱板熱水溫度均高于單面制冷，而雙面制冷散熱板表面溫度低于單面制冷，說明雙面制冷的熱循環(huán)水能夠從散熱板內(nèi)吸收更多的熱量，有助于制冷系統(tǒng)向周圍環(huán)境中散熱。同時從圖6(b)可看出，雙面制冷情況下制冷板出水溫度明顯低于單面制冷。降溫服系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于30 ℃工況環(huán)境下時，雙面制冷的制冷板出水溫度比單面制冷的出水溫度低2.0～3.5 ℃。此外，雙面制冷的降溫速度明顯快于單面制冷。例如，降溫服系統(tǒng)運(yùn)行5 min后，雙面制冷的出水溫度已降至17.4 ℃，而單面制冷的出水溫度為19.9 ℃。在工況環(huán)境溫度發(fā)生波動時，單面制冷系統(tǒng)的熱水溫度、冷水溫度均隨之發(fā)現(xiàn)顯著的變化，而雙面制冷系統(tǒng)溫度變化不明顯?？梢?，雙面制冷系統(tǒng)的制冷性能比單面制冷系統(tǒng)更加快速、穩(wěn)定。

圖6 室溫30～40 ℃時單面制冷和雙面制冷下降溫服系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對比

圖7為工況環(huán)境溫度30～40 ℃時單、雙面制冷系統(tǒng)制冷功率對比。在相同環(huán)境下，雙面制冷的制冷功率要顯著高于單面制冷，且更加穩(wěn)定。單面制冷時系統(tǒng)的制冷功率大約為262.2 W，制冷系數(shù)(COP)為2.62。雙面制冷COP是單面制冷的1.30倍。可以推論其原因是雙面制冷系統(tǒng)增加了散熱面積，提高了系統(tǒng)制冷功率，同時制冷板雙面制冷，減少了制冷板向環(huán)境中散失的冷量。因此，采用雙面制冷能夠提高制冷系統(tǒng)的制冷功率和穩(wěn)定性，但雙面制冷系統(tǒng)會增加制冷系統(tǒng)的重量和體積。

圖7 30～40 ℃室溫下單、雙面制冷系統(tǒng)制冷功率對比

3.4 熱循環(huán)散熱

為進(jìn)一步探究熱循環(huán)散熱對提升降溫服系統(tǒng)制冷性能的作用，本次實(shí)驗(yàn)在制冷系統(tǒng)運(yùn)行前20 min僅使用散熱板上的散熱翅片進(jìn)行散熱，之后啟動微型泵使散熱水在散熱板和冷凝器內(nèi)循環(huán)流動散熱。圖8(a)顯示，在不使用冷凝器降溫的情況下，制冷系統(tǒng)散熱板表面溫度隨著制冷時間增加快速上升，在制冷系統(tǒng)運(yùn)行的前20 min，散熱板表面溫度持續(xù)升高至69.0 ℃，這意味著制冷系統(tǒng)散熱端散熱困難。與此同時，由于制冷片熱端溫度升高，導(dǎo)致制冷片制冷性能顯著降低，冷水溫度逐漸上升。在制冷系統(tǒng)運(yùn)行的前6 min時，散熱板溫度尚低，制冷系統(tǒng)制冷效果尚好，制冷板出水溫度逐漸下降。但隨著散熱板熱量的繼續(xù)積聚，制冷板出水溫度開始逐漸上升。制冷板出水的溫度在實(shí)驗(yàn)第23 min時由實(shí)驗(yàn)第9 min的19.9 ℃升高至25.1 ℃，如圖8(b)所示。

圖8 熱循環(huán)散熱對降溫服制冷性能影響

實(shí)驗(yàn)第23～24 min時停止系統(tǒng)運(yùn)行，第24 min時重新啟動制冷系統(tǒng)并啟動微型泵使循環(huán)水流入冷凝器散熱。第23～24 min期間，制冷板表面和制冷板出水溫度均快速上升，是由于半導(dǎo)體片在不通電的情況下，散熱端熱量經(jīng)半導(dǎo)體片傳至制冷板所導(dǎo)致的。在熱循環(huán)散熱啟動后，散熱板表面溫度迅速降低，并最終穩(wěn)定在41.1 ℃左右。在此期間，制冷板出水溫度也快速降低，實(shí)驗(yàn)的第50 min時制冷板出水溫度下降至14.5 ℃。因此，降溫服制冷系統(tǒng)的散熱效果對于系統(tǒng)的制冷性能具有決定性作用，良好的散熱可以顯著的提高制冷系統(tǒng)的制冷性能。

4 結(jié)論

1)在電源功率為100 W、環(huán)境溫度為30 ℃的情況下，半導(dǎo)體降溫服制冷功率達(dá)到340.4 W，COP為3.4，制冷板出水溫度在15.7 ℃左右。

2)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境溫度對降溫服的降溫性能有顯著影響，環(huán)境溫度由30 ℃上升至35 ℃時，散熱板熱水和制冷板出水溫度分別上升4.4，1.0 ℃。

3)雙面制冷系統(tǒng)有利于提高制冷功率，且其制冷性能受環(huán)境溫度波動影響更小。工況環(huán)境均為30 ℃的情況下，雙面制冷系統(tǒng)的冷水溫度比單面制冷低2.0～3.5 ℃，雙面制冷的COP是單面制冷的1.30倍。

4)通過冷凝器和熱循環(huán)可顯著地提高降溫服制冷系統(tǒng)的散熱性能。在僅使用翅片散熱的情況下，半導(dǎo)體散熱端熱量聚集，導(dǎo)致制冷功率降低，冷水溫度升高。在使用熱循環(huán)散熱后，散熱板和冷水溫度均顯著下降。

5)改善半導(dǎo)體降溫服散熱系統(tǒng)的散熱性能有望進(jìn)一步提高降溫服制冷性能。降溫服內(nèi)毛細(xì)金屬管路的吸熱降溫特征有待進(jìn)一步研究，以提高人體穿著降溫服時的熱舒適性。