一種循環(huán)水冷式半導(dǎo)體制冷箱的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張雨浩 李權(quán) 何仁旺 劉天健 陳佳輝

1.江西理工大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院 江西南昌 330013； 2.江西理工大學(xué)軟件工程學(xué)院 江西南昌 330013

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，人們對生態(tài)環(huán)境的要求也越來越高。在制冷領(lǐng)域，現(xiàn)有的制冷設(shè)備多是通過使用壓縮機(jī)、制冷劑等來實(shí)現(xiàn)制冷，易對環(huán)境造成污染。近年來半導(dǎo)體制冷方式以其無污染、噪聲小、壽命長、制冷響應(yīng)快等優(yōu)勢得到了快速發(fā)展。半導(dǎo)體制冷是一種新型的制冷技術(shù)，主要是帕爾帖效應(yīng)在制冷技術(shù)上的應(yīng)用[1]。如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到軍事裝備、醫(yī)療衛(wèi)生、智能生活、航空航天及科研等領(lǐng)域[2]。

半導(dǎo)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(dǎo)體制冷器熱端的散熱效率是半導(dǎo)體制冷的關(guān)鍵。半導(dǎo)體制冷的散熱方式有很多：空氣自然對流、空氣強(qiáng)制對流散熱、環(huán)流散熱、利用物質(zhì)的溶化潛熱散熱、熱管以及水冷散熱傳熱等[3]。本文通過設(shè)計風(fēng)冷、水冷結(jié)合的循環(huán)水冷式散熱系統(tǒng)和基于DS18B20的溫控系統(tǒng)，逐步完成了半導(dǎo)體制冷箱的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，并通過實(shí)驗(yàn)探究了水溫、水容量對半導(dǎo)體制冷箱制冷效率的影響。

1 工作原理

如圖1所示，半導(dǎo)體制冷器是基于N型和P型半導(dǎo)體特性，通過在N型和P型半導(dǎo)體材料聯(lián)合形成的熱電偶上通以直流電流來實(shí)現(xiàn)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(fù)極出發(fā)，首先經(jīng)過P型半導(dǎo)體，于此吸收熱量，到了N型半導(dǎo)體，又將熱量放出，每經(jīng)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(dǎo)體自身存在電阻，當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時就會產(chǎn)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(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達(dá)到一個平衡點(diǎn)，正逆向熱傳遞相互抵消，此時冷熱端的溫度就不會繼續(xù)發(fā)生變化。

圖1 半導(dǎo)體制冷器工作原理圖

2 設(shè)計方案

2.1 整體設(shè)計方案

裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個裝置由制冷箱、冷排、水箱組成，通過導(dǎo)管進(jìn)行連接。制冷器安裝在制冷箱中，通過外接12V穩(wěn)壓電源對其進(jìn)行供電，制冷器冷端外接散熱鰭片，用于導(dǎo)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(qū)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(chǎn)熱，水箱中的水在水泵的作用下通過導(dǎo)管流經(jīng)制冷器的熱端，帶走熱端產(chǎn)生的熱量，然后通過導(dǎo)管流經(jīng)冷排做進(jìn)一步散熱，最后回到水箱中供下次循環(huán)使用。

圖2 制冷箱整體設(shè)計方案圖

2.2 制冷箱的設(shè)計

經(jīng)過前期設(shè)計對比與綜合分析，設(shè)計的制冷箱如圖3所示。制冷箱外觀尺寸設(shè)計為35cm×50cm×35cm，結(jié)構(gòu)類似于小型冰箱。制冷箱內(nèi)部裝有溫度傳感器，用于實(shí)時檢測箱體內(nèi)的溫度。箱體側(cè)面開有40mm×40mm的孔用于放置溫控器。溫控器與箱體內(nèi)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(dǎo)體制冷器布置在箱內(nèi)頂部中心位置上，可使得溫度分布效果最佳，布置在后側(cè)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(dǎo)管安裝在箱體外部，令升溫后水的熱量被外部環(huán)境所吸收。

圖3 制冷箱設(shè)計圖

2.3 制冷器的設(shè)計

制冷器的整體設(shè)計如圖4所示，藍(lán)色部分為水冷頭，半導(dǎo)體制冷片的熱端通過導(dǎo)熱硅脂與水冷頭連接，冷端與風(fēng)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(jīng)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(jīng)過冷排回流到水箱中。此時冷端正源源不斷地制冷，風(fēng)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(shè)計圖

2.4 溫控系統(tǒng)的設(shè)計

整個溫控系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心器件，配合電阻電容晶振等器件，構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。外接溫度傳感器模塊、繼電器模塊、按鍵模塊、LED數(shù)碼管以及電池如圖5所示。

圖5 溫控系統(tǒng)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(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，其溫度感應(yīng)范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)誤差為±0.4℃，適用于制冷箱的溫度檢測，其由單片機(jī)直接供電，會將感應(yīng)到的溫度通過A/D轉(zhuǎn)換為16位二進(jìn)制溫度數(shù)值返回給單片機(jī)。顯示設(shè)備采用4位共陰數(shù)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(jìn)行溫控值的設(shè)置，通過單片機(jī)的三個I/O來讀取按鍵按下時產(chǎn)生的低電平，讀取到對應(yīng)數(shù)值后根據(jù)內(nèi)部編寫程序來完成溫度設(shè)置的功能。同時繼電器一端通過I/O連接單片機(jī)，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(guān)的作用，電源開關(guān)由銜鐵構(gòu)成，繼電器通過單片機(jī)提供的控制信號產(chǎn)生電磁效應(yīng)，從而將開關(guān)拉向繼電器的鐵芯，實(shí)現(xiàn)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(nèi)[5]。

3 設(shè)備的制冷性能測試

3.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

根據(jù)水容量、水溫度的不同設(shè)計了6組實(shí)驗(yàn)。通過溫度傳感器測量制冷箱內(nèi)表面溫度和水箱溫度隨時間變化情況。根據(jù)下表所示的實(shí)驗(yàn)變量分析水容量、水初始溫度對制冷的影響?？梢杂肁、B兩個字母分別表示6組不同實(shí)驗(yàn)的兩個實(shí)驗(yàn)變量。則6組實(shí)驗(yàn)依次為A1B1、A1B2、A1B3、A2B1、A2B2、A2B3、A3B1、A3B2、A3B3。

實(shí)驗(yàn)因素水平表

3.2 制冷箱溫度變化

制冷箱內(nèi)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(shí)驗(yàn)條件為水容量6L，水溫17℃。這表明制冷片熱端的產(chǎn)熱能實(shí)時被水箱中的水吸收，從而提高制冷效率。當(dāng)水溫度趨于38℃時，制冷箱的溫度幾乎沒有發(fā)生變化，這表明制冷片熱端的產(chǎn)熱已經(jīng)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(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(jié)語

本文通過設(shè)計制冷箱、制冷器、溫控器逐步完成了循環(huán)水冷式半導(dǎo)體制冷箱的初步設(shè)計，并通過實(shí)驗(yàn)研究了水初始溫度和水箱容量對制冷效率的影響。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體制冷箱的應(yīng)用中，應(yīng)盡可能保證水箱中水的溫度較低，并控制其在循環(huán)過程中溫度的升高，以此提高半導(dǎo)體制冷箱的制冷性能[6]。