一種開(kāi)放式冷熱箱的研制

摘要：半導(dǎo)體制冷技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)受到了業(yè)界廣泛關(guān)注，隨著材料和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體制冷的功耗問(wèn)題得到了解決，此后該項(xiàng)技術(shù)被廣泛用于冷熱箱類產(chǎn)品。鑒于此，結(jié)合市場(chǎng)需求，對(duì)現(xiàn)有一款常用的開(kāi)放式冷熱箱JCK-4進(jìn)行改進(jìn)研發(fā)，基于半導(dǎo)體制冷原理研發(fā)出一款參數(shù)合格且符合市場(chǎng)需求的JCK-4B型開(kāi)放式冷熱箱。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷技術(shù)；開(kāi)放式冷熱箱；產(chǎn)品研發(fā)

中圖分類號(hào)：TB657" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）21-0051-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.012

0" " 引言

熱電制冷和制熱現(xiàn)象即“珀耳帖效應(yīng)”于1834年被法國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，珀耳帖效應(yīng)的問(wèn)世催生了半導(dǎo)體制冷技術(shù)。起初該制冷技術(shù)由于功耗大、制冷效率過(guò)低而未被大量應(yīng)用于工業(yè)制造，但是該問(wèn)題隨著半導(dǎo)體和材料技術(shù)的不斷迭代發(fā)展已得到了很好的解決，因此半導(dǎo)體制冷技術(shù)開(kāi)始逐步投入實(shí)用，該項(xiàng)技術(shù)也是早期的冰箱、空調(diào)制冷技術(shù)的主要原理。雖然制冷技術(shù)又有了新的發(fā)展，但半導(dǎo)體制冷技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)仍然被廣泛應(yīng)用于小型冷熱箱的制造。市場(chǎng)上采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)研發(fā)的小型冷熱箱有許多，本文正是從實(shí)際市場(chǎng)調(diào)研出發(fā)，基于現(xiàn)有常用冷熱箱型號(hào)JCK-4重新設(shè)計(jì)電控、結(jié)構(gòu)等，研制一款新型的開(kāi)放式冷熱箱，滿足市場(chǎng)的需求[1]。

1" " 半導(dǎo)體制冷技術(shù)概述

1.1" " 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展

經(jīng)過(guò)調(diào)查分析可知，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)重要的階段：第一階段是溫差電流現(xiàn)象被珀耳帖所發(fā)現(xiàn)，業(yè)界基于此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)持續(xù)研究熱電制冷和熱電發(fā)電技術(shù)，但是由于材料的限制，熱電效應(yīng)較差，該項(xiàng)研究一直到20世紀(jì)50年代都因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換效率過(guò)低而無(wú)法滿足工業(yè)實(shí)用化的要求。這一限制直到20世紀(jì)80年代才得到突破，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料內(nèi)部熱電性能被蘇聯(lián)科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)，由此熱電效應(yīng)的效率獲得了突破性提高，基于半導(dǎo)體材料的熱電發(fā)電和熱電制冷技術(shù)逐步開(kāi)始工業(yè)實(shí)用化。20世紀(jì)80年代之后，基于半導(dǎo)體的熱電制冷性能的工業(yè)應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大[2]。

半導(dǎo)體制冷技術(shù)以其原理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及制冷效果良好的優(yōu)勢(shì)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛重視，基于該項(xiàng)原理的各類研究和應(yīng)用層出不窮。該技術(shù)首先在軍事領(lǐng)域被應(yīng)用，主要用于制冷激光器、光電倍增管和紅外探測(cè)器等器具。我國(guó)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)70年代，隨后10年逐步進(jìn)入產(chǎn)品研制階段，但初代產(chǎn)品以模仿國(guó)外為主，直至20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)了民用的小型便攜式冷熱箱、日化品專用的冷藏箱、高低溫測(cè)試設(shè)備等產(chǎn)品。接著半導(dǎo)體制冷技術(shù)被引入整個(gè)醫(yī)療保健領(lǐng)域。當(dāng)下，冷刀、冰帽、白內(nèi)障摘除器、雷達(dá)、衛(wèi)星和導(dǎo)彈等一系列產(chǎn)品中均有半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用。同時(shí)，半導(dǎo)體制冷技術(shù)也越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于高精密科學(xué)儀器。

1.2" " 半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理

塞貝克效應(yīng)、珀耳帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)和焦耳效應(yīng)等表明電能和熱能的轉(zhuǎn)換是可逆的，由此就可以利用這種可逆性來(lái)制冷。圖1所示為半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理圖。

圖1中，兩片陶瓷片組成一個(gè)單片制冷片，N型和P型的半導(dǎo)體材料串聯(lián)置于其間，當(dāng)直流電流流過(guò)電路時(shí)，能量隨之轉(zhuǎn)移，制冷端是由于直流電流從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體的接口會(huì)吸收熱量，制熱端是由于直流電流從P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體的接口會(huì)釋放熱量。直流電流的大小以及PN結(jié)的對(duì)數(shù)決定了吸收和釋放熱量的大小。因此，要達(dá)到較好的制冷、制熱效果，就要用到較大的電流和較多的PN結(jié)，反之亦然[3]。

2" " 開(kāi)放式冷熱箱的研制

2.1" " 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)如圖2所示，采用單片機(jī)作為中央處理器，設(shè)置輸入模塊用于選擇工作模式和其他參數(shù)，設(shè)置溫度采集模塊用于輸入反饋控溫，輸出模塊分為顯示、制熱、制冷三個(gè)部分。本次設(shè)計(jì)的中央處理器選用AT89C51單片機(jī)作為處理器，該款單片機(jī)價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定，包含定時(shí)器和計(jì)數(shù)器功能，有P1～P4四組端口可滿足本產(chǎn)品的電子控制需求。輸入模塊設(shè)置按鍵來(lái)調(diào)節(jié)功能參數(shù)，按鍵設(shè)計(jì)采用中斷模式執(zhí)行命令，保障模塊內(nèi)部的實(shí)時(shí)溫度預(yù)設(shè)值，從而能夠防止溫度讀取發(fā)生重復(fù)情況。溫度采集模塊采用DS18B20數(shù)字型溫度傳感器實(shí)現(xiàn)冷熱箱溫度的實(shí)時(shí)采集，該款溫度傳感器通過(guò)一根連接線就可以與單片機(jī)建立起雙向通信，且溫度采集范圍為-60～125 ℃，可以滿足冷熱箱的溫控條件。顯示模塊采用LM2581液晶顯示屏，其能通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且輸出顯示更加友好，能夠滿足正常使用要求。制冷模塊采用單片機(jī)控制三極管的方式進(jìn)行。散熱模塊采用風(fēng)冷散熱方式。本產(chǎn)品即JCK-4B型開(kāi)放式冷熱箱的燈板位置調(diào)整至箱內(nèi)后方，且為了滿足空間設(shè)計(jì)要求，新開(kāi)220 V電源板，芯片更改為4 mm厚的12706型，散熱風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速改為2 500 r/min。

2.2" " 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3所示為本產(chǎn)品的軟件設(shè)計(jì)流程圖，冷熱箱啟動(dòng)后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入正常的工作模式，此時(shí)可以根據(jù)需求通過(guò)按鍵設(shè)置一個(gè)想要的溫度T，此時(shí)液晶顯示屏?xí)敵瞿繕?biāo)溫度T和實(shí)際溫度t，其中實(shí)際溫度t是通過(guò)單片機(jī)發(fā)送指令至溫度采集模塊，即DS18B20數(shù)字型溫度傳感后反饋所得，如果實(shí)際溫度大于目標(biāo)溫度即tgt;T，則通過(guò)指令判斷為制冷模式，相反，如果實(shí)際溫度小于目標(biāo)溫度即tlt;T，則通過(guò)指令判斷為制熱模式。

2.3" " 冷熱箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研確定本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)要求如下：箱體采用發(fā)裸泡結(jié)構(gòu)，中間區(qū)域透明，外部可見(jiàn)箱內(nèi)酒瓶；箱內(nèi)上后方帶LED照明燈；滿足直徑105 mm酒瓶頂部開(kāi)口任意放入的要求。因此，本品即JCK-4B型開(kāi)放式冷熱箱的外觀設(shè)計(jì)如圖4所示，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求并參考JCK-4型結(jié)構(gòu)，本品將JCK-4型上蓋的4個(gè)圓孔改成一個(gè)長(zhǎng)方形孔，然后用一體長(zhǎng)方形硅膠墊固定酒瓶，新開(kāi)硅膠墊支架，并重新設(shè)計(jì)內(nèi)上蓋、內(nèi)下蓋、上蓋、鋁板等零件尺寸參數(shù)。同時(shí)，為了增加本產(chǎn)品整體寬度、深度，重新設(shè)計(jì)左側(cè)板、右側(cè)板、底座。

最終設(shè)計(jì)得到本品各項(xiàng)模件的結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖5所示。

3" " 開(kāi)放式冷熱箱的性能測(cè)試

根據(jù)市場(chǎng)需求，JCK-4B型開(kāi)放式冷熱箱的技術(shù)參數(shù)如下：

容積：9.6 L（調(diào)研可知多數(shù)客戶要求小于10 L）；溫控范圍：5～18 ℃；制冷性能：最大溫差gt;18 ℃（環(huán)境溫度32 ℃）；輸入功率：60×（1±10%）W（25 ℃環(huán)境溫度情況下）；氣候類型：SN/N；噪聲≤38 dB（A）（按GB/T 4214.1—2000規(guī)定方法測(cè)試）；最大外形尺寸（寬×深×高）：502 mm×271 mm×260 mm。

本品根據(jù)上述要求進(jìn)行軟硬件及結(jié)構(gòu)方面的重新設(shè)計(jì)，試制樣品出來(lái)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)檢查，以確保產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)達(dá)標(biāo)。

溫控測(cè)試：在環(huán)境溫度（25±1）℃條件下將JCK-4B型開(kāi)放式冷熱箱樣機(jī)空載，輸入AC220 V/50 Hz電源，溫控板分別設(shè)定最低（5 ℃）和最高（18 ℃）溫度，各測(cè)試3 h，記錄通電2 h樣機(jī)的功率，記錄箱內(nèi)溫度及環(huán)境溫度。溫度探頭布點(diǎn)要求：左、中、右三個(gè)點(diǎn)，中心冷壁向下200 mm處（水平方向：距離桶內(nèi)后壁20～40 mm的箱內(nèi)空中位置）測(cè)試結(jié)果合格。

制冷深度測(cè)試：在環(huán)境溫度（25±1）℃條件下將JCK-4B型開(kāi)放式冷熱箱樣機(jī)空載，輸入AC110 V/60 Hz電源，短接溫控不控溫，通電測(cè)試5 h，記錄箱內(nèi)左、中、右三點(diǎn)溫度及冷鋁中心表面溫度。溫度探頭布點(diǎn)要求：左、中、右三個(gè)點(diǎn)，中心冷壁向下200 mm處（水平方向：距離桶內(nèi)后壁20～40 mm的箱內(nèi)空中位置）及冷鋁中心表面。測(cè)試結(jié)果顯示，冷熱箱制冷深度達(dá)到要求。

度量測(cè)試及噪聲測(cè)試：測(cè)試產(chǎn)品整體外形尺寸為502 mm×271 mm×260 mm，容積為9.46 L，均滿足要求；測(cè)試噪聲為29 dB（A），也滿足要求。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

本文首先引入半導(dǎo)體制冷技術(shù)的概念并詳細(xì)闡述了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況，然后指明本產(chǎn)品JCK-4B型開(kāi)放式冷熱箱正是該項(xiàng)技術(shù)的一種常見(jiàn)應(yīng)用方式；接著從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等三個(gè)方面介紹了本產(chǎn)品的研制方案，并成功研制出JCK-4B型開(kāi)放式冷熱箱樣機(jī)；最后針對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果顯示，本次研發(fā)產(chǎn)品JCK-4B型開(kāi)放式冷熱箱的各項(xiàng)參數(shù)均滿足要求。

[參考文獻(xiàn)]

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[3] 陳光輝，袁保合.基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的小型冷熱箱設(shè)計(jì)[J].信息記錄材料，2017，18（9）：103-104.

收稿日期：2024-07-05

作者簡(jiǎn)介：黃志鵬（1996—），男，廣東云浮人，助理工程師，研究方向：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。