便携式半导体可控温冰箱的研制与应用

便携式半导体可控温冰箱的研制与应用

张博强王勇宋奎希

（哈尔滨石油学院石油工程学院，黑龙江省哈尔滨市150000）

国家级创业训练项目:《便携式半导体可控温冰箱》（201813299004）

摘要：随着家庭生活品质的提高，冰箱早已成为了家庭生活的必备品。然市场上的冰箱主要面对的家庭，虽功率大，但其体积也庞大、笨重且不易移动，外出使用不便，很难实现随身携带的目的。笔者所在小组研制的半导体可控温冰箱主要由箱体、制冷装置、控制装置部分组成。半导体可控温冰箱箱体设计制造时，将其壳体由内向外分为4层：钢板、防潮层、隔热层、护板。其制冷装置由以下几个部分组成，箱内吸热装置、箱外散热装置、处于吸热装置和放热装置之间的半导体制冷片、开关电源装置。该小冰箱实现了能耗小、体积小的特点，关键是在功能上也保全市场上冰箱应有的功能，真正实现便携式、可控温功能的小冰箱。

市场上冰箱主要面对的是家庭，冰箱体积偏大，功率偏大如果外出有事需要用到冰箱，很难实现随身携带的目的。笔者所在小组打算做出一款能耗小，体积小，关键是能够携带方便的一款小型冰箱，功能要齐全市场上冰箱有的功能，我们也应该有。

半导体制冷研究现状

半导体制冷装置中含有多块热电堆，包括分别装有散热片的一个冷端和一个热端，冷端置于冰箱体内，热端置于箱体之外。由于半导体的帕尔帖效应，热端处，通过半导体接头处的电流方向是由P型结到N型结，温度上升并向外释放热量;冷端处，通过半导体接头处的电流方向是由N型结到P型结，箱体内温度下降并吸收热低，使食品等在箱体内达到冷藏保鲜的目的。

（1）尽管热电制冷与蒸汽压缩制冷相比具有许多优点，但仍然存在着制冷效率低，制冷温差小等不足。从电冰箱商品化应用的角度来看，仍然面临困置难，低效率、高成本严重地阻碍了半导体电冰箱的产业化发展;其中最主要的原因有两个：

①是缺少热更好的热电制冷材料，

②是冰箱热端的散热方式有冰待改善。

（2）半导体制冷与采用制冷剂传递能量的蒸汽压缩式制冷装置有明显的不同，热电制冷靠电子和空穴在运动中吉接传输能量而制冷。表1从能量供应、能最传输、能量接收及介质转换儿个方面对热电制冷与压缩制冷方式进行了对比:

表1热电制冷与压缩制冷方式对比制冷方式

热电制冷

蒸汽压缩制冷

电源一热电偶

电动机一压缩机

能量传输

电子一空穴(导线)

制冷剂(管道)

热端散热器

冷凝器

冷端吸热片

蒸发器

介质转换

1、便携式半导体可控温冰箱制作过程存在的问题

从电冰箱商品化应用的角度来看，仍然面临困置难，低效率、高成本严重地阻碍了半导体电冰箱的产业化发展;其中最主要的原因有两个:

一是缺少热更好的热电制冷材料，

二是冰箱热端的散热方式有冰待改善。

冰箱制冷主要元件是半导体，而半导体制冷器属电子物理制冷，根本不用制冷工质和机械运动部件，从而彻底解决了介质污染和机械振动等机械制冷冰箱所无法解决的应用问题，并在小容量低温冷藏箱方面具有更加显著的节能特性极具开发推广价值。

半导体电子制冷又称热电制冷，或者温差电制冷，它是利用"帕尔帖效应"的一种制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。

"帕尔帖效应"的物理原理为：电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，就会释放出多余的热量。反之，就需要从外界吸收热量（即表现为制冷）所以，"半导体电子制冷"的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级差，即热电势差。纯金属的导电导热性能好，但制冷效率极低（不到1%）。半导体材料具有极高的热电势，可以成功的用来做小型的热电制冷器。

2、便携式半导体可控温冰箱架构

经过多次实验，发现：P型半导体（Bi2Te3-Sb2Te3）和N型半导体(Bi2Te3-Bi2Se3)的热电势差最大，应用中能够在冷接点处表现出明显制冷效果。

电子冰箱简单结构为：将P型半导体，N型半导体，以及铜板，铜导线连成一个回路，铜板和导线只起导电作用，回路由12V直流电供电，接通电流后，一个接点变冷（冰箱内部），另一个接头散热（冰箱后面散热器）。

优点：

（1）无机械传动部件，无磨损，无噪音，寿命长。

（2）无需制冷剂制冷（压缩式和吸收式都需要），绝对环保。

（3）效率高，耗电量低（在100W以下，耗电量只有压缩式和吸收式的一半）。

（4）因为使用制冷片制冷，所以半导体可控温冰箱可以做到任意大小，甚至有用usb接口供电的usb冰箱出现。

3、便携式半导体可控温冰箱硬件设计、制作与安装

（1）冰箱整体结构

我们小组设计的半导体小型冰箱是由保温箱，箱体内胆，制冷片，换热系统（风冷），温度显示，稳压电源。

（2）箱体选材与制作

保温冰箱的材质选择：选用聚苯乙烯泡沫板（又叫泡沫板），是由含有挥发性液体发泡剂的可发性聚苯乙烯珠粒，经加热预发后在模具中加热成型的白色物体,其有微细闭孔的结构特点,主要用于建筑墙体,屋面保温，复合板保温，冷库、空调、车辆、船舶的保温隔热，地板采暖，装潢雕刻等用途非常广泛。我们小组所选择的是一个大约6L的箱体如图所示。长20cm、宽30cm、高10cm。

（3）制冷装置安装

1）首先确定制冷片的规格，我们小组采购的是TEC1-19006型号的双层制冷片。（半导体制冷器在通电的情况下，两端极板会产生一定的温差，人们正是利用它的冷凝面为物体提供一个低温环境、发热面提供热源能量。倒是效果非常明显，使用极其方便）。

2）制作制冷装置所需材料：

①控温器1个、温度计1个

②器件固定胶件2个

③散热器1个、散热风扇4个

④风扇网架4个

⑤导冷模块1个

⑥半导体制冷片TEC1-190061个、硅脂1管

⑦螺丝钉，螺帽若干

3）在安装制冷片之前，首先要最好准备一点导热硅脂，然后，找一节干电池，接在制冷器两根引线上，就可感到一端明显发凉而另一端发热，记住引线的极性并确定好制冷器的冷、热端。组装制冷传导部分，一定要先组装这一部分，在将器件固定胶件安装在箱子上，否则先安装了器件固定胶件在箱子上就不方便安装导冷风扇了。

4）温控器与温度计的安装

在箱子掏出一个10*5cm的小口，把温度计紧密贴合小口，镶嵌进去。温控器同理。

（4）组装

整机调试与安装调试所有步骤，密闭冰箱，开电源半小时后，看温度计温度指示，看温度是否有明显降温，如果降温明显，则说明冰箱运行正常，制作完工。若否，则一步步排除故障，直至冰箱正常运行。

参考文献

[1]汤军,张念晨,万明帅.面向合租人群的冰箱设计探索[J].设计艺术研究,2018,8(02):70-73+85.

[2]于昊.面对变局,冰箱业上演《白天不懂夜的黑》[J].电器,2016(11):22-23.

[3]张建一.星级饭店客房冰箱应用的节能分析[J].饭店现代化,2013(08):64-66.