一种半导体制冷水循环降温背心研发与设计

一种半导体制冷水循环降温背心研发与设计

李学妨,刘荣胜,陈仕骄

云南电网有限责任公司普洱供电局665099

摘要：半导体制冷系统能够在高电压下，根据所需的制冷制冷量，在不同环境下调节制冷制冷剂的流速和冷量，从而满足不同场合所需的制冷制冷量。目前，半导体制冷系统应用于低温制冷领域，目前主要应用于制冷机房、大型冷冻机组、汽车发动机冷却系统和冷藏设备。由于半导体制冷系统中用到的制冷剂不需制冷过程中释放出来就可以得到高效制冷制冷剂，并且使用半导体制冷系统能大大提高制冷效果与降低能耗，因此越来越受到低温制冷领域应用人员和相关技术人员的重视。相比传统制冷方式，半导体制冷系统能充分利用半导体制冷剂的高低温特性来产生高效制冷剂冷凝器中的冷凝水，实现循环制冷，节省能源及环境成本等效果。本文介绍了半导体制冷系统与传统制冷方式之间的区别和优缺点。结合现有应用案例和制冷技术现状，总结了半导体制冷系统与传统制冷技术的优缺点，并提出了相应工艺参数及其优化方案[1]。

关键词：半导体制冷；水循环降温背心；研发与设计

引言：循环制冷背心是以半导体制冷剂为制冷介质，将半导体制冷剂制冷制取热量传导至人体内，进而使人体产生冷感，最终达到降低人体温度的目的，从而达到降温的目的。由于该背心具有散热和循环换气三个功能，因此可实现多循环使用（循环制冷）、节能效果明显；由于是利用低温（-30℃）制冷，其成本低至0.1元/kWh以下，应用广泛。

1、引言

低温制冷是在低温条件下，将低温制冷剂制冷转化为高温制冷剂，通过一定的传递方式将高温材料中不饱和的水蒸气转化为低温制冷剂并回收其中低温材料中不饱和组分，从而实现室温下降低功耗、提高舒适度和节能减排效果。根据制冷原理不同分为三大类：直接式制冷、间接式制冷以及混合型制冷。目前多为直接式制冷，主要用于冰箱，冷库等大型冷冻机组；间接式制冷是一种特殊制冷模式，它是将制冷剂直接导入制冷机房并通过循环降温将其转化为温度较低的低品位冷媒后排放到大气中；混合型制冷是指混合制冷方式与单级蒸发式制冷机房相比具有很大不同。相对于直接式和间接式两种制冷形式来说，半导体蒸发式、间接式等一系列新型热泵制冷形式凭借其高效节能环保、性能稳定等特点已在全球范围内得到广泛应用和研究关注。由于半导体蒸发式制冷系统是直接利用半导体制冷剂制冷转化为高温物质而达到控制温度效果的制冷方式，因此具有节能环保、操作方便快捷等优点。

2、制冷技术现状分析

对于传统意义上制冷技术而言，其存在着诸多不足。一是制冷过程复杂而耗费资源大量；二是传统制冷主要是采用高压容器蒸发器进行制冷；三是传统制冷方式中由于制冷原理不同将产生不同的冷凝水。而半导体制冷系统因为采用了新型电子材料和超高速运算器，使半导体中含有大量电子和空穴等离子体以高达10^10^15^−15 MHz的高速运动状态发生反应形成稳定的电子-空穴复合体。因而无论在冷却能力还是制冷效果上都具有十分显著且广泛的优势。

3、半导体制冷技术优势与发展

半导体制冷技术能够在极低的温度下，以极高的功率输出制冷剂产生热，从而实现制冷制冷剂向外界的直接传热。半导体制冷系统的工作原理是：由半导体制冷系统产生的半导体制冷剂经过冷却后，通过冷凝器内换热板释放出热量。将热量以固态形式从固体材料内转移到半导体材料中去，从而达到降温和回收的目的。相比传统制冷技术所需使用的制冷剂，其制冷效率较高，更易实现循环制冷；因为直接接触低温环境与高温蒸发器相结合，因此可以实现快速制冷；因为没有额外耗电以及不产生环境污染问题，因此能有效降低能源消耗、节能减排以及环境保护。相比传统制冷方式，其优势在于不仅能够提升制冷效率并降低能耗，还可实现零排放。

4、系统性能指标

根据实际使用情况，对面料进行了改进，选用耐紫外线和耐老化的聚酯纤维、无纺织物等作为材料的基础，有效提升了循环制冷性能，降低了成本。本设计采用的半导体制冷剂采用氟里昂和氯氟烃混合物制冷剂，见表1。根据实际测试结果表明，循环制冷背心的性能稳定、高效、低能耗，可多次循环使用、循环制冷效率高等特点。其温度为-30℃以下，工作温度范围10~36 cm时温差达到-25℃以下（不含)*度。经测试表明此穿着在35℃时，系统具有明显的“冰点”。因此可选择硅制冷剂制成。采用单颗粒SCFC-6制冷剂。通过实验测量可知：循环制冷背心的制冷能力约为3000 h;制冷效率可达99.6%,是半导体制冷剂制热性能最好的一种。由于采用了半导体制冷剂作为制冷介质与空气混合形成冷凝液后传热到体内并制冷制取热量传导至人体内，从而达到降温的目的.因此本产品为非制冷、多循环使用、节能效果明显、且具有绿色环保等特点。本设计为提高产品性能、节能降耗提供了技术支持。本设计具有良好的热性能(-20℃以下制冷效果明显、热损失低）和安全性。并且循环制冷效率高、使用成本低且具有良好的环境保护和资源节约利用价值。其关键技术指标如下表1所示：热阻: R=(R*T1+ R)/(R+ P)×100%%其中: R表示热阻, S表示低温时制冷效率; P表示制冷速率，单位: J/m∙ h; L表示制冷温度下制冷能力，单位为° C/min。当制冷效率大于80%时，采用半导体制冷剂制能量达0 MW/h;当制冷效率为80%（不含）时采用半导体制冷技术进行降温；制冷效率为80%;制冷速度大于22℃；循环使用一次时间不超过20 min;循环制冷时长为1 h左右。

5、主要技术内容

循环制冷背心主要是将半导体制冷剂放入到循环制冷装置内进行制冷，从而达到降低人体温度，从而达到降温的目的。目前半导体制冷剂主要有两种，即R290、R22。在制冷过程中不会对环境造成污染，并不会使人体产生冷感。当人体接触到这种制冷剂后，感觉是比较冷却的这一过程就叫冷效应，当人体感受到温度降低后，就会产生冷感，会使人产生凉爽的感觉；而当人感觉到冷时，就会产生冷感。这种冷感的产生是由于人体散发出一种由远及近的冷气流引起的。由于这种冷气流速度很慢而且冷到极处时会有一种类似冰融化的感觉。人感到舒适之后将会感觉到一种自然温暖、舒适、放松、神清气爽[2]。

6、制冷系统的特点

半导体制冷系统主要由温度传感器、高压泵、低温蒸发器等组成，该制冷系统内部设备可分为压缩机、冷凝器、传热材料等。当半导体制冷系统中的制冷剂在低温状态下被压缩机抽真空，被压缩气体从真空泵抽吸，经过低压泵（压缩机）进入管道中与冷凝水接触而制冰，将其低温状态下存储在储罐中，并且在低温环境下进行循环降温。一般来说，传统制冷系统中存在着制冷装置的布置方式不合理，导致低温设备周围环境温度很高，同时在整个制冷过程中会对周围环境产生较大影响，因此增加设备成本与维护成本。而半导体冷却技术在设计时可考虑采用集中空调和循环风扇两种方式实现对低温设备的循环降温冷却循环技术。其中，集中空调控制器管理整个系统工作和运行中产生的冷量。由集低温压缩机、空调控制器、冷却循环风扇等组成。当低温环境下出现气温骤降时设备自动开启循环风扇以保证空调室内温度不会低于5℃；当气温上升时系统自动关闭循环风机来保证空调室外空气温度不会超过30℃；当气温较低时系统自动开启循环风扇以保证室内湿度满足标准要求。

7、结论

半导体制冷系统由于其具有绿色节能、环保安全、无泄漏、无污染、无辐射等优点，正成为未来绿色制冷主流的技术路线之一。半导体制冷剂作为一种绿色节能环保的制冷材料，在许多领域得到了广泛应用。但相比传统制冷方式，半导体制冷系统也存在一定缺点，如运行成本高、消耗能源高、产生的废物多等，因此在实际生产和应用过程中都存在一定局限性。为了解决这一问题，需要在系统设计上下功夫，以减少系统运行成本和资源浪费。本文通过设计一种半导体制冷水循环降温背心来实现对整个循环系统中制冷后的废热进行回收利用。从功能上分析出该半导体冷却背心具有更高的制冷量和更高的出水量。在实际生产中能节约出更多电量和资源，并能更好地保护环境。

参考文献：

[1]王晗, 邓昱铭, 李范,等. 一种新型半导体制冷水杯的设计与性能研究[J]. 电子技术（上海）, 2018, 47(9):6.

[2]王太峰, 欧阳新萍. 一种新型半导体制冷保温容器核心部件的设计[J]. 制冷, 2006, 25(3):4.