野战低温冷藏箱的设计研究

王星星 朱兴喜 汤黎明 于春华*

近年来，自然灾害和战争的频发，出血性伤亡及病毒性感染等事件不断发生，对于必要的血液、血制品或者新型疑似病毒如何进行转运，需要对冷藏装置进行设计研制。尽管目前市场上已经出现了部分冷藏车和冷藏箱，但因其价格高、体积大，不便在灾后或野战救治过程中使用。为解决这一问题，提出设计一种大小适中、方便携行、效率高、冷藏时间较长，同时可满足灾后及野战中使用的野战低温冷藏箱，用于灾后及野战救治过程中转移运送血制品或疑似病毒。

1 设计思路与原理

根据灾害、野外战争等特殊环境中的使用需求，所研制的野战低温冷藏箱体积大小应适中、重量要轻且方便携行，因此不宜使用体积大而笨重的机械制冷装置。而半导体制冷技术经过数十年的研究，技术已经趋于成熟。同时，半导体制冷片以其结构简单、尺寸小、低噪声、无磨损、寿命长、控制灵活以及无污染等优点，成为研制野战低温冷藏箱的首选材料[1]。

半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，它是一种基于珀尔帖效应的制冷技术。1834年，珀尔帖在电流通过两种不同导体的接头时，接头上有热量Q的吸收或放出，从而确定了珀尔帖效应的存在。1838年，楞次在金属铋和金属锑的接合处的凹下部分放进一滴水，当从某一方向上通过电流时，水就结冰；而当反方向的电流通过时，冰就融化。楞次用这个简单的实验证明了珀尔帖效应的正确性，也为珀尔帖效应在今后的实际应用展示了可能的前景[2]。

2 基本结构

为了便于研制，将野战低温冷藏箱的设计分为制冷部分、散热部分、电源部分和箱体及保温材料等4部分。

2.1 制冷部分

尽管半导体的珀尔帖效应要比金属的珀尔帖效应明显很多，但是在制冷时其效率依然很低，损耗很大[3-4]。半导体制冷片的制冷效果与其冷热两端的温差有关，在温差一定的情况下，热端的温度越低，冷端的温度也就越低，制冷效果就越好[5]。因此，采用TES1-12708半导体制冷片做制冷元件，热端温度分别为25 ℃、50 ℃时TES1-12708的性能参数见表1和表2。

表1 热端温度25 ℃时TES1-12708性能参数

表2 热端温度50℃时TES1-12708性能参数

由表1、表2可知，使用TES1-12708做制冷元件时，即便热端温度高达50 ℃时，其冷端的温度也在零度以下，为－25 ℃，仍可保证其制冷效果。但是为了能够达到更好的制冷效果，将半导体制冷片的热端紧贴在水箱的一面上散热，以水冷的方式保证散热片热端的温度保持在50 ℃以下，从而保证TES1-12708型半导体制冷片的制冷效果[6-8]。

2.2 散热部分

由于半导体制冷片在工作过程中的热端工作效率较高，产生的热量较多，因此普通的空气散热效果很差。

公式1中∶Q为吸收的热量，m为物质的质量，c为物质的比热，T2为物质吸收Q热量后的温度，T1为物质的初始温度。

在制冷片产生同等热量的情况下，由于水的比热要比空气的比热大的多，因此等质量的水的温度变化比空气小很多，可较长时间稳定在一定范围之内。因此用水冷的散热方式可以较长时间的保证散热效果，降低制冷片的热端温度，进而提高制冷效果[9-13]。

当半导体制冷片工作后，热端产生的热量被水吸收，水的温度会慢慢升高，因此需要设计一个循环回路来给水散热，水箱里的水通过循环回路到散热片，经过降温处理后再回流到水箱中。这种设计可保证在半导体制冷片长时间工作的情况下，水箱内有源源不断的冷却水注入，确保水箱内水的温度都能尽可能的与外界环境温度相接近，因此用这种循环的水冷方式来给半导体制冷片散热可保证半导体制冷片的热端的温度变化很小，温度不会过高，从而保证半导体制冷片的冷端的制冷效果。水冷装置如图1所示。

图1 水冷装置示意图

水冷装置包括水箱、微型水泵、散热管以及风扇等几个部分；水箱为250 mm×200 mm×10 mm的立方体，其作用是利用水来给制冷片的热端散热。水箱的一面与半导体制冷片的热端紧贴，之间以导热胶连接。水箱的上端有一进水口，冷却后的水经此口循环流入水箱；水箱的下部有一出水口，微型水泵通过此口将水泵到散热管上，经风扇冷却后再回流入水箱，形成一个循环。水箱侧面下部有一注水口，注水口通过一根L型导管连接到箱体外部，当水箱内的水面低于半导体制冷片上部边沿时，需通过注水口向水箱内加水，以确保不会烧坏制冷片。微型水泵的一端与水箱的进水口相连，另一端与散热管的一端相连，其作用是提供水路循环的动力，将水箱内的水泵到散热片上，散热后再将水泵回水箱。散热管采用内径为0.5 mm的铜管，铜管弯曲成如图1所示的曲管，通过增加水流路径的方式增加散热面积和散热时间。采用DC12 V，0.21 A的直流风扇紧靠散热管为水散热。这种以水箱为制冷片热端散热、风扇为水散热的双重循环散热结构能有效降低制冷片热端温度，保证制冷效果。

2.3 电源部分

由于野战及灾后易发生电力中断等情况，为了保证野战低温冷藏箱可在此环境下使用，其电源的设计分为两个部分∶

(1)DC/DC逆变电源，适用于因电力中断或车载行进过程中的蓄电池供电方式，可将12～24 V电压转换稳定的12 V直流电压，这部分电源经过逆变、降压、整流等步骤确保将12～24 V范围内的电压转换为12 V稳定输出，这部分电源安装于野战低温冷藏箱内，有效满足TES1-12708型半导体制冷片、散热风扇以及微型水泵的供电需求[14]。

(2)AC/DC高频开关电源，可将220市电转换为稳定的24 V直流电源，该部分电源经过整流、逆变、二次整流等步骤确保不论市电处于峰值还是谷值都可稳定输出24 V电压，这部分电源为独立的封装，不安装于野战低温冷藏箱内，只在有市电供应的范围内使用，其输出可通过电源接口与DC/DC逆变电源输入端相连[6]。

这种分开的电源设计能保证野战低温冷藏箱既可使用车载电平供电，也可使用市电供电，有效拓宽了野战低温冷藏箱的使用范围。

2.4 箱体与保温材料

为满足野战环境下的便携与存储要求，野战低温冷藏箱的箱体采用350 mm×250 mm×250 mm的塑料箱，有效容积为12.5 L，能有效满足野战及灾后救治过程中对血制品、人体器官、疑似病毒的转运需求。冷藏箱箱壁分内外两层，中间填充复合型酚醛发泡材料，这种发泡材料具有导热系数低、隔热效果好、防燃防水等优点，是作为保温材料的不二选择[15]。

3 结论

该野战低温冷藏箱无污染、低噪声、质量轻，双重散热的水冷设计能有效降低制冷片热端的温度，保证制冷片的制冷效果；箱内容积较小，因此只需很短的时间即可达到制冷需求，制冷速度快；以复合型酚醛材料做保温材料，且箱体密封设计，确保冷藏箱保温时间长。分离式的电源设计保证冷藏箱即可使用蓄电池供电，也可使用市电供电，可有效满足野战或灾后电源短缺环境下和车载转运过程中的使用需求；野战低温冷藏箱能为救治出血性疾病患者或疑似病毒的转运研究提供帮助，为国家减少经济损失和人才损失，这些都是其他制冷设备所不能代替的。

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