USB端口驱动半导体制冷制热能效研究

王 巍 郑大宇 薛廉政 周 欣 马安娜 崔增燕哈尔滨商业大学英才学院，黑龙江 哈尔滨 150028

USB端口驱动半导体制冷制热能效研究

王 巍 郑大宇 薛廉政 周 欣 马安娜 崔增燕哈尔滨商业大学英才学院，黑龙江 哈尔滨 150028

近年来,半导体制冷技术在很多领域上得到飞速发展,使其独特地优越性及广泛地适用性越发突出。特别在各种冷藏用制冷装置中,节能环保、占用空间小、无噪音、无污染的半导体冷藏设备正日益引起人们的重视。因此,在基于环保的背景下,研究如何在有限地空间内进行有效制冷，设计并开发出耗能较小、携带方便、实用性强的储能设备，就具有非常现实的意义和广阔的市场前景。本文设计了一种基于USB端口驱动半导体冷暖两用箱，并进行对比实验研究。探讨了冷端单独铝块导冷，冷端强制导冷，增大散热器、导冷片面积和增大输入功率等因素对半导体制冷制热两用箱效率的影响。

USB；半导体制冷；实验研究

0 引言

随着计算机在生活中的普及，人们因为工作，学习，娱乐等等原因每天花费在电脑上的时间越来越多。而长时间坐在电脑前喝些饮品也是健康生活必需的，在炎热的夏天，我们都想喝温度低的饮品解暑；而在寒冷的冬天，我们需要喝些热水来驱寒。在办公室，在宿舍，在卧室等环境，我们却很难去满足我们对饮品温度的要求。针对这种现象，我团队设计了一款能够用USB端口驱动的半导体冷暖两用箱。通过对比实验来探究不同条件对USB端口驱动半导体工作的制冷效果的影响。

1 半导体制冷制热原理

1．1 帕尔贴效应

该效应是在1834年由法国物理学家帕尔贴（(J.C.APeltie）首先发现的。在2种不同导体连成的回路中，当有直流电流流经由两种不同材质金属导体组成的封闭循环回路时,在导体的接头处，一个会吸收热量，一个会放出热量，这就是所谓的珀尔贴效应。图1为帕尔帖效应原理图，X和Y是2种不同金属导线所组成的封闭线路。当回路通有直流电流时， 在两金属接触点处会出现冷、热端现象。

图1 帕尔贴效应原理图

1．2 半导体制冷制热

把一个N型半导体和一个P型半导体的粒子连接成一个电偶对，通以直流电源。如图2所示，电流从N极流向P极，N型元件的载流子是电子，P型元件的载流子是空穴。当电流从N型元件流入，从P型元件流出时，N型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热， 同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，下端聚合时放出热量；同时，电子与空穴在上端分离，上端分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。

图2 半导体制冷制热原理

2 实验

2．1 实验台搭建

整个实验系统主要包括保温箱，半导体制冷片，散热装置，导冷装置，测量装置五部分组成。

实验采用内径170mm×75mm×105mm的箱体厚度30mm的泡沫箱，箱外为三层8号邮政配套纸箱。型号为TEC1-12706半导体制冷片，69mm×69mm×1.8mm的铝导冷片，70mm×69mm×18mm的铝散热片，12v 0.2A 50mm×50mm的散热风扇，12v 0.024A的导冷风扇，40mm×40mm×5mm的铝制导冷块，导热硅胶，USB端口，12v 6A的制冷片专用开关电源，电源正负极转换开关，金属探头式电子温度计。

2．2 实验研究

2.2.1 冷端空气自然对流导冷实验研究

本实验热端采用空气强制对流散热，冷端用铝制导冷块导冷。将铝散热片紧贴半导体制冷片的热端，铝制导冷块紧贴半导体制冷片的冷端，中间涂抹导热硅胶，散热片外接12v 0.2A散热风扇，然后用螺丝将其固定在泡沫保温箱的一侧。用电脑的USB3.0端口驱动，用正负极转换开关控制制冷制热，将电子温度计放在保温箱内部测温度数据。检查无误后，接通电源进行实验。实验装置如图3所示。

图3 冷端空气自然对流下半导体制冷制热系统实验装置图

本实验制冷制热分别进行了40分钟，温度随时间变化如图4所示。

图4 冷端空气自然对流下保温箱温度随时间的变化曲线图

图4 为热端空气强制对流散热，冷端空气自然对流导冷下冷、温度随时间变化曲线图。T1为半导体制冷时保温箱内温度，T2为半导体制热时保温箱内温度。实验的环境温度为23.5℃，可以看出，实验开始时，保温箱内温度均为23.5℃。箱内温度在实验的前15分钟有所下降，下降了2.4℃，15分钟之后温度趋于稳定，最后温度维持在21℃左右。但半导体制热时箱内温度明显升高，由23.5℃升至32.3℃，温度随时间的变化逐渐升高。

2.2.2 冷端空气强制对流的实验研究

该实验热端用采用空气强制对流散热，冷端用铝制导冷块与空气强制对流导冷。将铝散热片紧贴半导体制冷片的热端，铝制导冷块紧贴半导体制冷片的冷端，中间涂抹导热硅胶，散热片外接12v 0.2A散热风扇，导冷块外接12v 0.024A的风扇，然后用螺丝将其固定在泡沫保温箱的一侧。用电脑的USB3.0端口驱动，用正负极转换开关控制制冷制热，将电子温度计放在保温箱内部测温度数据。检查无误后，接通电源进行实验。实验装置如图5所示。

图5 冷端空气强制对流下半导体制冷制热系统实验装置图

本实验制冷制热分别运行40分钟，温度随时间变化如图6所示。

图6 冷端空气强制对流下保温箱温度随时间的变化曲线图

图6 为热端空气强制对流散热，冷端铝制导冷块与空气强制对流共同作用下半导体制冷、制热对应保温箱内温度随时间变化曲线图。T1为半导体制冷时箱内温度，T2为半导体制热时箱内温度。实验的环境温度为23.5℃。可以看出，实验开始时，保温箱内温度均为23.5℃。在前15分钟箱内温度由23.5℃下降到18.9℃，下降了4.6℃。25分钟后箱内温度趋于稳定，最后温度维持在18℃之下。半导体制热时，箱内温度也发生了明显的升高，由23.5℃升到34.3℃。2.2.1实验与2.2.2实验比较可以发现，冷端强制对流导冷对半导体制冷效率有所提高，但效率提高不高。而制热方面几乎没有太大影响，原因是在正负极转换后，风扇停止工作，因此两个实验中，半导体制热过程没有风扇的辅助作用。

2.2.3 增大半导体冷热端散热器与导冷器的面积的实验研究

该实验热端用70mm×69mm×18mm的铝散热片与空气强制对流结合，冷端用69mm×69mm×1.8mm的铝导冷片导冷。将铝散热片紧贴半导体制冷片的热端，铝制导冷片紧贴半导体制冷片的冷端，中间涂抹导热硅胶，散热片外接散热风扇，然后用螺丝将其固定在泡沫保温箱的一侧。用电脑的USB3.0端口驱动，用正负极转换开关控制制冷制热，将电子温度计放在保温箱内部测温度数据。检查无误后，接通电源进行实验。实验装置如图7所示。

图7 大面积散热和导冷器的半导体制冷制热系统实验装置图

本实验制冷制热分别运行40分钟，温度随时间变化如图8所示。

图8 大面积散热片和导冷片下保温箱内温度随时间变化曲线图

图8为热端大面积散热器与空气强制对流结合，冷端厚度很薄的大面积导冷片导冷下半导体制冷制热时对应的保温箱内温度随时间的变化曲线图。T1为半导体制冷时箱内温度，T2为半导体制热时箱内温度。实验的环境温度为23.5℃。可以看出，实验开始时，保温箱内温度均为23.5℃。在前15分钟，箱内温度由23.5℃下降至19.5℃，下降了4℃。15分钟后温度趋于稳定，最后维持在19℃左右。制热时，箱内温度由23.5℃升至32.1℃。实验3.2.1与

3.2.3 进行比较，3.2.1实验制冷时前15分钟中温度降低了2.4℃，最后平衡温度为21℃；而3.2.3实验前15分钟温度降低了4℃，最后平衡温度为19.5℃，最后的可以看出3.2.3实验制冷效率较高。制热时两实验最终的平衡温度几乎相同。

2.2.4 增大输入功率下半导体制冷制热的实验研究

本实验在2.2.2实验的基础上将USB3.0端口驱动更换为12v6A的电源开关，是他设备不变。实验装置如图9所示。

图9 增大输入功率下的半导体制冷制热系统实验装置图

本实验制冷制热分别运行40分钟，温度随时间变化如图10所示。

图10 增大输入功率下保温箱内温度随时间变化曲线图

图10为增大输入功率后，热端空气强制对流散热，冷端导冷块与空气强制对流结合下半导体制冷制热时对应保温箱内的温度随时间变化曲线图。T1为半导体制冷时箱内温度，T2为半导体制热时箱内温度。实验的环境温度为23.5℃。可以看出，实验开始时，保温箱内温度均为23.5℃。半导体制冷时实验前15分钟，箱内温度由23.5℃降至16.6℃，下降了6.9℃。20分钟后温度趋于稳定，降至16℃。当半导体制热时，实验15分钟内箱内温度由23.5℃升至71.2℃，升高了47.7℃，效率极高，由于温度太高，20分钟时电子温度计无法读数。如图11所示。

图11 箱内温度过高使电子温度计无法正常工作

3 实验结果对比分析

半导体制冷效率受很多因素影响，本文主要对四种情况对半导体制冷制热的效果做了实验研究。如图12所示为四种不同情况对半导体制冷效果影响温度汇总图。T1为热端有空气强制对流散热，冷端自然空气对流散热下，USB3.0端口驱动半导体制冷的温度；T2为热端空气强制对流散热同时冷端有空气强制对流导冷下，USB3.0端口驱动半导体制冷的温度；T3为热端大面积散热片与空气强制对流结合，冷端大面积导冷情况下USB3.0端口驱动半导体制冷温度；T4为热端空气强制对流散热，冷端空气强制对流导冷情况下，半导体开关电源驱动的半导体制冷温度。由图可以看出，四条曲线的共同特点是箱内温度随时间的推移一开始有明显下降的趋势，15分钟后温度下降的趋势变缓，在实验进行20分钟时箱内温度基本趋于稳定，四种情况的制冷温度分别稳定在21.0℃、18.4℃、19.4℃、16.1℃。

图12 四种不同情况下半导体制冷对应的箱内温度随时间变化的曲线图

如图13所示为四种不同情况对半导体制热效果影响温度汇总图。T1为热端有空气强制对流散热，冷端自然空气对流散热下，USB3.0端口驱动半导体制热的温度；T2为热端空气强制对流散热同时冷端有空气强制对流导冷下，USB3.0端口驱动半导体制热的温度；T3为热端大面积散热片与空气强制对流结合，冷端大面积导冷情况下USB3.0端口驱动半导体制热温度；T4为热端空气强制对流散热，冷端空气强制对流导冷情况下，半导体开关电源驱动的半导体制热温度。由图可以看出，四条曲线的共同特点是箱内温度随时间的推移温度逐渐升高，T1、T2、T3的温度变化趋势基本相同，而T4温度远远高于另外三种情况。

图13 四种不同情况下半导体制热对应的箱内温度随时间变化的曲线图

4 结论

本文通过对USB端口驱动半导体制冷制热过程中，通过改变冷热端散热和增大输入功率等条件进行了大量的实验研究和对比分析，得出以下结论：

（1）USB端口驱动半导体制冷过程产生的制冷量很小，改进方案后，在40分钟实验内，保温箱最低温度为17.7℃，温度下降了5.8℃，达不到夏天用USB端口驱动半导体冷却饮品的效果。原因是输入功率太低，保温箱的保温效果差，综合效应使USB端口驱动半导体制冷的效果差。制热过程效率远远大于制冷，三个实验中制热最高温度为34.3℃，升高了10.8℃，可以达到很好的保温

▲▲效果。

（2）当增大输入功率使半导体制冷，制冷效果明显，40分钟实验内，温度最终降到了15.6℃，下降了8.5℃。与制冷相比，制热效率非常高，10分钟能使保温箱内温度迅速升到63.3℃，15分钟温度升到71.2℃，升高了47.7℃。若制冷效果不能满足我们需要时，我们可以选择单独使用半导体制热，用大功率使半导体制热效率极高，且满足节能环保的要求。

（3）USB驱动半导体制冷制热试验中热端用空气强制对流散热，冷端空气强制对流导冷组合制冷效率最高，增大散热和导冷片的面积也能增大制冷效率。将能够增大制冷效率多方面结合，共同辅助半导体制冷会有很好的效果。

[1]杨艳玲．基于热电原理的太阳能制冷冰箱的设计[J]．广西民族大学学报,2013,19(2)： 82-84．

[2]G．Min, D．M．Rowe．Experimental evaluation of prototype thermoelectric domestic- refrigerators．Applied Energy, 2006, 83：133-152．

[3]王莹,庞云凤．太阳能半导体制冷性能改进的技术策略[J]．节能技术,2010,28(1)： 47-55．

[4]李石晶．关于影响热电制冷性能的研究[J]．科学技术与工程,2013,13(1)：116-119．

[5]Chunhua Liu．A New DC Micro-grid System Using Renewable Energy and Electric Vehicles for Smart Energy Delivery［A］．2010 IEEE VPPC［C］．2010：1-6．

[6]J．G．Vián, D．Astrain．Development of a thermoelectric refrigerator with two-phase thermosyphon and capillary lift[J]．Applied Thermal Engineering, 2009, 29：1935-1940．

[7]毛佳妮, 申丽梅, 李爱博等．半导体制冷器制冷性能的综合影响因素探讨及其优化设计分析[J]．流体机械, 2010,38(7)：68-72．

[8]张奕, 张小松等．冷/热端散热对半导体冷藏箱性能的影响[J]．江苏大学学报, 2008, 29(1)：43-46．

[9]代彦军, 王如竹, 倪靓．太阳能半导体冰箱实验研究与性能分析[J]．太阳能学报, 2002, 23(6)：754-758．