基于冰激凌机的半导体制冷试验研究

朱浩唯　李嘉　王璐

上海市质量监督检验技术研究院　上海　200233

1　引言

半导体制冷是一种比较新颖的能量转换方式，具有小型、轻便、无磨损、工作时无噪音、无方向性、温度易控制、冷却速度快、工作寿命长等诸多优点，因此近年来在家电、红外、激光、电子和航天领域中受到人们的重视，并得到了较成熟的应用[1]。

2　半导体制冷的原理

半导体制冷又称温差电制冷，是一种通过直流电来进行制冷的新型制冷方法，它主要通过特种半导体材料中的P-N结，产生珀尔帖效应，来进行热量的转移。半导体制冷具体的工作方式如图1所见，在两片陶瓷片之间连接有2块半导体材料，其中左边的为P型材料，右边的为N型材料，当电流从N型材料经上方的导流板流向到P型材料时，上方的导流板从外界吸收热量成为冷端，而下方的导流板则与之相反向外界释放热量成为热端。热量传递的效率取决于通过电流的大小和半导体材料的元件对数。通常实际使用中的制冷片由上百对电偶组成，以达到增强制冷（制热）的效果[2]。

3　试验系统及实验方法

为了能更深入的了解半导体制冷的热性，这里选用了半导体制冷在日常生活中的一个典型应用——制冰机来进行试验研究。器具使用半导体制冷对冷端容器内的水进行将温，而在热端则使用风扇来进行强制对流，本次试验中为了更真实的了解半导体制冷的性能变化，使用保温材料对置水容器进行保温以在器具的冷端近似达到绝热的效果。

在本试验中，使用冰箱测试系统（图2）来对半导体制冷的各项参数进行记录，测试过程中，保持实验室温湿度恒定，风速度维持在0.25m/s以下，同时使用3个热电偶对环境温度、半导体制冷的热端的温度以及冷端容器内的水温进行记录，此外通过数字功率表对试验中的各电参数进行记录。考虑的数字功率计记录功率的是冰激凌的总功率，为了得到更精确的研究制冰机中半导体制冷部分的工作性能，试验中将搅拌电机断开，同时在最终的功率计算中扣除热端风机和电路板的功率。

4　试验结果及数据分析

本次试验共进行5组测试，分别在16℃、20℃、24℃、28℃和32℃的环境中，将冷端容器中水从环境温度降温到冰点以下。图3中给出了32℃环境温度下冰激凌机的温度曲线。可以看到在制冰机启动后，其热端温度急速上升，在大约3分钟的时间内从32℃上升到约40℃，之后一直维持在40℃左右。制冰机冷端的降温过程则大致可以分为A、B、C共3个过程。

其中A段是制冰机启动后冷端温度从32℃逐渐降到3℃左右，在该过程中，冰激凌机通过半导体制冷的方式不断从水中吸收热量，将其转移到热端并通过强制对流的方式传递给环境。在B段中，冷端温度维持在3℃左右，在该过程中，容器中的水达到冰点进入冰水混合的两相态，所以随着冰激凌机从水中吸收热量，水温保持不变但不断从液态变为固态，值得注意的一点是，在该实验中，水的冰水两相温度大于0℃，这是由于在封闭容器进行试验之前，容器内压力为大气压力，但随着容器内温度降低，其压力也不断下降，考虑到水的冰点随气压降低而升高的特点，因此在该实验中，水的冰水两相温度都大于0℃。在C段中，冷端温度又重新开始下降，在该过程中，容器中的水已完全结为固态。

图1　半导体制冷示意图

图2　测试系统

图3　在32度环境温度下冰激凌机的降温过程

图4　在32度降温过程中冰激凌机的功率曲线

对于半导体制冷的热端，根据图3，在启动后很短的时间内热端与环境温度之间就可以建立起6～7℃的温差，之后整个降温过程中该温差始终维持在一个稳定的温度区间内，对比同时段冰激凌机半导体部分的输入功率（图4）可以进一步发现，在冰激凌机运行期间，热端温度与输入功率的比值从0迅速增加到某一定值，之后基本稳定在该值附近，为了更直观的体现这一规律，图5给出了整个过程中热端温差与功率比值的变化过程。

对于半导体制冷的冷端，图6给出了冰激凌机降温速率的变化，在降温初期冷端温度下降比较快为2.8℃/min，但随着冷端温度的下降，环境温度与冷端之间的温差逐渐增加，冷端的降温速率也开始减缓，在冷端温度降到15℃的时候，冷端的降温速率已经减小到1℃/min以下。而在冷端的水完全凝结成冰之后，冷端的降温速率又重新开始增加。这是由于根据帕尔贴效应，

图5　在降温过程中热端温差与功率比值的曲线

图6　冰激凌机降温速率的变化

图7　不同环境温度下从15度降到5度的能耗

式中：

Q——放热或吸热功率；

π——比例系数，称为珀尔帖系数；

I——工作电流；

a——温差电动势率；

TC——冷接点温度。

在开始阶段，容器内的水为液态，伴随着冷端的吸热，冷端温度下降，由于冷端的吸热量与冷端的温度成正比，因此吸热量减小，从而导致冷端的降温速率减小，之后随着冷端温度不断下降，最终达到冰水两相区时，冷端温度变化会有一个短暂的停滞，随着冷端的进一步吸热，容器内的水完全结为固态，冷端的降温速率又重新开始增加。之所以C段开始处的降温速率要大于结冰前即A段末尾处的降温速率是因为在其他条件相近的情况下，固态水的比热c固态水要明显小于液态水的比热c液态水，考虑到温度变化速率与吸热速率、重量成正比，与比热成反比，即：

dQ——换热量，此处为冷端的吸热量；

m——质量，此处为冷端容器内水的质量；

dt——温度变化，此处为冷端容器内水的温度变化。

本次试验中，m为定值=300g，而A段结束处的温度近似等于C段开始处的温度，根据之前的分析可得，A段结束处的吸热效率近似等于C段开始处的吸热效率。因此当A段结束处的c液态水大于C段开始处的c固态水，A段结束处的温降速率小于C段开始处的温降速率。

为了了解环境温度对半导体制冷工作效率的影响，图7给出了不同环境温度下冷端容器内的水从15℃降到5℃（之所以选择5℃而不是0℃是为了避免冰水两相区的干扰）所需的能耗。如图所示，环境温度为16℃递增到32℃，将半导体冷端从15℃降为5℃所需的能耗从12Wh近乎线性地增加到了21Wh。即随着环境温度的增加，半导体制冷能耗增加，半导体制冷的效率会减小。

5　结论

本文主要通过对冰激凌机的一系列试验，同时结合相关的理论知识，分析半导体制冷系统的工作规律和相应的温度变化。同时根据半导体在不同环境温度下的能耗表现，分析环境温度对半导体制冷工作效率的影响。具体结论如下：

（1）冰激凌机半导体制冷的热端在启动后很短的时间内就可以建立起一定的温差，并在整个过程中始终稳定在该温差值附近。

（2）冰激凌机半导体制冷的冷端在降温初期温度下降比较快，但随着冷端温度的下降，吸热量减小，降温速率也不断减小。

（3）即随着环境温度的增加，冰激凌机半导体制冷的效率会显著地减小。