基于半导体制冷技术的小型冷热箱设计分析

卢煜文

摘  要：文章对半导体制冷技术的现状及原理进行分析，对小型冷热箱应用现状加以研究，然后对小型半导体冷热箱硬件系统、未处理模块、软件的设计要点予以探析，主要的目的：合理运用半导体制冷技术，做好小型冷热箱的设计工作，以此提高半导体制冷、制热的效果。

关键词：半导体;制冷技术;小型冷热箱设计

中图分类号：TB657 文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）15-0087-02

Abstract： In this paper， the present situation and principle of semiconductor refrigeration technology are analyzed， the application status of small cold and hot box is studied， and then the design essentials of hardware system， untreated module and software of small semiconductor cold and hot box are analyzed. Main purpose： to make rational use of semiconductor refrigeration technology and do a good job in the design of small cold and hot box， so as to improve the effect of semiconductor refrigeration and heating.

Keywords： semiconductor; refrigeration technology; design of small cold and hot box

半导体制冷材料、半导体制冷技术的不断发展，使得一些暴露的问题得以解决，国内外均对半导体制冷技术进行了深入的分析和研究。合理使用半导体制冷技术，可保证操作简便、安全，并且半导体冷热箱在运行时不会出现污染、噪声等问题，所以这项技术被广泛应用于电冰箱制冷、空调制冷、其他类型制冷设备中，应用效果均比较理想。

1 半导体制冷发展过程

自1834年珀尔帖效应开始，采用这一效应制造电热器历史悠久，到本世纪50年代半导体材料的发展前景较好，有效促进了制冷器的发展，使热电制冷器经实验室——工程变化，在不同的领域中应用效果均比较理想，如：工业、农业、商业，以及日常生活中等，比较常见核潜艇空调、冷却红外探测器探头。半导体制冷器被应用于不同的领域中，机械制冷设备不具有振动、制冷剂的功能。和同机械式制冷设备进行比较，制冷的效率并不高，且制冷温差比较小。国内外半导体制冷人员表示，应将主要的精力放在发掘新半导体材料上，以便持续提高材料热电能，促進半导体制冷器的良好发展[1]。

为促进半导体制冷技术良好的发展，应加强对小型冷热箱的深入研究。上世纪80年代，国外发现了半导体材料内部存在热电性能，因此半导体材料被广泛应用于热电制冷中，热电效应效率得以提高。国外较多发达国家对于半导体制冷技术研究、应用的关注度较高。自70年代初，我国进行了对半导体制冷器的研制、研究工作，80年代末进到产品的研制极端，产品无论从外形、内部结构，均为模仿国外同类的产品。90年代开发了便携式冷藏箱、高低温测试设备、日化专用冷藏箱，专业半导体去湿类的产品应用前景较好。采用开发的产品时，耗电量不会很大，所以价格比较低廉，可保证用电的安全。医疗保健中，冷刀、白内障摘除器、冷帽等应用半导体制冷技术，均可达到较好的临床效果。

2 半导体制冷原理解析

半导体制冷，也可以叫作温差电制冷、电子制冷、热电制冷，即以温差电现象为主要特征的制冷方法，能够借助塞贝克效应，实现珀尔帖效应的原理制冷的效果。塞贝克效应，为2种不同的金属构成的闭合线路中，两个接触点的温度均不同，可在接触点间产生电势差（接触电动势）。与此同时，闭合线路中存在电流通过，称之为温差电流。相反的两种不同金属组成闭合线路中，如果通过的为直流电则会构成一个接点变冷、一个接点变热的情况，这种效应为珀尔帖效应、温差电现象。

3 半导体制冷和传统氟氯昂制冷技术优缺点对比

不同类型的材料的应用效果均有较大的差异，半导体制冷材料为新型的材料。半导体制冷器件，可分成专用冷却某一对象/某一对象散热，多见于电子工业领域;对个别小电子器件恒温控制;全面制造注入环境实验箱、不同类型热性能仪器，以及小型冰箱等;在不同类型冷藏箱、烤箱、冷风机中应用。当前，现有冷热箱有制冷功能、制热功能，通过半导体均能够实现上述功能。通常情况下，陶瓷外科、半导体中心可达到制冷、制热的效果，主要原理：经电流直通半导体，以此产生冷效应、热效应。电流通过正极——负极发挥制冷功能，负极——正极发挥制热功能[2]。近年来，我国市场同类产品多在汽车内部应用（电子制冷箱），外观可手挽，应用期间汽车卷烟点火器可当成接头形成直流电源。

半导体制冷技术的优点：（1）可发挥热电制冷的性能，能合理使用热电能量转换材料，确保相关的材料经直流电制冷。（2）半导体材料均存在热电能量、转换的性能，因此热电制冷也可以叫作半导体制冷。（3）半导体制冷为在国外相关研究人员的研究之上完善，电能、热能能够相关转换，且为可逆的状态。（4）电子制冷箱制冷期间，能发挥小型电冰箱制冷功能、制热功能，有一定的保温功能，在食物加热方面作用也比较理想。（5）制冷箱、制热箱同样适用于轿车、货运设备、小型船只运输中。缺点：（1）传统小型冷热箱应用时，对体重有明确的要求<5kg;（2）电子冷箱供电多借助直流电/交流电插座输电，在车、船、电源场合输电效果较好，但是无法在旅行、登山者中运用。

传统氟氯昂制冷技术的优点：无毒、无味、不燃烧、不易爆炸、稳定性佳。缺点：这种技术的应用容易对大气臭氧层构成损耗，导致臭氧层减薄/形成臭氧空洞，从而引发全球气候变化温室效应，严重危害到人们的生存环境和人们的生命健康。

4 半导体小型冷热箱设计要点

4.1 小型半导体冷热箱硬件系统的设计要点

硬件系统，为人机交流输入模块、温度采集系统、控制用单片机，以及显示模块、半导体制冷片构成。系统启动后以手动方式设置温度，然后采集单片机内部温度信息，评判温度设置是否合理[3]。结合具体情况，确定控制制冷片的工作状态，加强对当前温度的控制。此外，可借助数码技术的作用，动态反应出温度值。当前小型半导体冷热箱，结合帕尔贴效应原理设计半导体冷热器件，所以可经自身做功实现温度传递金属内胆内部导温块中。制冷过程：经降低半导体器件热端温度、散热器热量，将热量全部排除。散热器可直接经螺钉、导温块连接，以此将内部热量自螺钉、导温块传递到内胆，达到控制制冷和制热的目的。安装时，发挥导热系数小的阻温器件，和散热器进行连接，从而防止发生螺钉连接所致冷端、热端串通的问题，保证制冷效果、制热效果。

4.2 微处理模块的设计要点

选择单片机作为MCU，内部构造包括：定时器、计时器。整体PI端口存在自动模数的转换器，应用期间可借助晶振的作用，保证整体运行情况，运算速度控制在1.4us左右。

（1）按键模块的设计方法

按键模板内部设计，可严格控制初始温度，以此防止重复读取相同的键值，在设计软件中还能做好相关防抖的处理工作。

（2）温度采集模块的設计方法

温度采集的速度较快、功能消耗较低、性能比较可靠，并且反应的速度非常快。在数字型传感器制造时，温度采集模块应用的范围比较广泛，和单片机连接可经简单的线在短时间内，即可达到单片机双向通讯的效果，测试温度控制在50°C左右，显示模块多通过4位的数码显示当前的温度。

（3）电路驱动模块、散热模块的设计方法

电路驱动模块的应用，可遵循弱电控制强电原则进行控制[4]。所以，控制时可借助电磁继电器的作用处理，然后通过单片机对三级管进行控制，从而驱动继电器对制冷片控制，利用水散热支持散热模块。

4.3 软件的设计要点

系统启动后，初始化即可正常工作，对按键模块设计后，再设置初始t0，然后经数码管理的方式显示[5]。不同的温度输出后，进行t1、t2相比较，若是显示的结果为t1数值>t0，可通过单片机的方式对半导体制冷片制冷予以控制。反之，t1数值

4.4 新型智能控制器的设计要点

半导体制冷器组件进风口18加装合理设置直径、高度，可避免发生散热风扇吹出热风于箱体下部、进入冷风相混合的情况，以此保证散热的效果。新型智能控制器在设计的时候，应合理使用高速单片机技术，达到辅助通讯接口电路、数字温度传感器，以及液晶显示器等目的。新型智能控制器应具备PID控制功能，旨在对独立8位的地址编号进行处理，同时又串行的接口，能和计算机侧控系统保持连接状态[6-7]。值得一提的是，一台计算机最多可以和125台同型号的小型低温冷槽装置保持连接，不但可发挥半导体制冷组建热端超温报警的作用，不易于发生半导体制冷器过热受损现象，而且能对之前参数进行记忆处理，达到实时控制温度、PID输出控制和通讯等效果。

5 结束语

单片机可对器件MCU进行控制，使用制冷片可构成恒定温度的加热元件、制冷元件，然后采集温度数据。实际控制期间，经电磁继电器控制半导体制冷元件，从而实现最佳的制冷效果、制热效果。和传统制冷箱相比较，这一系统应用时更加简便、安全，同时操作过程不会对环境构成不良影响，无噪音。

参考文献：

[1]陈光辉，袁保合.基于半导体制冷技术的小型冷热箱设计[J].信息记录材料，2017，18（9）：103-104.

[2]黄震，张华.半导体制冷技术的研究现状及发展方向[J].上海有色金属，2017，38（2）：106-111.

[3]张香林.一种提升半导体制冷性能的模糊控制系统[J].机械工程与自动化，2018，209（4）：32-34.

[4]张晓波，徐象国.多目标约束下半导体制冷片几何结构参数的优化设计[J].制冷学报，2018，181（03）：25-33.

[5]周世浩，谭跃刚，张帆，等.基于半导体制冷的巧克力3D打印成型条件研究[J].机电工程，2017，34（4）：351-356.

[6]路凯华，何立东，闫安，等.基于半导体制冷的电机和轴承散热系统研究[J].制冷，2017，36（3）：29-34.

[7]赵福云，常菁菁，刘娣，等.半导体制冷箱实验研究与性能分析[J].武汉大学学报（工学版），2016，49（3）：476-480.