一种循环水冷式半导体制冷箱的设计与实现

张雨浩 李权 何仁旺 刘天健 陈佳辉

1.江西理工大学能源与机械工程学院 江西南昌 330013； 2.江西理工大学软件工程学院 江西南昌 330013

随着经济发展水平的不断提高，人们对生态环境的要求也越来越高。在制冷领域，现有的制冷设备多是通过使用压缩机、制冷剂等来实现制冷，易对环境造成污染。近年来半导体制冷方式以其无污染、噪声小、寿命长、制冷响应快等优势得到了快速发展。半导体制冷是一种新型的制冷技术，主要是帕尔帖效应在制冷技术上的应用[1]。如今已经被广泛应用到军事装备、医疗卫生、智能生活、航空航天及科研等领域[2]。

半导体制冷器热端的散热效率是限制制冷的主要因素，因此，如何提高半导体制冷器热端的散热效率是半导体制冷的关键。半导体制冷的散热方式有很多：空气自然对流、空气强制对流散热、环流散热、利用物质的溶化潜热散热、热管以及水冷散热传热等[3]。本文通过设计风冷、水冷结合的循环水冷式散热系统和基于DS18B20的温控系统，逐步完成了半导体制冷箱的设计与实现，并通过实验探究了水温、水容量对半导体制冷箱制冷效率的影响。

1 工作原理

如图1所示，半导体制冷器是基于N型和P型半导体特性，通过在N型和P型半导体材料联合形成的热电偶上通以直流电流来实现制冷。直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子从负极出发，首先经过P型半导体，于此吸收热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到另外一边造成温差而形成冷热端。改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变。但是半导体自身存在电阻，当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消，此时冷热端的温度就不会继续发生变化。

图1 半导体制冷器工作原理图

2 设计方案

2.1 整体设计方案

装置的整体结构如图2所示，整个装置由制冷箱、冷排、水箱组成，通过导管进行连接。制冷器安装在制冷箱中，通过外接12V稳压电源对其进行供电，制冷器冷端外接散热鳍片，用于导出制冷片冷端的热量。水箱中装有水泵和温度传感器，分别用于驱动冷却水和检测温度。装置启动后，制冷器冷端开始制冷，同时热端开始产热，水箱中的水在水泵的作用下通过导管流经制冷器的热端，带走热端产生的热量，然后通过导管流经冷排做进一步散热，最后回到水箱中供下次循环使用。

图2 制冷箱整体设计方案图

2.2 制冷箱的设计

经过前期设计对比与综合分析，设计的制冷箱如图3所示。制冷箱外观尺寸设计为35cm×50cm×35cm，结构类似于小型冰箱。制冷箱内部装有温度传感器，用于实时检测箱体内的温度。箱体侧面开有40mm×40mm的孔用于放置温控器。温控器与箱体内的温度传感器相连接，用于控制温度。戴源德等人[4]的研究表明，将半导体制冷器布置在箱内顶部中心位置上，可使得温度分布效果最佳，布置在后侧壁中心位置上的效果次之。因此，在制冷箱上方中部开20cm×10cm孔用于放置制冷器可以获得较好的制冷效果，制冷器放在上方一方面可以使整个箱体制冷均匀，另一方面是使水冷头和导管安装在箱体外部，令升温后水的热量被外部环境所吸收。

图3 制冷箱设计图

2.3 制冷器的设计

制冷器的整体设计如图4所示，蓝色部分为水冷头，半导体制冷片的热端通过导热硅脂与水冷头连接，冷端与风扇连接。接通电源后，制冷片开始工作，水箱中的水在水泵的作用下流经水冷头，带走制冷片热端的热量，然后通过水冷头的另一端经过冷排回流到水箱中。此时冷端正源源不断地制冷，风扇的作用就是将制冷片冷端的热量吹出，使整个制冷箱制冷量相对均匀。

图4 制冷器设计图

2.4 温控系统的设计

整个温控系统以STC89C52单片机为核心器件，配合电阻电容晶振等器件，构成单片机的最小系统。外接温度传感器模块、继电器模块、按键模块、LED数码管以及电池如图5所示。

图5 温控系统电路图

温度传感器采用DS18B20温度传感器，其具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高等特点，其温度感应范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内误差为±0.4℃，适用于制冷箱的温度检测，其由单片机直接供电，会将感应到的温度通过A/D转换为16位二进制温度数值返回给单片机。显示设备采用4位共阴数码管，用于显示检测到的温度值，其显示范围为±99.9，最小精度为0.1。按键模块主要进行温控值的设置，通过单片机的三个I/O来读取按键按下时产生的低电平，读取到对应数值后根据内部编写程序来完成温度设置的功能。同时继电器一端通过I/O连接单片机，另一端外接降温装置，降温装置由外接12V电源供电，而继电器起到控制电源供电开关的作用，电源开关由衔铁构成，继电器通过单片机提供的控制信号产生电磁效应，从而将开关拉向继电器的铁芯，实现断电功能，继电器不工作时铁片由于弹力自动弹回，外部电路又正常工作，从而使得温度可以保持在一个范围之内[5]。

3 设备的制冷性能测试

3.1 实验方案设计

根据水容量、水温度的不同设计了6组实验。通过温度传感器测量制冷箱内表面温度和水箱温度随时间变化情况。根据下表所示的实验变量分析水容量、水初始温度对制冷的影响。可以用A、B两个字母分别表示6组不同实验的两个实验变量。则6组实验依次为A1B1、A1B2、A1B3、A2B1、A2B2、A2B3、A3B1、A3B2、A3B3。

实验因素水平表

3.2 制冷箱温度变化

制冷箱内表面温度变化如图6所示，从图中可以看出，L7曲线的制冷效果最好。此时的实验条件为水容量6L，水温17℃。这表明制冷片热端的产热能实时被水箱中的水吸收，从而提高制冷效率。当水温度趋于38℃时，制冷箱的温度几乎没有发生变化，这表明制冷片热端的产热已经很难被水箱中的水所吸收。

图6 制冷箱温度变化图

3.3 水箱温度变化

不同实验条件下的水箱温度变化如图7所示，从图中可以看出在水温条件相同时，水容量越大，水温升高也就越慢。水的初始温度越低，水容量越大，水温最终能够上升的温度差也就越大。这表明制冷片热端的产热能够被有效吸收，制冷箱的制冷效果也就越好。

图7 水箱温度变化图

结语

本文通过设计制冷箱、制冷器、温控器逐步完成了循环水冷式半导体制冷箱的初步设计，并通过实验研究了水初始温度和水箱容量对制冷效率的影响。实验表明水箱中冷却水的温度越低，水箱容量越大，制冷效率就越高。因此，在水冷式半导体制冷箱的应用中，应尽可能保证水箱中水的温度较低，并控制其在循环过程中温度的升高，以此提高半导体制冷箱的制冷性能[6]。