微型半导体制冷箱的制作与研究

科技与质量Scienceandtechnologyandquality174质量管理基金项目：哈尔滨商业大学大学生创新创业项目,微型半导体箱的研究与制作，项目编号：201510240062【文章摘要】随着经济的迅速发展以及科学技术水平的不断提高，我国的制冷技术取得了一定程度上的进步，为国民经济的发展以及人民生活水平的提高做出重要贡献。然而同时也带来了一系列的问题。其中尤以环境问题较为突出，这也对制冷技术更深层次的发展造成阻碍。针对这种情况，人们开始关注半导体制冷的研究。本文主要针对半导体制冷技术在小型制冷温箱的应用进行研究与分析。通过对风冷和水冷的性能进行对比分析，发现水冷的制冷效果优于风冷，于是对水冷展开了研究，并对水冷制冷系统功能及特点也进行分析，最后制作一台微型半导体制冷箱。【关键词】半导体制冷技术；小型制冷箱；性能分析；水冷前言我国的半导体制冷技术研究取得了关键性的突破，主要表现在两个方面：一方面，半导体制冷材料的优值系数得到了一定程度上的提高；另一方面，就半导体制冷技术的应用方面而言，其应用层次更深，应用范围也更为广泛。半导体制冷箱没有制冷剂，没有复杂的转动元件，因此具有工作稳定、清洁的优点，此外，尺寸小，温度控制精确也是半导体制冷的显著优点，在军事、医疗、科学研究时，常需要在小空间实现高精度的低温环境，满足特定的应用场合。半导体制冷箱是依靠珀尔帖效应，在冷端吸收热量，产生制冷效果，同时在热端排出大量热量的高热流密度器件。随着科学技术的发展，人们的生活质量不断提高，思想意识的不断提升，对节约能源及保护环境的意识也在不断提高，对半导体制冷也越来越重视。1半导体制冷原理与实验台设计1.1半导体制冷原理在半导体制冷技术当中，有一个核心材料，即半导体制冷片。其优点主要表现为半导体制冷片之中不含有滑动部件，且无制冷剂污染的场合。但是也存在着一定程度上的缺陷，主要表现为应用在一些空间会受到相应的限制。一般情况下，半导体制冷片的工作运转主要是通过直流电流为其进行供电，因此，它可以达到制冷微型半导体制冷箱的制作与研究叶海龙庞云凤陈殿宇李欣琳李新平鸿格尔哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院150028以及加热的双重效果，而这一效果的主要是通过对直流电流的极性进行一定程度上的改变来进行有效实现的。半导体制冷片之所以能够有效的运行，主要是通过以下的原理实现的：将一块N型半导体材料与一块P型半导体材料进行一定程度上的联结，这样一来，就形成了电偶对，当有直流电在这一电路中进行流通时，就会发生一定程度上的能量转移，电流从N型半导体材料流入到P型半导体材料的接头，并对热量进行一定程度的吸收，成为冷端；而当电流从P型半导体材料流入到N型半导体材料的接头并释放能量，就形成了热端。1.2实验台设计半导体制冷不需要制冷剂，所以不需要考虑破话坏臭氧层问题；由于没有运动构件，噪音非常小而且体积也很小。由于这两方面的突出优点，我们这里利用了半导体芯片，热交换器、隔热箱、风扇等安装了小型制冷箱。通过对芯片的安装与电路接线和外壳安装几个关键步骤完成了制冷箱的制作。具体步骤如下：首先在箱体臂侧边缘挖出一矩形开口，将热电堆冷端与一铝块贴紧，其间涂抹导热硅胶，铝块为一梯形铝块，底面贴紧制冷箱，上面贴紧半导体热电堆，用螺丝将铝块固定于箱体内侧，将水冷板与热电堆紧贴固定在铝块上。为了减少水冷板与半导体热电堆之间的接触热阻散，增强导热，在两者之间均匀涂抹一层导热硅胶。然后用塑料水管将水冷板、水泵以及冷却水箱顺次相连，连接成一封闭水系统，组成水冷散热装置。直流循环水泵、半导体热电堆及直流风扇均为直流12V电压，可直接与直流供电装置相连。通过本次项目的设计，进行半导体制冷装置的实验，通过风冷和水冷的比较，总结二者的性能并比较其优缺点，介于实用性，选择制作简单的小型半导体制冷箱，用于解决在日常生活中不同方面的小型物品的冷藏问题。进一步应用于国防、工业、商业和医疗等不同领域。2实验分析2.1采用水作为冷却介质的原因水作为冷却介质可以充分进行换热达到降温的作用，并且泵对水的循环也可以有效的带走热量。2.2水冷制冷箱的应用范围与应用环境通过实验我们所研究的半导体制冷箱了应用于日常生活中，冰镇冷饮，携带方便便捷，也可以在汽车中使用。半导体制冷箱可应用组医疗、军事等其他方面。图1箱体外结构图3半导体制冷系统的功能及特点分析这种新型系统表现出较大的优越性，其特点主要表现在如下几个方面：(1)在这一制冷系统当中不再需要任何制冷剂，且当系统处于运行状态之中，具有较强的连续性。同时，正是不需要任何制冷剂，使得这一系统没有污染源、没有相应的旋转部件，这样一来，就不会产生回转效应，进而对减震抗噪的效果起到一定的促进作用。除此之外，这种制冷系统使用寿命较长，且安装过程简单方便。(2)这一新型制冷系统中有效运用了半导体制冷片，因此能够对制冷与加热两种效果进行有效的实现。(3)半导体制冷片是电流换能型片件，通过对输入电流进行一定程度上的控制，就可以对温度进行有效的控制，且这种控制能够达到高精度的要求。除此之外，再加之温度的检测与控制手段，就能够进一步对遥控、程控以及计算机控制进行有效的实现。这样一来，这一系统的自动化程度也得到了较大程度上的提升。(4)对于半导体制冷片而言，它具有相对较小的热惯性，因此制冷系统的制冷、制热时间相对较快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。(5)一般情况下，对于单个制冷元件而言，它难以发挥出很大的功率，但如果将之进行一定程度上的组合，使其成为一个电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，就可以对其系统进行有效的扩大。正是因为这一原因，制冷系统的功率的范围非常大，既能是几毫瓦，也能是上万瓦。4结论本文主要针对半导体制冷技术在小型恒温箱的应用进行研究与分析。首先对国内外的研究状况进行了一定程度上的介绍，然后在此基础之上阐述了制冷系统的工作原理。最后重点分析了半导体制冷系统的功能及特点。希望我们的研究能够给读者提供参考并带来帮助。【参考文献】[1]马秋花，赵昆渝，李智东，刘国玺，葛伟萍．热电材料综述[J].电工材料.2004(01)[2]殷亮，李茂德，何文莉．半导体制冷系统非稳态温度工况的模型及实验分析.能源技术．2004(01)