盧煜文

摘 ?要：文章對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的現(xiàn)狀及原理進(jìn)行分析，對(duì)小型冷熱箱應(yīng)用現(xiàn)狀加以研究，然后對(duì)小型半導(dǎo)體冷熱箱硬件系統(tǒng)、未處理模塊、軟件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)予以探析，主要的目的：合理運(yùn)用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，做好小型冷熱箱的設(shè)計(jì)工作，以此提高半導(dǎo)體制冷、制熱的效果。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體;制冷技術(shù);小型冷熱箱設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB657 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：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

半導(dǎo)體制冷材料、半導(dǎo)體制冷技術(shù)的不斷發(fā)展，使得一些暴露的問(wèn)題得以解決，國(guó)內(nèi)外均對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)進(jìn)行了深入的分析和研究。合理使用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，可保證操作簡(jiǎn)便、安全，并且半導(dǎo)體冷熱箱在運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)污染、噪聲等問(wèn)題，所以這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電冰箱制冷、空調(diào)制冷、其他類型制冷設(shè)備中，應(yīng)用效果均比較理想。

1 半導(dǎo)體制冷發(fā)展過(guò)程

自1834年珀?duì)柼?yīng)開(kāi)始，采用這一效應(yīng)制造電熱器歷史悠久，到本世紀(jì)50年代半導(dǎo)體材料的發(fā)展前景較好，有效促進(jìn)了制冷器的發(fā)展，使熱電制冷器經(jīng)實(shí)驗(yàn)室——工程變化，在不同的領(lǐng)域中應(yīng)用效果均比較理想，如：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)，以及日常生活中等，比較常見(jiàn)核潛艇空調(diào)、冷卻紅外探測(cè)器探頭。半導(dǎo)體制冷器被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域中，機(jī)械制冷設(shè)備不具有振動(dòng)、制冷劑的功能。和同機(jī)械式制冷設(shè)備進(jìn)行比較，制冷的效率并不高，且制冷溫差比較小。國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體制冷人員表示，應(yīng)將主要的精力放在發(fā)掘新半導(dǎo)體材料上，以便持續(xù)提高材料熱電能，促進(jìn)半導(dǎo)體制冷器的良好發(fā)展[1]。

為促進(jìn)半導(dǎo)體制冷技術(shù)良好的發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)小型冷熱箱的深入研究。上世紀(jì)80年代，國(guó)外發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料內(nèi)部存在熱電性能，因此半導(dǎo)體材料被廣泛應(yīng)用于熱電制冷中，熱電效應(yīng)效率得以提高。國(guó)外較多發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于半導(dǎo)體制冷技術(shù)研究、應(yīng)用的關(guān)注度較高。自70年代初，我國(guó)進(jìn)行了對(duì)半導(dǎo)體制冷器的研制、研究工作，80年代末進(jìn)到產(chǎn)品的研制極端，產(chǎn)品無(wú)論從外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，均為模仿國(guó)外同類的產(chǎn)品。90年代開(kāi)發(fā)了便攜式冷藏箱、高低溫測(cè)試設(shè)備、日化專用冷藏箱，專業(yè)半導(dǎo)體去濕類的產(chǎn)品應(yīng)用前景較好。采用開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品時(shí)，耗電量不會(huì)很大，所以價(jià)格比較低廉，可保證用電的安全。醫(yī)療保健中，冷刀、白內(nèi)障摘除器、冷帽等應(yīng)用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，均可達(dá)到較好的臨床效果。

2 半導(dǎo)體制冷原理解析

半導(dǎo)體制冷，也可以叫作溫差電制冷、電子制冷、熱電制冷，即以溫差電現(xiàn)象為主要特征的制冷方法，能夠借助塞貝克效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)珀?duì)柼?yīng)的原理制冷的效果。塞貝克效應(yīng)，為2種不同的金屬構(gòu)成的閉合線路中，兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度均不同，可在接觸點(diǎn)間產(chǎn)生電勢(shì)差（接觸電動(dòng)勢(shì)）。與此同時(shí)，閉合線路中存在電流通過(guò)，稱之為溫差電流。相反的兩種不同金屬組成閉合線路中，如果通過(guò)的為直流電則會(huì)構(gòu)成一個(gè)接點(diǎn)變冷、一個(gè)接點(diǎn)變熱的情況，這種效應(yīng)為珀?duì)柼?yīng)、溫差電現(xiàn)象。

3 半導(dǎo)體制冷和傳統(tǒng)氟氯昂制冷技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

不同類型的材料的應(yīng)用效果均有較大的差異，半導(dǎo)體制冷材料為新型的材料。半導(dǎo)體制冷器件，可分成專用冷卻某一對(duì)象/某一對(duì)象散熱，多見(jiàn)于電子工業(yè)領(lǐng)域;對(duì)個(gè)別小電子器件恒溫控制;全面制造注入環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱、不同類型熱性能儀器，以及小型冰箱等;在不同類型冷藏箱、烤箱、冷風(fēng)機(jī)中應(yīng)用。當(dāng)前，現(xiàn)有冷熱箱有制冷功能、制熱功能，通過(guò)半導(dǎo)體均能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能。通常情況下，陶瓷外科、半導(dǎo)體中心可達(dá)到制冷、制熱的效果，主要原理：經(jīng)電流直通半導(dǎo)體，以此產(chǎn)生冷效應(yīng)、熱效應(yīng)。電流通過(guò)正極——負(fù)極發(fā)揮制冷功能，負(fù)極——正極發(fā)揮制熱功能[2]。近年來(lái)，我國(guó)市場(chǎng)同類產(chǎn)品多在汽車(chē)內(nèi)部應(yīng)用（電子制冷箱），外觀可手挽，應(yīng)用期間汽車(chē)卷煙點(diǎn)火器可當(dāng)成接頭形成直流電源。

半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：（1）可發(fā)揮熱電制冷的性能，能合理使用熱電能量轉(zhuǎn)換材料，確保相關(guān)的材料經(jīng)直流電制冷。（2）半導(dǎo)體材料均存在熱電能量、轉(zhuǎn)換的性能，因此熱電制冷也可以叫作半導(dǎo)體制冷。（3）半導(dǎo)體制冷為在國(guó)外相關(guān)研究人員的研究之上完善，電能、熱能能夠相關(guān)轉(zhuǎn)換，且為可逆的狀態(tài)。（4）電子制冷箱制冷期間，能發(fā)揮小型電冰箱制冷功能、制熱功能，有一定的保溫功能，在食物加熱方面作用也比較理想。（5）制冷箱、制熱箱同樣適用于轎車(chē)、貨運(yùn)設(shè)備、小型船只運(yùn)輸中。缺點(diǎn)：（1）傳統(tǒng)小型冷熱箱應(yīng)用時(shí)，對(duì)體重有明確的要求<5kg;（2）電子冷箱供電多借助直流電/交流電插座輸電，在車(chē)、船、電源場(chǎng)合輸電效果較好，但是無(wú)法在旅行、登山者中運(yùn)用。

傳統(tǒng)氟氯昂制冷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：無(wú)毒、無(wú)味、不燃燒、不易爆炸、穩(wěn)定性佳。缺點(diǎn)：這種技術(shù)的應(yīng)用容易對(duì)大氣臭氧層構(gòu)成損耗，導(dǎo)致臭氧層減薄/形成臭氧空洞，從而引發(fā)全球氣候變化溫室效應(yīng)，嚴(yán)重危害到人們的生存環(huán)境和人們的生命健康。

4 半導(dǎo)體小型冷熱箱設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 小型半導(dǎo)體冷熱箱硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

硬件系統(tǒng)，為人機(jī)交流輸入模塊、溫度采集系統(tǒng)、控制用單片機(jī)，以及顯示模塊、半導(dǎo)體制冷片構(gòu)成。系統(tǒng)啟動(dòng)后以手動(dòng)方式設(shè)置溫度，然后采集單片機(jī)內(nèi)部溫度信息，評(píng)判溫度設(shè)置是否合理[3]。結(jié)合具體情況，確定控制制冷片的工作狀態(tài)，加強(qiáng)對(duì)當(dāng)前溫度的控制。此外，可借助數(shù)碼技術(shù)的作用，動(dòng)態(tài)反應(yīng)出溫度值。當(dāng)前小型半導(dǎo)體冷熱箱，結(jié)合帕爾貼效應(yīng)原理設(shè)計(jì)半導(dǎo)體冷熱器件，所以可經(jīng)自身做功實(shí)現(xiàn)溫度傳遞金屬內(nèi)膽內(nèi)部導(dǎo)溫塊中。制冷過(guò)程：經(jīng)降低半導(dǎo)體器件熱端溫度、散熱器熱量，將熱量全部排除。散熱器可直接經(jīng)螺釘、導(dǎo)溫塊連接，以此將內(nèi)部熱量自螺釘、導(dǎo)溫塊傳遞到內(nèi)膽，達(dá)到控制制冷和制熱的目的。安裝時(shí)，發(fā)揮導(dǎo)熱系數(shù)小的阻溫器件，和散熱器進(jìn)行連接，從而防止發(fā)生螺釘連接所致冷端、熱端串通的問(wèn)題，保證制冷效果、制熱效果。

4.2 微處理模塊的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

選擇單片機(jī)作為MCU，內(nèi)部構(gòu)造包括：定時(shí)器、計(jì)時(shí)器。整體PI端口存在自動(dòng)模數(shù)的轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用期間可借助晶振的作用，保證整體運(yùn)行情況，運(yùn)算速度控制在1.4us左右。

（1）按鍵模塊的設(shè)計(jì)方法

按鍵模板內(nèi)部設(shè)計(jì)，可嚴(yán)格控制初始溫度，以此防止重復(fù)讀取相同的鍵值，在設(shè)計(jì)軟件中還能做好相關(guān)防抖的處理工作。

（2）溫度采集模塊的設(shè)計(jì)方法

溫度采集的速度較快、功能消耗較低、性能比較可靠，并且反應(yīng)的速度非?？臁Ｔ跀?shù)字型傳感器制造時(shí)，溫度采集模塊應(yīng)用的范圍比較廣泛，和單片機(jī)連接可經(jīng)簡(jiǎn)單的線在短時(shí)間內(nèi)，即可達(dá)到單片機(jī)雙向通訊的效果，測(cè)試溫度控制在50°C左右，顯示模塊多通過(guò)4位的數(shù)碼顯示當(dāng)前的溫度。

（3）電路驅(qū)動(dòng)模塊、散熱模塊的設(shè)計(jì)方法

電路驅(qū)動(dòng)模塊的應(yīng)用，可遵循弱電控制強(qiáng)電原則進(jìn)行控制[4]。所以，控制時(shí)可借助電磁繼電器的作用處理，然后通過(guò)單片機(jī)對(duì)三級(jí)管進(jìn)行控制，從而驅(qū)動(dòng)繼電器對(duì)制冷片控制，利用水散熱支持散熱模塊。

4.3 軟件的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

系統(tǒng)啟動(dòng)后，初始化即可正常工作，對(duì)按鍵模塊設(shè)計(jì)后，再設(shè)置初始t0，然后經(jīng)數(shù)碼管理的方式顯示[5]。不同的溫度輸出后，進(jìn)行t1、t2相比較，若是顯示的結(jié)果為t1數(shù)值>t0，可通過(guò)單片機(jī)的方式對(duì)半導(dǎo)體制冷片制冷予以控制。反之，t1數(shù)值

4.4 新型智能控制器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

半導(dǎo)體制冷器組件進(jìn)風(fēng)口18加裝合理設(shè)置直徑、高度，可避免發(fā)生散熱風(fēng)扇吹出熱風(fēng)于箱體下部、進(jìn)入冷風(fēng)相混合的情況，以此保證散熱的效果。新型智能控制器在設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)合理使用高速單片機(jī)技術(shù)，達(dá)到輔助通訊接口電路、數(shù)字溫度傳感器，以及液晶顯示器等目的。新型智能控制器應(yīng)具備PID控制功能，旨在對(duì)獨(dú)立8位的地址編號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)又串行的接口，能和計(jì)算機(jī)側(cè)控系統(tǒng)保持連接狀態(tài)[6-7]。值得一提的是，一臺(tái)計(jì)算機(jī)最多可以和125臺(tái)同型號(hào)的小型低溫冷槽裝置保持連接，不但可發(fā)揮半導(dǎo)體制冷組建熱端超溫報(bào)警的作用，不易于發(fā)生半導(dǎo)體制冷器過(guò)熱受損現(xiàn)象，而且能對(duì)之前參數(shù)進(jìn)行記憶處理，達(dá)到實(shí)時(shí)控制溫度、PID輸出控制和通訊等效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

單片機(jī)可對(duì)器件MCU進(jìn)行控制，使用制冷片可構(gòu)成恒定溫度的加熱元件、制冷元件，然后采集溫度數(shù)據(jù)。實(shí)際控制期間，經(jīng)電磁繼電器控制半導(dǎo)體制冷元件，從而實(shí)現(xiàn)最佳的制冷效果、制熱效果。和傳統(tǒng)制冷箱相比較，這一系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)更加簡(jiǎn)便、安全，同時(shí)操作過(guò)程不會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成不良影響，無(wú)噪音。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳光輝，袁保合.基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的小型冷熱箱設(shè)計(jì)[J].信息記錄材料，2017，18（9）：103-104.

[2]黃震，張華.半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].上海有色金屬，2017，38（2）：106-111.

[3]張香林.一種提升半導(dǎo)體制冷性能的模糊控制系統(tǒng)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2018，209（4）：32-34.

[4]張曉波，徐象國(guó).多目標(biāo)約束下半導(dǎo)體制冷片幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制冷學(xué)報(bào)，2018，181（03）：25-33.

[5]周世浩，譚躍剛，張帆，等.基于半導(dǎo)體制冷的巧克力3D打印成型條件研究[J].機(jī)電工程，2017，34（4）：351-356.

[6]路凱華，何立東，閆安，等.基于半導(dǎo)體制冷的電機(jī)和軸承散熱系統(tǒng)研究[J].制冷，2017，36（3）：29-34.

[7]趙福云，常菁菁，劉娣，等.半導(dǎo)體制冷箱實(shí)驗(yàn)研究與性能分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016，49（3）：476-480.