基于半导体制冷的动态不规则物体降温

    1 引言

    半导体制冷技术的产生与发展已有50多年的历史,目前是制冷领域的研究热点之一。其优点在于制冷片重量轻、占用空间小;机械结构相对简单,在生产和消费的诸多领域均有广泛应用[1-2],如车载小冰箱、制冷饮水机、热电空调等等,甚至有文献分析了在宇宙空间中应用的可行性[3]。

    半导体制冷片工作时冷端的吸热公式为

    其中α为温差电动势,I为工作电流,R为半导体制冷片电阻,K为热传导系数,Tc、Th分别为半导体冷、热端的温度。

    要发挥半导体制冷元件出最大效率必须减小冷热端温差。热端可选用的散热方式包括风冷、水冷及热管散热等等[4-5],同时冷端也需要考虑加强冷量的快速传递[6]。以往文献集中讨论静态制冷的工作状况与数据,这类试验大多用于饮水机、热电制冷箱等装置的开发过程中,制冷的对象一般在放置于降温设备中通过热传导和对流来实现降温。当前实际应用中,还需要对某些具有不规则外表并可能实时变换空间位置的物体进行降温,例如工厂在生产某些复杂器件的过程中需要局部降温、控温;人体的肌肉、关节等各部位在受伤状态下及恢复过程中需要降温装置来治疗等。本文从便携的角度,综合考虑经济因素等方面,采用风冷散热,通过多组试验数据来分析当降温对象处于动态状况下的制冷对策。

    2 试验装置设计

    (1)实验用储水箱(图1中B所在的矩形区域)尺寸为70mm×50mm×110mm,图1为制冷装置剖面图,图2为试验装置实物图。

    (2)半导体制冷片型号为TES112703 (图1中D所指阴影部分),参数如下:

    外形尺寸: L1B1H (mm): 30×30×3.5

    元件对数: 127

    最大电流Imax: 3A

    最大电压Vmax: 1514V

    最大温差ΔTmax: 67℃

    最大产冷功率Qcmax(ΔT =0 ): 2913W;

    (3)制冷用导热铝片及散热铝片

    考虑到铝片挤压成形的经济成本较高,一般须经过铝片产品设计、材料分析、挤压模具设计、模具制造、挤压成形这一系列步骤,本试验选用市场上可以买到的较适合实验的铝片,基本满足热交换要求。制冷铝片尺寸为55mm×55mm,翅高25mm,共有8片翅片,底厚5mm,总面积约为260cm²,保证与储水箱内的水充分接触。除去制冷铝片的体积,储水箱内可蓄水约320ml。同时,半导体制冷片的热端采用大面积铝片散热,翅片呈波浪型曲线,外接直流风扇。风扇从外界抽气后吹向铝片,然后沿平行的翅片槽往两边排出,及时带走热量。因此良好的三向通风环境也是散热的必要条件。试验中最关键的数据之一是半导体冷热两端的温度值,考虑到制冷用导热铝片及散热铝片的体积与厚度,采用日本石冢电子(semitec)出品的ET系列小探头高精度热敏电阻作为温度传感器测量,503ET的探头直径所占体积仅为4mm³,图1中ET1与ET2即为冷、热端温度探头的位置。通过美国国家半导体公司(NS)的三端可调恒流LM334及常用的二极管1N4148来构成零温度系数的小电流恒流电路,使用优利德(UNI-T)高精度万用表UT58E读出电压值,换算成热敏电阻值,优利德UT58E型万用表对直流电压的测量精度为?(0105%+3) V,相当于16位的A/D转换电路。最后查询石冢电子给出的参考数据来得到半导体冷、热端的温度值。图1中C为30mm×30mm×20mm的铝块,用来把半导体制冷片产生的冷量传递给制冷铝片,实际应用中为了加快冷量传递,可以把制冷铝片和铝块C作成一体,总的设计目标就是在体积一定的情况下尽可能增大与水的接触面积。