王星星 朱興喜 湯黎明 于春華*

近年來，自然災(zāi)害和戰(zhàn)爭(zhēng)的頻發(fā)，出血性傷亡及病毒性感染等事件不斷發(fā)生，對(duì)于必要的血液、血制品或者新型疑似病毒如何進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，需要對(duì)冷藏裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研制。盡管目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了部分冷藏車和冷藏箱，但因其價(jià)格高、體積大，不便在災(zāi)后或野戰(zhàn)救治過程中使用。為解決這一問題，提出設(shè)計(jì)一種大小適中、方便攜行、效率高、冷藏時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)可滿足災(zāi)后及野戰(zhàn)中使用的野戰(zhàn)低溫冷藏箱，用于災(zāi)后及野戰(zhàn)救治過程中轉(zhuǎn)移運(yùn)送血制品或疑似病毒。

1 設(shè)計(jì)思路與原理

根據(jù)災(zāi)害、野外戰(zhàn)爭(zhēng)等特殊環(huán)境中的使用需求，所研制的野戰(zhàn)低溫冷藏箱體積大小應(yīng)適中、重量要輕且方便攜行，因此不宜使用體積大而笨重的機(jī)械制冷裝置。而半導(dǎo)體制冷技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的研究，技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。同時(shí)，半導(dǎo)體制冷片以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、低噪聲、無磨損、壽命長(zhǎng)、控制靈活以及無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為研制野戰(zhàn)低溫冷藏箱的首選材料[1]。

半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷或溫差電制冷，它是一種基于珀?duì)柼?yīng)的制冷技術(shù)。1834年，珀?duì)柼陔娏魍ㄟ^兩種不同導(dǎo)體的接頭時(shí)，接頭上有熱量Q的吸收或放出，從而確定了珀?duì)柼?yīng)的存在。1838年，楞次在金屬鉍和金屬銻的接合處的凹下部分放進(jìn)一滴水，當(dāng)從某一方向上通過電流時(shí)，水就結(jié)冰；而當(dāng)反方向的電流通過時(shí)，冰就融化。楞次用這個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)證明了珀?duì)柼?yīng)的正確性，也為珀?duì)柼?yīng)在今后的實(shí)際應(yīng)用展示了可能的前景[2]。

2 基本結(jié)構(gòu)

為了便于研制，將野戰(zhàn)低溫冷藏箱的設(shè)計(jì)分為制冷部分、散熱部分、電源部分和箱體及保溫材料等4部分。

2.1 制冷部分

盡管半導(dǎo)體的珀?duì)柼?yīng)要比金屬的珀?duì)柼?yīng)明顯很多，但是在制冷時(shí)其效率依然很低，損耗很大[3-4]。半導(dǎo)體制冷片的制冷效果與其冷熱兩端的溫差有關(guān)，在溫差一定的情況下，熱端的溫度越低，冷端的溫度也就越低，制冷效果就越好[5]。因此，采用TES1-12708半導(dǎo)體制冷片做制冷元件，熱端溫度分別為25 ℃、50 ℃時(shí)TES1-12708的性能參數(shù)見表1和表2。

表1 熱端溫度25 ℃時(shí)TES1-12708性能參數(shù)

表2 熱端溫度50℃時(shí)TES1-12708性能參數(shù)

由表1、表2可知，使用TES1-12708做制冷元件時(shí)，即便熱端溫度高達(dá)50 ℃時(shí)，其冷端的溫度也在零度以下，為－25 ℃，仍可保證其制冷效果。但是為了能夠達(dá)到更好的制冷效果，將半導(dǎo)體制冷片的熱端緊貼在水箱的一面上散熱，以水冷的方式保證散熱片熱端的溫度保持在50 ℃以下，從而保證TES1-12708型半導(dǎo)體制冷片的制冷效果[6-8]。

2.2 散熱部分

由于半導(dǎo)體制冷片在工作過程中的熱端工作效率較高，產(chǎn)生的熱量較多，因此普通的空氣散熱效果很差。

公式1中∶Q為吸收的熱量，m為物質(zhì)的質(zhì)量，c為物質(zhì)的比熱，T2為物質(zhì)吸收Q熱量后的溫度，T1為物質(zhì)的初始溫度。

在制冷片產(chǎn)生同等熱量的情況下，由于水的比熱要比空氣的比熱大的多，因此等質(zhì)量的水的溫度變化比空氣小很多，可較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。因此用水冷的散熱方式可以較長(zhǎng)時(shí)間的保證散熱效果，降低制冷片的熱端溫度，進(jìn)而提高制冷效果[9-13]。

當(dāng)半導(dǎo)體制冷片工作后，熱端產(chǎn)生的熱量被水吸收，水的溫度會(huì)慢慢升高，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)循環(huán)回路來給水散熱，水箱里的水通過循環(huán)回路到散熱片，經(jīng)過降溫處理后再回流到水箱中。這種設(shè)計(jì)可保證在半導(dǎo)體制冷片長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下，水箱內(nèi)有源源不斷的冷卻水注入，確保水箱內(nèi)水的溫度都能盡可能的與外界環(huán)境溫度相接近，因此用這種循環(huán)的水冷方式來給半導(dǎo)體制冷片散熱可保證半導(dǎo)體制冷片的熱端的溫度變化很小，溫度不會(huì)過高，從而保證半導(dǎo)體制冷片的冷端的制冷效果。水冷裝置如圖1所示。

圖1 水冷裝置示意圖

水冷裝置包括水箱、微型水泵、散熱管以及風(fēng)扇等幾個(gè)部分；水箱為250 mm×200 mm×10 mm的立方體，其作用是利用水來給制冷片的熱端散熱。水箱的一面與半導(dǎo)體制冷片的熱端緊貼，之間以導(dǎo)熱膠連接。水箱的上端有一進(jìn)水口，冷卻后的水經(jīng)此口循環(huán)流入水箱；水箱的下部有一出水口，微型水泵通過此口將水泵到散熱管上，經(jīng)風(fēng)扇冷卻后再回流入水箱，形成一個(gè)循環(huán)。水箱側(cè)面下部有一注水口，注水口通過一根L型導(dǎo)管連接到箱體外部，當(dāng)水箱內(nèi)的水面低于半導(dǎo)體制冷片上部邊沿時(shí)，需通過注水口向水箱內(nèi)加水，以確保不會(huì)燒壞制冷片。微型水泵的一端與水箱的進(jìn)水口相連，另一端與散熱管的一端相連，其作用是提供水路循環(huán)的動(dòng)力，將水箱內(nèi)的水泵到散熱片上，散熱后再將水泵回水箱。散熱管采用內(nèi)徑為0.5 mm的銅管，銅管彎曲成如圖1所示的曲管，通過增加水流路徑的方式增加散熱面積和散熱時(shí)間。采用DC12 V，0.21 A的直流風(fēng)扇緊靠散熱管為水散熱。這種以水箱為制冷片熱端散熱、風(fēng)扇為水散熱的雙重循環(huán)散熱結(jié)構(gòu)能有效降低制冷片熱端溫度，保證制冷效果。

2.3 電源部分

由于野戰(zhàn)及災(zāi)后易發(fā)生電力中斷等情況，為了保證野戰(zhàn)低溫冷藏箱可在此環(huán)境下使用，其電源的設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分∶

(1)DC/DC逆變電源，適用于因電力中斷或車載行進(jìn)過程中的蓄電池供電方式，可將12～24 V電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)定的12 V直流電壓，這部分電源經(jīng)過逆變、降壓、整流等步驟確保將12～24 V范圍內(nèi)的電壓轉(zhuǎn)換為12 V穩(wěn)定輸出，這部分電源安裝于野戰(zhàn)低溫冷藏箱內(nèi)，有效滿足TES1-12708型半導(dǎo)體制冷片、散熱風(fēng)扇以及微型水泵的供電需求[14]。

(2)AC/DC高頻開關(guān)電源，可將220市電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的24 V直流電源，該部分電源經(jīng)過整流、逆變、二次整流等步驟確保不論市電處于峰值還是谷值都可穩(wěn)定輸出24 V電壓，這部分電源為獨(dú)立的封裝，不安裝于野戰(zhàn)低溫冷藏箱內(nèi)，只在有市電供應(yīng)的范圍內(nèi)使用，其輸出可通過電源接口與DC/DC逆變電源輸入端相連[6]。

這種分開的電源設(shè)計(jì)能保證野戰(zhàn)低溫冷藏箱既可使用車載電平供電，也可使用市電供電，有效拓寬了野戰(zhàn)低溫冷藏箱的使用范圍。

2.4 箱體與保溫材料

為滿足野戰(zhàn)環(huán)境下的便攜與存儲(chǔ)要求，野戰(zhàn)低溫冷藏箱的箱體采用350 mm×250 mm×250 mm的塑料箱，有效容積為12.5 L，能有效滿足野戰(zhàn)及災(zāi)后救治過程中對(duì)血制品、人體器官、疑似病毒的轉(zhuǎn)運(yùn)需求。冷藏箱箱壁分內(nèi)外兩層，中間填充復(fù)合型酚醛發(fā)泡材料，這種發(fā)泡材料具有導(dǎo)熱系數(shù)低、隔熱效果好、防燃防水等優(yōu)點(diǎn)，是作為保溫材料的不二選擇[15]。

3 結(jié)論

該野戰(zhàn)低溫冷藏箱無污染、低噪聲、質(zhì)量輕，雙重散熱的水冷設(shè)計(jì)能有效降低制冷片熱端的溫度，保證制冷片的制冷效果；箱內(nèi)容積較小，因此只需很短的時(shí)間即可達(dá)到制冷需求，制冷速度快；以復(fù)合型酚醛材料做保溫材料，且箱體密封設(shè)計(jì)，確保冷藏箱保溫時(shí)間長(zhǎng)。分離式的電源設(shè)計(jì)保證冷藏箱即可使用蓄電池供電，也可使用市電供電，可有效滿足野戰(zhàn)或?yàn)?zāi)后電源短缺環(huán)境下和車載轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的使用需求；野戰(zhàn)低溫冷藏箱能為救治出血性疾病患者或疑似病毒的轉(zhuǎn)運(yùn)研究提供幫助，為國家減少經(jīng)濟(jì)損失和人才損失，這些都是其他制冷設(shè)備所不能代替的。

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