朱浩唯　李嘉　王璐

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院　上?！?00233

1　引言

半導(dǎo)體制冷是一種比較新穎的能量轉(zhuǎn)換方式，具有小型、輕便、無磨損、工作時(shí)無噪音、無方向性、溫度易控制、冷卻速度快、工作壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此近年來在家電、紅外、激光、電子和航天領(lǐng)域中受到人們的重視，并得到了較成熟的應(yīng)用[1]。

2　半導(dǎo)體制冷的原理

半導(dǎo)體制冷又稱溫差電制冷，是一種通過直流電來進(jìn)行制冷的新型制冷方法，它主要通過特種半導(dǎo)體材料中的P-N結(jié)，產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)，來進(jìn)行熱量的轉(zhuǎn)移。半導(dǎo)體制冷具體的工作方式如圖1所見，在兩片陶瓷片之間連接有2塊半導(dǎo)體材料，其中左邊的為P型材料，右邊的為N型材料，當(dāng)電流從N型材料經(jīng)上方的導(dǎo)流板流向到P型材料時(shí)，上方的導(dǎo)流板從外界吸收熱量成為冷端，而下方的導(dǎo)流板則與之相反向外界釋放熱量成為熱端。熱量傳遞的效率取決于通過電流的大小和半導(dǎo)體材料的元件對(duì)數(shù)。通常實(shí)際使用中的制冷片由上百對(duì)電偶組成，以達(dá)到增強(qiáng)制冷（制熱）的效果[2]。

3　試驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

為了能更深入的了解半導(dǎo)體制冷的熱性，這里選用了半導(dǎo)體制冷在日常生活中的一個(gè)典型應(yīng)用——制冰機(jī)來進(jìn)行試驗(yàn)研究。器具使用半導(dǎo)體制冷對(duì)冷端容器內(nèi)的水進(jìn)行將溫，而在熱端則使用風(fēng)扇來進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流，本次試驗(yàn)中為了更真實(shí)的了解半導(dǎo)體制冷的性能變化，使用保溫材料對(duì)置水容器進(jìn)行保溫以在器具的冷端近似達(dá)到絕熱的效果。

在本試驗(yàn)中，使用冰箱測(cè)試系統(tǒng)（圖2）來對(duì)半導(dǎo)體制冷的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行記錄，測(cè)試過程中，保持實(shí)驗(yàn)室溫濕度恒定，風(fēng)速度維持在0.25m/s以下，同時(shí)使用3個(gè)熱電偶對(duì)環(huán)境溫度、半導(dǎo)體制冷的熱端的溫度以及冷端容器內(nèi)的水溫進(jìn)行記錄，此外通過數(shù)字功率表對(duì)試驗(yàn)中的各電參數(shù)進(jìn)行記錄。考慮的數(shù)字功率計(jì)記錄功率的是冰激凌的總功率，為了得到更精確的研究制冰機(jī)中半導(dǎo)體制冷部分的工作性能，試驗(yàn)中將攪拌電機(jī)斷開，同時(shí)在最終的功率計(jì)算中扣除熱端風(fēng)機(jī)和電路板的功率。

4　試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)共進(jìn)行5組測(cè)試，分別在16℃、20℃、24℃、28℃和32℃的環(huán)境中，將冷端容器中水從環(huán)境溫度降溫到冰點(diǎn)以下。圖3中給出了32℃環(huán)境溫度下冰激凌機(jī)的溫度曲線?？梢钥吹皆谥票鶛C(jī)啟動(dòng)后，其熱端溫度急速上升，在大約3分鐘的時(shí)間內(nèi)從32℃上升到約40℃，之后一直維持在40℃左右。制冰機(jī)冷端的降溫過程則大致可以分為A、B、C共3個(gè)過程。

其中A段是制冰機(jī)啟動(dòng)后冷端溫度從32℃逐漸降到3℃左右，在該過程中，冰激凌機(jī)通過半導(dǎo)體制冷的方式不斷從水中吸收熱量，將其轉(zhuǎn)移到熱端并通過強(qiáng)制對(duì)流的方式傳遞給環(huán)境。在B段中，冷端溫度維持在3℃左右，在該過程中，容器中的水達(dá)到冰點(diǎn)進(jìn)入冰水混合的兩相態(tài)，所以隨著冰激凌機(jī)從水中吸收熱量，水溫保持不變但不斷從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，值得注意的一點(diǎn)是，在該實(shí)驗(yàn)中，水的冰水兩相溫度大于0℃，這是由于在封閉容器進(jìn)行試驗(yàn)之前，容器內(nèi)壓力為大氣壓力，但隨著容器內(nèi)溫度降低，其壓力也不斷下降，考慮到水的冰點(diǎn)隨氣壓降低而升高的特點(diǎn)，因此在該實(shí)驗(yàn)中，水的冰水兩相溫度都大于0℃。在C段中，冷端溫度又重新開始下降，在該過程中，容器中的水已完全結(jié)為固態(tài)。

圖1　半導(dǎo)體制冷示意圖

圖2　測(cè)試系統(tǒng)

圖3　在32度環(huán)境溫度下冰激凌機(jī)的降溫過程

圖4　在32度降溫過程中冰激凌機(jī)的功率曲線

對(duì)于半導(dǎo)體制冷的熱端，根據(jù)圖3，在啟動(dòng)后很短的時(shí)間內(nèi)熱端與環(huán)境溫度之間就可以建立起6～7℃的溫差，之后整個(gè)降溫過程中該溫差始終維持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度區(qū)間內(nèi)，對(duì)比同時(shí)段冰激凌機(jī)半導(dǎo)體部分的輸入功率（圖4）可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在冰激凌機(jī)運(yùn)行期間，熱端溫度與輸入功率的比值從0迅速增加到某一定值，之后基本穩(wěn)定在該值附近，為了更直觀的體現(xiàn)這一規(guī)律，圖5給出了整個(gè)過程中熱端溫差與功率比值的變化過程。

對(duì)于半導(dǎo)體制冷的冷端，圖6給出了冰激凌機(jī)降溫速率的變化，在降溫初期冷端溫度下降比較快為2.8℃/min，但隨著冷端溫度的下降，環(huán)境溫度與冷端之間的溫差逐漸增加，冷端的降溫速率也開始減緩，在冷端溫度降到15℃的時(shí)候，冷端的降溫速率已經(jīng)減小到1℃/min以下。而在冷端的水完全凝結(jié)成冰之后，冷端的降溫速率又重新開始增加。這是由于根據(jù)帕爾貼效應(yīng)，

圖5　在降溫過程中熱端溫差與功率比值的曲線

圖6　冰激凌機(jī)降溫速率的變化

圖7　不同環(huán)境溫度下從15度降到5度的能耗

式中：

Q——放熱或吸熱功率；

π——比例系數(shù)，稱為珀?duì)柼禂?shù)；

I——工作電流；

a——溫差電動(dòng)勢(shì)率；

TC——冷接點(diǎn)溫度。

在開始階段，容器內(nèi)的水為液態(tài)，伴隨著冷端的吸熱，冷端溫度下降，由于冷端的吸熱量與冷端的溫度成正比，因此吸熱量減小，從而導(dǎo)致冷端的降溫速率減小，之后隨著冷端溫度不斷下降，最終達(dá)到冰水兩相區(qū)時(shí)，冷端溫度變化會(huì)有一個(gè)短暫的停滯，隨著冷端的進(jìn)一步吸熱，容器內(nèi)的水完全結(jié)為固態(tài)，冷端的降溫速率又重新開始增加。之所以C段開始處的降溫速率要大于結(jié)冰前即A段末尾處的降溫速率是因?yàn)樵谄渌麠l件相近的情況下，固態(tài)水的比熱c固態(tài)水要明顯小于液態(tài)水的比熱c液態(tài)水，考慮到溫度變化速率與吸熱速率、重量成正比，與比熱成反比，即：

dQ——換熱量，此處為冷端的吸熱量；

m——質(zhì)量，此處為冷端容器內(nèi)水的質(zhì)量；

dt——溫度變化，此處為冷端容器內(nèi)水的溫度變化。

本次試驗(yàn)中，m為定值=300g，而A段結(jié)束處的溫度近似等于C段開始處的溫度，根據(jù)之前的分析可得，A段結(jié)束處的吸熱效率近似等于C段開始處的吸熱效率。因此當(dāng)A段結(jié)束處的c液態(tài)水大于C段開始處的c固態(tài)水，A段結(jié)束處的溫降速率小于C段開始處的溫降速率。

為了了解環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體制冷工作效率的影響，圖7給出了不同環(huán)境溫度下冷端容器內(nèi)的水從15℃降到5℃（之所以選擇5℃而不是0℃是為了避免冰水兩相區(qū)的干擾）所需的能耗。如圖所示，環(huán)境溫度為16℃遞增到32℃，將半導(dǎo)體冷端從15℃降為5℃所需的能耗從12Wh近乎線性地增加到了21Wh。即隨著環(huán)境溫度的增加，半導(dǎo)體制冷能耗增加，半導(dǎo)體制冷的效率會(huì)減小。

5　結(jié)論

本文主要通過對(duì)冰激凌機(jī)的一系列試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，分析半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的工作規(guī)律和相應(yīng)的溫度變化。同時(shí)根據(jù)半導(dǎo)體在不同環(huán)境溫度下的能耗表現(xiàn)，分析環(huán)境溫度對(duì)半導(dǎo)體制冷工作效率的影響。具體結(jié)論如下：

（1）冰激凌機(jī)半導(dǎo)體制冷的熱端在啟動(dòng)后很短的時(shí)間內(nèi)就可以建立起一定的溫差，并在整個(gè)過程中始終穩(wěn)定在該溫差值附近。

（2）冰激凌機(jī)半導(dǎo)體制冷的冷端在降溫初期溫度下降比較快，但隨著冷端溫度的下降，吸熱量減小，降溫速率也不斷減小。

（3）即隨著環(huán)境溫度的增加，冰激凌機(jī)半導(dǎo)體制冷的效率會(huì)顯著地減小。