金方圓 張澤宇 顏鈿超 藍(lán)正陽(yáng)

摘 要：水杯是人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ?jiàn)得飲水工具。文章主要介紹了半導(dǎo)體制冷片、半導(dǎo)體制冷片工作的原理和半導(dǎo)體制冷片控制杯中水溫的設(shè)計(jì)。通過(guò)半導(dǎo)體制冷片對(duì)水溫的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)制造冰水和熱水的基本功能。即按照溫控杯的最大量程和人們對(duì)水溫的要求等綜合確定半導(dǎo)體制冷片工作時(shí)的功率，以便實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)制造冷、熱水的效果。首先明確溫控杯的量程和半導(dǎo)體制冷片功率大小;除外，根據(jù)人們對(duì)水溫的需求，完成半導(dǎo)體制冷片工作的控制系統(tǒng);溫控杯外圍杯壁上裝配溫度顯示器和控制半導(dǎo)體制冷片工作的按鈕。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷片;溫控杯;控制系統(tǒng)

1 概述

如今，社會(huì)的生產(chǎn)力正在飛速地發(fā)展，人們的生活也在日益變好。水杯已經(jīng)不再是只能用于儲(chǔ)水的工具，它還可以實(shí)現(xiàn)保溫，制冷等功能，例如市場(chǎng)上最常見(jiàn)的保溫杯和冰沙杯。但隨著社會(huì)的發(fā)展，以及人們對(duì)于物質(zhì)生活要求的提升，市場(chǎng)上那些功能單一，有使用條件限制的杯子已經(jīng)慢慢地不被人們所滿足。目前利用半導(dǎo)體制冷片實(shí)現(xiàn)制冷的方法正在被一些領(lǐng)域所廣泛應(yīng)用，而且并不會(huì)帶來(lái)環(huán)境污染。隨著這種方法不斷地被應(yīng)用，將其應(yīng)用在杯子上則可實(shí)現(xiàn)對(duì)杯中水的加熱和制冷。

2 溫控杯和TEC的概述

2.1 溫控杯的基本構(gòu)造。溫控杯是由不銹鋼、半導(dǎo)體制冷片、電子控制系統(tǒng)、散熱器和塑料作成的盛水的容器。溫控杯的硬件配置和電氣等同于人體的四肢和大腦一樣。成熟利用半導(dǎo)體制冷片制冷的技術(shù)顯得溫控杯的特殊與新穎。溫控杯的基礎(chǔ)框架為五大系統(tǒng)和兩大空間。五大系統(tǒng)分為半導(dǎo)體制冷片制冷和制熱的系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、溫度傳感系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。兩大空間則涵蓋以下：杯子的內(nèi)部空間和杯子內(nèi)杯壁與外杯壁之間的空間。本設(shè)計(jì)具體功能希望溫控杯能實(shí)現(xiàn)以下功能：按照使用者對(duì)飲用水的需求在5至6分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)水的制冷或制熱。首先明確可以降溫或加熱到某一溫度的范圍;其次設(shè)計(jì)好溫度控制系統(tǒng)程序和電源工作程序;外圍杯壁上必須裝配溫度顯示器和控制半導(dǎo)體制冷片工作的按鈕。溫度顯示器上可以實(shí)時(shí)的顯示杯中的水溫高低，電子控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的控制需要加熱或制冷的到達(dá)的水溫和半導(dǎo)體的工作狀態(tài);在半導(dǎo)體制冷片工作的同時(shí)散熱系統(tǒng)能及時(shí)為半導(dǎo)體轉(zhuǎn)移和散發(fā)熱量;溫控杯設(shè)有外置電源，可為溫控杯隨時(shí)誰(shuí)地的供應(yīng)電能。為此關(guān)于溫控杯的內(nèi)部構(gòu)造及各個(gè)系統(tǒng)的功能等的數(shù)據(jù)，要求設(shè)計(jì)人員對(duì)其有深刻的了解，掌握這些功能后通過(guò)編寫(xiě)相關(guān)程序以及組裝制造杯子來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。

2.2 ?TEC的基本結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體制冷片（TEC），也叫熱電制冷片，是一種熱泵。由許多N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體之顆粒互相排列而成，而NP之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最后由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來(lái)（陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好）。采用半導(dǎo)體制冷片制冷相比較于其他的制冷方式，它的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無(wú)制冷劑污染的場(chǎng)合。其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)框架圖如圖所示

2.3 TEC的工作原理。在原理上，半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端;由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。并且半導(dǎo)體制冷片吸熱和放熱的大小是通過(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對(duì)數(shù)來(lái)決定的。但是半導(dǎo)體自身存在電阻當(dāng)電流經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱量，從而會(huì)影響熱傳遞。而且兩個(gè)極板之間的熱量也會(huì)通過(guò)空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時(shí)，就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，正逆向熱傳遞相互抵消。此時(shí)冷熱端的溫度就不會(huì)繼續(xù)發(fā)生變化。通常半導(dǎo)體制冷片冷熱端的溫差可以達(dá)到40～65度之間，如果通過(guò)主動(dòng)散熱的方式來(lái)降低熱端溫度，那冷端溫度也會(huì)相應(yīng)的下降，從而達(dá)到更低的溫度。在溫控杯中半導(dǎo)體工作時(shí)的轉(zhuǎn)移的熱量是由風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行散熱的。

3 溫控杯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 溫控杯的工作原理。溫控杯就是利用半導(dǎo)體制冷片來(lái)轉(zhuǎn)移杯子中水的溫度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水的制冷制熱。其次在杯子的底部設(shè)有風(fēng)扇用于在半導(dǎo)體工作時(shí)的散熱。

3.2溫控杯控制系統(tǒng)的程序系統(tǒng)。使用者在確定好所需求的水溫后，接通好電源，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)按鈕。杯子內(nèi)部裝有的溫度檢測(cè)器會(huì)不斷地向杯子的控制系統(tǒng)發(fā)射溫度信號(hào)。然后控制系統(tǒng)中的集成電路芯片會(huì)根據(jù)所得到的溫度信號(hào)，再對(duì)半導(dǎo)體制冷片發(fā)出相對(duì)應(yīng)的工作信號(hào)。半導(dǎo)體制冷片開(kāi)始制冷或制熱，直至溫度達(dá)到使用者先前確定好的水溫再停止工作，從而滿足使用者的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)人們對(duì)于杯子功能的需求，本論文介紹了溫控杯的設(shè)計(jì)原理和主要組成部分以及半導(dǎo)體制冷片的工作原理和基本構(gòu)成。充分考慮半導(dǎo)體制冷片的制冷制熱安全性以及可行性，結(jié)合目前市場(chǎng)上的水杯功能以及種類，對(duì)水杯的功能進(jìn)行升級(jí)和擴(kuò)展，從而研發(fā)和設(shè)計(jì)了溫控杯。、

參考文獻(xiàn)

[1]百度百科 ?半導(dǎo)體制冷片

[2]張忍 ?集予PLC電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)