摘要：半導體制冷技術自問世以來受到了業(yè)界廣泛關注，隨著材料和半導體產業(yè)的不斷發(fā)展，半導體制冷的功耗問題得到了解決，此后該項技術被廣泛用于冷熱箱類產品。鑒于此，結合市場需求，對現(xiàn)有一款常用的開放式冷熱箱JCK-4進行改進研發(fā)，基于半導體制冷原理研發(fā)出一款參數(shù)合格且符合市場需求的JCK-4B型開放式冷熱箱。

關鍵詞：半導體制冷技術；開放式冷熱箱；產品研發(fā)

中圖分類號：TB657" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）21-0051-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.21.012

0" " 引言

熱電制冷和制熱現(xiàn)象即“珀耳帖效應”于1834年被法國科學家發(fā)現(xiàn)，珀耳帖效應的問世催生了半導體制冷技術。起初該制冷技術由于功耗大、制冷效率過低而未被大量應用于工業(yè)制造，但是該問題隨著半導體和材料技術的不斷迭代發(fā)展已得到了很好的解決，因此半導體制冷技術開始逐步投入實用，該項技術也是早期的冰箱、空調制冷技術的主要原理。雖然制冷技術又有了新的發(fā)展，但半導體制冷技術由于其結構簡單的優(yōu)勢仍然被廣泛應用于小型冷熱箱的制造。市場上采用半導體制冷技術研發(fā)的小型冷熱箱有許多，本文正是從實際市場調研出發(fā)，基于現(xiàn)有常用冷熱箱型號JCK-4重新設計電控、結構等，研制一款新型的開放式冷熱箱，滿足市場的需求[1]。

1" " 半導體制冷技術概述

1.1" " 半導體制冷技術的發(fā)展

經過調查分析可知，半導體制冷技術的發(fā)展經歷了三個重要的階段：第一階段是溫差電流現(xiàn)象被珀耳帖所發(fā)現(xiàn)，業(yè)界基于此項發(fā)現(xiàn)持續(xù)研究熱電制冷和熱電發(fā)電技術，但是由于材料的限制，熱電效應較差，該項研究一直到20世紀50年代都因為能量轉換效率過低而無法滿足工業(yè)實用化的要求。這一限制直到20世紀80年代才得到突破，因為半導體材料內部熱電性能被蘇聯(lián)科學家所發(fā)現(xiàn)，由此熱電效應的效率獲得了突破性提高，基于半導體材料的熱電發(fā)電和熱電制冷技術逐步開始工業(yè)實用化。20世紀80年代之后，基于半導體的熱電制冷性能的工業(yè)應用范圍進一步擴大[2]。

半導體制冷技術以其原理、結構簡單以及制冷效果良好的優(yōu)勢得到了國內外的廣泛重視，基于該項原理的各類研究和應用層出不窮。該技術首先在軍事領域被應用，主要用于制冷激光器、光電倍增管和紅外探測器等器具。我國對該項技術的研究起始于20世紀70年代，隨后10年逐步進入產品研制階段，但初代產品以模仿國外為主，直至20世紀90年代，國內自主研發(fā)了民用的小型便攜式冷熱箱、日化品專用的冷藏箱、高低溫測試設備等產品。接著半導體制冷技術被引入整個醫(yī)療保健領域。當下，冷刀、冰帽、白內障摘除器、雷達、衛(wèi)星和導彈等一系列產品中均有半導體制冷技術的應用。同時，半導體制冷技術也越來越廣泛地應用于高精密科學儀器。

1.2" " 半導體制冷技術原理

塞貝克效應、珀耳帖效應、湯姆遜效應和焦耳效應等表明電能和熱能的轉換是可逆的，由此就可以利用這種可逆性來制冷。圖1所示為半導體制冷技術原理圖。

圖1中，兩片陶瓷片組成一個單片制冷片，N型和P型的半導體材料串聯(lián)置于其間，當直流電流流過電路時，能量隨之轉移，制冷端是由于直流電流從N型半導體流向P型半導體的接口會吸收熱量，制熱端是由于直流電流從P型半導體流向N型半導體的接口會釋放熱量。直流電流的大小以及PN結的對數(shù)決定了吸收和釋放熱量的大小。因此，要達到較好的制冷、制熱效果，就要用到較大的電流和較多的PN結，反之亦然[3]。

2" " 開放式冷熱箱的研制

2.1" " 硬件系統(tǒng)設計

硬件部分設計如圖2所示，采用單片機作為中央處理器，設置輸入模塊用于選擇工作模式和其他參數(shù)，設置溫度采集模塊用于輸入反饋控溫，輸出模塊分為顯示、制熱、制冷三個部分。本次設計的中央處理器選用AT89C51單片機作為處理器，該款單片機價格便宜、性能穩(wěn)定，包含定時器和計數(shù)器功能，有P1～P4四組端口可滿足本產品的電子控制需求。輸入模塊設置按鍵來調節(jié)功能參數(shù)，按鍵設計采用中斷模式執(zhí)行命令，保障模塊內部的實時溫度預設值，從而能夠防止溫度讀取發(fā)生重復情況。溫度采集模塊采用DS18B20數(shù)字型溫度傳感器實現(xiàn)冷熱箱溫度的實時采集，該款溫度傳感器通過一根連接線就可以與單片機建立起雙向通信，且溫度采集范圍為-60～125 ℃，可以滿足冷熱箱的溫控條件。顯示模塊采用LM2581液晶顯示屏，其能通過單片機驅動，并且輸出顯示更加友好，能夠滿足正常使用要求。制冷模塊采用單片機控制三極管的方式進行。散熱模塊采用風冷散熱方式。本產品即JCK-4B型開放式冷熱箱的燈板位置調整至箱內后方，且為了滿足空間設計要求，新開220 V電源板，芯片更改為4 mm厚的12706型，散熱風扇額定轉速改為2 500 r/min。

2.2" " 軟件系統(tǒng)設計

圖3所示為本產品的軟件設計流程圖，冷熱箱啟動后系統(tǒng)進行初始化，然后進入正常的工作模式，此時可以根據(jù)需求通過按鍵設置一個想要的溫度T，此時液晶顯示屏會輸出目標溫度T和實際溫度t，其中實際溫度t是通過單片機發(fā)送指令至溫度采集模塊，即DS18B20數(shù)字型溫度傳感后反饋所得，如果實際溫度大于目標溫度即tgt;T，則通過指令判斷為制冷模式，相反，如果實際溫度小于目標溫度即tlt;T，則通過指令判斷為制熱模式。

2.3" " 冷熱箱結構設計

根據(jù)市場調研確定本產品的結構要求如下：箱體采用發(fā)裸泡結構，中間區(qū)域透明，外部可見箱內酒瓶；箱內上后方帶LED照明燈；滿足直徑105 mm酒瓶頂部開口任意放入的要求。因此，本品即JCK-4B型開放式冷熱箱的外觀設計如圖4所示，根據(jù)產品結構要求并參考JCK-4型結構，本品將JCK-4型上蓋的4個圓孔改成一個長方形孔，然后用一體長方形硅膠墊固定酒瓶，新開硅膠墊支架，并重新設計內上蓋、內下蓋、上蓋、鋁板等零件尺寸參數(shù)。同時，為了增加本產品整體寬度、深度，重新設計左側板、右側板、底座。

最終設計得到本品各項模件的結構爆炸圖如圖5所示。

3" " 開放式冷熱箱的性能測試

根據(jù)市場需求，JCK-4B型開放式冷熱箱的技術參數(shù)如下：

容積：9.6 L（調研可知多數(shù)客戶要求小于10 L）；溫控范圍：5～18 ℃；制冷性能：最大溫差gt;18 ℃（環(huán)境溫度32 ℃）；輸入功率：60×（1±10%）W（25 ℃環(huán)境溫度情況下）；氣候類型：SN/N；噪聲≤38 dB（A）（按GB/T 4214.1—2000規(guī)定方法測試）；最大外形尺寸（寬×深×高）：502 mm×271 mm×260 mm。

本品根據(jù)上述要求進行軟硬件及結構方面的重新設計，試制樣品出來對其進行相關的實驗檢查，以確保產品技術參數(shù)達標。

溫控測試：在環(huán)境溫度（25±1）℃條件下將JCK-4B型開放式冷熱箱樣機空載，輸入AC220 V/50 Hz電源，溫控板分別設定最低（5 ℃）和最高（18 ℃）溫度，各測試3 h，記錄通電2 h樣機的功率，記錄箱內溫度及環(huán)境溫度。溫度探頭布點要求：左、中、右三個點，中心冷壁向下200 mm處（水平方向：距離桶內后壁20～40 mm的箱內空中位置）測試結果合格。

制冷深度測試：在環(huán)境溫度（25±1）℃條件下將JCK-4B型開放式冷熱箱樣機空載，輸入AC110 V/60 Hz電源，短接溫控不控溫，通電測試5 h，記錄箱內左、中、右三點溫度及冷鋁中心表面溫度。溫度探頭布點要求：左、中、右三個點，中心冷壁向下200 mm處（水平方向：距離桶內后壁20～40 mm的箱內空中位置）及冷鋁中心表面。測試結果顯示，冷熱箱制冷深度達到要求。

度量測試及噪聲測試：測試產品整體外形尺寸為502 mm×271 mm×260 mm，容積為9.46 L，均滿足要求；測試噪聲為29 dB（A），也滿足要求。

4" " 結束語

本文首先引入半導體制冷技術的概念并詳細闡述了該項技術的發(fā)展及應用情況，然后指明本產品JCK-4B型開放式冷熱箱正是該項技術的一種常見應用方式；接著從硬件設計、軟件設計、結構設計等三個方面介紹了本產品的研制方案，并成功研制出JCK-4B型開放式冷熱箱樣機；最后針對樣機進行實驗檢測，結果顯示，本次研發(fā)產品JCK-4B型開放式冷熱箱的各項參數(shù)均滿足要求。

[參考文獻]

[1] 李吉慶.基于半導體制冷技術的小型冷熱箱設計分析[J].電子測試，2019（1）：5-7.

[2] 盧煜文.基于半導體制冷技術的小型冷熱箱設計分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2019（15）：87-88.

[3] 陳光輝，袁保合.基于半導體制冷技術的小型冷熱箱設計[J].信息記錄材料，2017，18（9）：103-104.

收稿日期：2024-07-05

作者簡介：黃志鵬（1996—），男，廣東云浮人，助理工程師，研究方向：產品結構設計。