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(jīng)過調查分析可知,半導體制冷技術的發(fā)展經(jīng)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)品研制階段,但初代產(chǎn)品以模仿國外為主,直至20世紀90年代,國內(nèi) 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(chǎn)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(nèi)障摘除器、雷達、衛(wèi)星和導彈等一系列產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)品即JCK—4B型開放式冷熱箱的燈板位置調整至箱內(nèi)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(chǎn)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t>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t<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(chǎn)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(nèi)酒瓶;箱內(nèi)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(chǎn)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(nèi)上蓋、內(nèi)下蓋、上蓋、鋁板等零件尺寸參數(shù)。同時,為了增加本產(chǎn) 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>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(chǎn)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AC220V/50Hz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(nèi)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(nèi)后壁20~40 mm的箱內(nèi)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AC110V/60Hz電源,短接溫控不控溫,通電測試5 h,記錄箱內(nèi)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(nèi)后壁20~40 mm的箱內(nèi)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(chǎn)品整體外形尺寸為502 mm×271 mm×260mm,容積為9.46L,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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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.

2024年第21期第12篇