穆江勃，盧菡涵，劉志奇，閆獻國，徐昌貴

(1.太原科技大學機械工程學院，太原030024;2.北京工商大學機械工程學院，北京100048)

1 引言

半導體制冷技術是基于帕爾貼效應的一種新型制冷方式，它具有體積小、無污染、易于控制的特點。目前在醫(yī)學上的應用較為廣泛，如:PCR儀、電泳儀及一些智能精確溫控的恒溫儀培養(yǎng)箱等，因此對半導體制冷恒溫箱的研究具有一定的實用價值。本文通過對半導體制冷及傳熱原理的研究，最終確定出一套恒溫箱的設計理論及方法，對以后該類恒溫箱的進一步設計與批量生產提供理論指導及技術支持。

2 半導體制冷原理

早在1834年，法國物理學家帕爾貼發(fā)現(xiàn)帕爾貼效應——兩個不同導體接通后，通上直流電，在接頭處產生吸熱或放熱現(xiàn)象，這就是半導體制冷原理。如圖1所示，通上直流電源后，在上面的接頭處，電流由n型半導體流向p型半導體，也就是由負溫差電勢流向正溫差電勢，由低能級流向高能級，就會從外界吸收能量，因此成為冷端，溫度降低;相反，在下面的接頭處，電流是從p型半導體流向n型半導體，釋放能量，形成熱端，溫度升高。

圖1 半導體制冷原理圖

3 恒溫箱結構設計

基于半導體制冷原理，對醫(yī)用恒溫箱進行結構設計。初步確定該試驗箱的體積為8L，室溫為30℃ (303K)，假定在半個小時內能從室溫降到0℃ (273K)，即溫度下降為ΔT=30K。

(1)殼體隔熱層的理論計算

殼體采用不銹鋼來制作，選取鋼板厚度σ1=0.2mm，隔熱層采用聚氨酯發(fā)泡劑發(fā)泡來形成，聚氨酯泡沫塑料具有容重強度高、質輕、使用壽命長、導熱系數(shù)低、低溫或高溫尺寸穩(wěn)定性好的特點，因此采用聚氨酯泡沫塑料做隔熱層是很好的選擇。隔熱層的厚度由公式 (1)來計算。

式中:

λ—隔熱層的導熱系數(shù);

α—空氣對隔熱層外表面的放熱系數(shù);

Tb—隔熱層外表面溫度;

TW—被隔熱物體的溫度;

Ta—環(huán)境溫度。

將各個參數(shù)帶入公式 (1)中，可求出隔熱層的理論厚度為27.64mm，為了確保保溫效果，將理論值化整計算，取隔熱層厚度為30mm。

(2)恒溫箱冷負荷的理論計算

恒溫箱的冷負荷主要包括兩部分:(1)箱體由常溫降至貯藏溫度的空載降溫冷負荷 (恒溫運行時存儲樣品的降溫冷負荷考慮包含在內);(2)熱量通過箱壁從外界傳入的冷負荷。其中降溫階段的冷負荷可用公式 (2)計算，外界熱量通過箱壁傳入的冷負荷可用公式 (3)計算。

式中:

Q1、Q2—分別表示降溫的冷負荷和傳導的冷負荷;

M—表示需要降溫部分的質量;

C—比熱容;

T1、T2—分別表示降溫初始和結束時的箱體內溫度;K—熱導率;

F—表示箱體外表面積的平均值;

Ta、T—分別表示環(huán)境溫度和箱體內溫度。

根據(jù)計算，可得公式中的各個參數(shù)值分別為:

M空=1.205 kg/m3

M鋼=7750 kg/m3

C空=1.0005 kJ/kg·k

C鋼=0.47 kJ/kg·k

K=5 W/m2·K

T1=303 K

T2=273 K

t=1800 s。

將各個參數(shù)值分別帶入公式 (2)和 (3)中，可得系統(tǒng)所需冷負荷為

Q=Q1+Q2=0.257 kW=257 W

通過對半導體制冷片的參數(shù)與制冷性能的分析比較，最終可選用C1206型號的半導體制冷片，如圖2所示。該制冷片的額定電壓為12V，額定電流為6A，每個制冷片的功率為P=12×6=72 W，制冷量q為55W，那么，半導體制冷試驗箱需要制冷片的個數(shù)為:

綜合考慮該試驗箱空箱降溫次數(shù)不多等因素，選取半導體制冷片個數(shù)為4個。

圖2 C1206制冷片

圖3 恒溫箱三維模型圖

根據(jù)上述理論計算，首先采用Solidworks三維軟件進行恒溫箱三維模型的設計，所設計三維模型如圖3所示。

基于該三維模型，進行恒溫箱的實體加工。將開關、控制器等元件與箱體組裝起來，就構成了整體的半導體制冷恒溫箱，如圖4所示。

4 實驗驗證

加工出所設計的恒溫箱，需要進一步對其性能進行實驗驗證，以確保該恒溫箱是否能夠滿足設計要求。

4.1 制冷能力的實驗驗證

首先在室溫20℃，不加溫度控制器的前提下，對該恒溫箱的制冷能力進行實驗驗證，記錄半小時內持續(xù)制冷情況下該箱體內的溫度，溫度變化情況如圖5所示。

圖4 半導體制冷恒溫箱實體圖

圖5 恒溫箱制冷能力實驗

從圖5可以看出，室溫20℃時，開機制冷前五分鐘的制冷速度是比較快的，之后，雖然速度有所減緩，但由于總制冷量不變，箱內溫度仍會持續(xù)不間斷下降，開機30分鐘后，箱內溫度可達1.5℃左右。

由于血液的存儲溫度為2～6℃，由上述實驗可以看出所設計的半導體制冷恒溫箱在常溫下能夠滿足設計目標，可以滿足血液存儲的需要。

4.2 恒溫控制實驗驗證

該恒溫箱采用繼電器開關控制的控制方式來實現(xiàn)箱體內的恒溫控制。采用Pt 100熱電偶傳感器來測量箱體內的溫度，將所測得的溫度信號反饋給電子溫控器，將所得溫度與目標溫度值進行比較來控制電流的通斷，進而實現(xiàn)箱體內的恒溫。

將溫控器的穩(wěn)定溫度設置為3℃，溫差為0.1℃，在室溫為20℃的前提下，半個小時內箱體內的溫度變化情況如圖6所示。

圖6 恒溫控制實驗

由圖6可以看出，在恒溫控制狀態(tài)下，箱內溫度在達到設定值之前的制冷曲線與圖5的幾乎一致。在溫度達到2.9℃時，斷開電源，制冷片不再制冷，箱體內溫度會逐漸升高;在溫度達到3.1℃時，電源接通，制冷片再次開始產生冷量，使箱體內的溫度逐漸下降，如此反復循環(huán)，使箱體內溫度維持在2～6℃的允許范圍內，因此所設計的半導體制冷醫(yī)用恒溫箱能夠滿足設計要求，滿足血液的存儲要求。

5 結論

本文所設計的醫(yī)用恒溫箱具有綠色環(huán)保、低能耗 (整機功率在120W左右)的特點，而且體積小、重量輕，便于攜帶;控制精度比較高，易于控制，能夠實現(xiàn)血液存儲的目標要求。

［1］徐昌貴，賈艷婷，閆獻國，等.半導體制冷技術及其應用 ［J］．機械工程與自動化，2012，(3):209－211

［2］樂建波.溫度控制系統(tǒng) ［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2007

［3］吳松林.傳感器與檢測技術基礎 ［M］．北京:北京理工大學出版社，2009

［4］胡壽松.自動控制原理 ［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1994

* 史章華.發(fā)泡聚氨酯保溫材料知識總匯.