陳良深等

摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，小型半導(dǎo)體冰箱越來越受到人們的青睞，但是半導(dǎo)體冰箱仍然存在效率低下的致命特點。文章主要利用冷凝管對半導(dǎo)體冰箱散熱方式進行改進，對其整體結(jié)構(gòu)進行了初步設(shè)計、半導(dǎo)體選擇和功率計算等，最終實現(xiàn)對半導(dǎo)體冰箱制冷效率的提高。相信這款利用新型散熱系統(tǒng)的半導(dǎo)體冰箱將憑借其獨特的優(yōu)勢適應(yīng)社會的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體冰箱；冷凝管；散熱方式

中圖分類號：TM925 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）29-0020-03

半導(dǎo)體冰箱至今未能在更廣泛的領(lǐng)域中應(yīng)用就是因為它較低的能量轉(zhuǎn)化效率，將白白耗費較多的能量。根據(jù)我們項目小組的調(diào)查，目前市面上的半導(dǎo)體冰箱基本采用強制風冷散熱的散熱方式，但這種散熱效果并不好，一定程度上導(dǎo)致了半導(dǎo)體冰箱制冷效率過低，最低溫度過高，箱內(nèi)溫度只能降到低于環(huán)境溫度10℃～15℃，這并不能真正滿足大眾的需求。本課題的研究目的就是提高半導(dǎo)體冰箱的制冷效率，研究方案主要是利用冷凝管對半導(dǎo)體冰箱散熱方式進行改進，并對其整體結(jié)構(gòu)進行了初步設(shè)計、半導(dǎo)體選擇和功率計算等，最終實現(xiàn)對半導(dǎo)體冰箱制冷效率的提高。本文將對我們的研究展開論述與分析。

1 散熱系統(tǒng)的設(shè)計

（1）工質(zhì)選擇：實驗測得熱管兩端溫度分別為35℃和30℃，根據(jù)公式Tv=（T1+nT2）/（1+n）（其中T1為熱源溫度，T2為冷源溫度）可得工作溫度為Tv=（35+4×30）/

5=31（其中n值取4）。通過查表可知氨的適合工作溫度為-40℃～60℃，故我們選擇氨作為熱管工質(zhì)。

（2）熱管內(nèi)徑的確定：

一般情況下，熱管的沸騰極限遠遠大于攜帶極限，因此，沸騰極限不會成為限制熱管傳熱的控制因素。

綜合分析，最終確定每根熱管關(guān)鍵參數(shù)如表1：

2 理論分析

2.1 保溫箱

Pin恒定。忽略降溫過程冰箱內(nèi)部氣體壓強變化，?。?/p>

Pin=1.013×105Pa

考慮到冰箱中擺放的物品在兩種散熱方式下只改變比熱容，故假設(shè)冰箱中未放物品，取工作溫度t=273K和t=298K下的平均比定壓熱容。

2.2 半導(dǎo)體制冷片

假設(shè)半導(dǎo)體片各處制冷功率相同，并正常工作。

2.3 散熱器

近似取300K條件下鋁片的導(dǎo)熱系數(shù)，并假設(shè)鋁片上各點的溫度相同。

由于有風扇作用，假設(shè)散熱器與外溫溫度T0的空氣直接換熱。

2.4 模擬計算

設(shè)冰箱內(nèi)部的溫度函數(shù)為T（t）。

理論結(jié)果分析：由圖像可知，兩種散熱方式下冰箱的最低溫分別為0℃和-5℃，由此可計算出正常工作時箱體實際漏熱率分別為Q鋁片=3.87W和Q熱管=4.65W，故冰箱的制冷效率分別為COP鋁片=7.74%和COP熱管=9.29%，因此理論上冰箱效率提高了?COP=1.55%。

3 實驗方案設(shè)計

在測定半導(dǎo)體制冷冰箱效率時，我們進行了兩個部分的實驗測試。

實驗一：熱管散熱與散熱片散熱性能的定性對比。

實驗過程中共使用兩個溫度傳感器：

第一個溫度傳感器的一端放在半導(dǎo)體制冷片的冷端表面，并加以固定，以測定冷端溫度。

第二個傳感器放在熱管散熱器的翅片部分，并加以固定，以測定散熱器溫度。

首先，我們測定熱管的散熱性能。先測定室內(nèi)溫度，接好電源及實驗設(shè)備。接通半導(dǎo)體制冷片。其次，測定普通鋁片散熱性能。先測定室內(nèi)溫度，接好電源及實驗設(shè)備。接通半導(dǎo)體制冷片，記錄冷熱端溫度。

綜合以上數(shù)據(jù)，我們用繪圖軟件做出了熱管和鋁片條件下的溫度變化圖像，如圖2所示：

實驗結(jié)論：在相同條件下，熱管散熱效率高于鋁片散熱效率。

實際條件下的熱管效率對比實驗：

我們選用現(xiàn)有的鋁片風冷散熱半導(dǎo)體冰箱作為對比參照，用無線溫度傳感器測定在室溫條件下鋁片風冷散熱半導(dǎo)體冰箱內(nèi)部的溫度。

在冰箱的中層放入無線溫度傳感器，接通冰箱電源，調(diào)至制冷檔，每隔0.5min記錄一次數(shù)據(jù)，得到120min的溫度變化數(shù)據(jù)。

將相同冰箱的鋁片拆下，換成相同大小的熱管翅片散熱系統(tǒng)，在相同的室溫下重復(fù)上一步驟實驗操作，得出120min熱管散熱的半導(dǎo)體冰箱制冷溫度數(shù)據(jù)。

對比兩組數(shù)據(jù)，使用制圖軟件制作出兩次條件下的溫度曲線如圖3所示：

實驗結(jié)果分析：由圖像可知，相同實驗條件下，兩種散熱方式下冰箱的最低溫分別為7℃和3℃，由此可計算出正常工作時箱體實際漏熱率分別為Q鋁片=2.01W和Q熱管=

2.63W，故冰箱的制冷效率分別為COP鋁片=4.02%和COP熱管=

5.26%，因此冰箱效率實際上提高了?COP=1.14%。對比理論結(jié)果，鋁片和熱管兩種散熱方式下冰箱達到最低溫度都應(yīng)該在50min左右，最低溫度分別是0℃和-5℃。雖然實際實驗并沒有達到這種效果，但是實際提高的效率?COP卻很接近，經(jīng)過誤差分析，實驗結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。造成誤差的原因主要有理論分析時做了一些合理假設(shè)和環(huán)境條件變化，實驗材料實際上沒有達到理想的性能。不過，這種誤差并不影響我們的實驗結(jié)論。在外界環(huán)境近似相同的情況下，采用相同的制冷片、制冷功率，保溫設(shè)施進行實驗，盡可能排除無關(guān)變量影響。從圖像中可以看出，在將散熱方式由鋁片散熱改為熱管散熱之后，冰箱的制冷速率和制冷能力均得到明顯提升。對圖像部分區(qū)域進行數(shù)據(jù)擬合可知，在10min之內(nèi)，兩種散熱方式并無明顯差距；但在10～20min之間，采用熱管制冷可以將制冷效率提高一倍以上；對于穩(wěn)定溫度，熱管制冷比普遍采用的鋁片制冷在相同條件下低大約3℃，從而從一定程度上改善了半導(dǎo)體冰箱制冷能力方面的缺陷，大大增強半導(dǎo)體制冷冰箱的實

用性。

實驗結(jié)論：在實際情況下，使用熱管制冷的半導(dǎo)體冰箱制冷效率大于使用鋁片制冷的半導(dǎo)體冰箱。

4 結(jié)語

本文采用了理論計算與實際實驗相結(jié)合的方式，完成了基于半導(dǎo)體制冷的冰箱制冷效率提高的研究。其中創(chuàng)新性地采用了用熱管散熱代替散熱片散熱，解決了目前市面上車載半導(dǎo)體冰箱的難題。在設(shè)計過程中所進行的兩種散熱方式對比實驗以及設(shè)計完成后進行的冰箱模型對比試驗有說服力地證明了以我們創(chuàng)意方式制造的冰箱的散熱和制冷效果將優(yōu)于市面上的同類冰箱。該種類型產(chǎn)品投放市場后，必將受到大部分車市和消費者的青睞，為企業(yè)創(chuàng)造可觀經(jīng)濟收益，并很好地符合了國家對于創(chuàng)新產(chǎn)品節(jié)能高效的期望，有利于受到政策的正影響。與此同時，這次對于車載冰箱制冷效率提高的研究，有利于打開研究者的眼界思路，對于日后同類研究具有很高的借鑒及參考價值。

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