孟祥冬 王志芳 宋佳鈁 / 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

無人外賣配送機(jī)的電源供給及其保溫研究

孟祥冬 王志芳 宋佳鈁 / 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

隨著無人物流服務(wù)的發(fā)展，無人外賣配送機(jī)將會(huì)是未來物流發(fā)展的新趨勢。本文主要闡述無人外賣配送機(jī)在電源供給和保溫兩方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。我們通過對無人外賣配送機(jī)的保溫裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)，改變原有的簡單保溫的模式加冷鏈運(yùn)輸。我們還對無人外賣配送機(jī)設(shè)計(jì)了新型供電方法，克服了無人配送機(jī)受電源容量限制無法進(jìn)行較長時(shí)間和中長距離的運(yùn)輸?shù)娜秉c(diǎn)。我們所進(jìn)行的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為無人外賣配送機(jī)的物流配送的進(jìn)一步應(yīng)用提供了有益的參考。

半導(dǎo)體制冷；無線傳能；散熱器；保溫

當(dāng)前外賣配送系統(tǒng)存在的問題是外賣在無人配送機(jī)配送的過程中，主要關(guān)注如何高效率將食品傳送到顧客手中，食品一般僅用保溫材料簡單包裹，因而食物品質(zhì)在配送的過程中會(huì)有所降低，尤其對于冷食，外賣的品質(zhì)對客戶感受影響極大；另一方面，無人配送機(jī)受電源容量的限制，無法進(jìn)行長距離、長時(shí)間的配送。為解決這些問題，我們對外賣配送機(jī)的保溫和供電系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，希望能提高我國的外賣配送機(jī)的服務(wù)。

1.無人外賣配送機(jī)保溫的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)無人外賣配送機(jī)多個(gè)恒溫箱多個(gè)溫度要求的設(shè)計(jì)需求，筆者根據(jù)半導(dǎo)體制冷的工作原理，選取了以半導(dǎo)體制冷芯片為關(guān)鍵制冷部件和陶瓷電加熱器為制熱部件的多恒溫箱設(shè)計(jì)方案。該方案的設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。從圖1可以看出，該半導(dǎo)體恒溫箱在組成結(jié)構(gòu)上主要分為三大部分，分別是:陶瓷電加熱與控制和半導(dǎo)體制冷。無人外賣配送機(jī)分有多個(gè)保溫箱，而每個(gè)保溫箱內(nèi)所放的外賣所需要保持的溫度也不一樣。為了能使每個(gè)保溫箱溫度不一樣，我們將設(shè)置多個(gè)溫度區(qū)域，分別進(jìn)行降溫、保溫、加熱。

1.1 半導(dǎo)體制冷的控制原理

目前，針對半導(dǎo)體制冷芯片的工作原理，從18世紀(jì)開始，就有物理學(xué)家陸續(xù)開展了深入的研究，時(shí)至今日，己經(jīng)累計(jì)形成了五種不同的熱電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷原理，分別是:塞貝克效應(yīng)，帕爾貼效應(yīng)，湯姆遜效應(yīng)，傅里葉效應(yīng)，焦耳效應(yīng)[1]。半導(dǎo)體制冷的工作原理是利用電流在不同材質(zhì)所組成的電路回路中流動(dòng)時(shí)，會(huì)在兩種不同材質(zhì)的交界處產(chǎn)生溫度差的工作效應(yīng)。利用這一現(xiàn)象，可以通過對不同材質(zhì)所組成的電路回路施加特定大小和特定方向的電流，從而使得兩種材質(zhì)之間達(dá)到預(yù)期所要的溫度差。由于在兩種材質(zhì)的交界處會(huì)形成溫度差，因此可以將溫度較低的一端通過吸熱器與需要降溫的目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行連接，從而將需要降溫的目標(biāo)系統(tǒng)中的熱量吸收至不同材質(zhì)所組成的制冷裝置中，同時(shí)將兩種不同材質(zhì)的半導(dǎo)體所組成的制冷裝置。溫度高的一端通過散熱器將熱量傳遞出去，最終將目標(biāo)系統(tǒng)的溫度降到預(yù)先設(shè)定的度數(shù)。從半導(dǎo)體芯片的制冷工作原理來分析可以發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體芯片的工作原理實(shí)際上是利用了電流在不同材質(zhì)所組成的電路回路中流動(dòng)而產(chǎn)生的溫度差的效應(yīng)，而且在一個(gè)半導(dǎo)體制冷芯片中，從能量傳遞的角度來分析，其更像是一個(gè)能量傳導(dǎo)裝置.因?yàn)樵诎雽?dǎo)體制冷芯片中，一端會(huì)產(chǎn)生較低的溫度，而另外一端則會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，整個(gè)半導(dǎo)體制冷芯片能量是守恒的。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，為了能夠?qū)雽?dǎo)體制冷芯片用于實(shí)際的溫度控制，往往是使用半導(dǎo)體制冷芯片一端的功能。如使用半導(dǎo)體制冷芯片的制冷或制熱功能，而對半導(dǎo)體制冷芯片的另外一端則作為能量吸收或釋放的一端，將目標(biāo)系統(tǒng)中需要轉(zhuǎn)移的能量轉(zhuǎn)移出去會(huì)進(jìn)一步提高外賣保溫箱的效率。

1.2 多溫度保溫箱的詳細(xì)設(shè)計(jì)

無人外賣配送機(jī)箱體內(nèi)分為兩個(gè)部分冷端保溫箱和熱端保溫箱，箱體保溫內(nèi)膽為真空保溫板，冷端和熱端由真空保溫板分隔。冷端保溫箱內(nèi)分有制冷區(qū)和冷恒溫區(qū)，制冷區(qū)是有pvc板包裹，其余為冷恒溫區(qū)。半導(dǎo)體制冷片冷端面在制冷區(qū)，制冷區(qū)為開口，部分冷量流到恒溫區(qū)。熱端分為加熱區(qū)和熱恒溫區(qū)，熱恒溫區(qū)和加熱區(qū)之間夾著塑料管，熱端熱源為陶瓷電加熱器，熱源在加熱區(qū)，（如圖2）熱量先流入加熱區(qū)進(jìn)而進(jìn)入熱恒溫區(qū)。當(dāng)整個(gè)保溫箱全部需要熱加溫和熱恒溫的時(shí)候，可以通過控制系統(tǒng)變換電流，使半導(dǎo)體制冷片冷端變成熱端，冷端保溫箱變成為了熱恒溫箱。半導(dǎo)體制冷芯片在工作過程中，與外界連接了一個(gè)散熱器或者熱量吸收器，從而保證半導(dǎo)體制冷芯片能夠向恒溫箱提供雙向的制冷或制熱的功能。由于半導(dǎo)體制冷片熱端產(chǎn)熱效率較低，于是采用熱端為更高效率、更高壽命的陶瓷電加熱器。

圖2 保溫箱內(nèi)部保溫結(jié)構(gòu)示意樣圖

1.3 半導(dǎo)體散熱的設(shè)計(jì)

散熱器是整個(gè)恒溫箱設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)關(guān)鍵模塊，散熱器性能的好壞直接影響著半導(dǎo)體制冷芯片的工作性能，進(jìn)而對恒溫箱的溫度控制效果產(chǎn)生決定性的影響。因此散熱器的選型必須與半導(dǎo)體的制冷功率相匹配，確保半導(dǎo)體工作過程中所需要傳遞的功率和熱量能夠通過散熱器進(jìn)行傳遞.散熱器根據(jù)其散熱的原理，可以分為：利用空氣的散熱器、利用液體的散熱器以及散熱管等不同類型。散熱器在選型的時(shí)候，主要根據(jù)制冷芯片的實(shí)際工作功率來進(jìn)行確定。由于所設(shè)計(jì)的恒溫箱在正常工作過程中，半導(dǎo)體制冷片熱端的散熱量對半導(dǎo)體制冷效率影響極大，本設(shè)計(jì)采用基于散熱片的散熱器，完全能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。而且在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可以將散熱片選擇翅片式的散熱片，同時(shí)擴(kuò)大散熱片，使散熱片覆蓋車體頂部的一半，只有緊鄰半導(dǎo)體熱端的部分需要風(fēng)扇，并在車體前部設(shè)有溫度傳感器，溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度，車體gps檢測車速，發(fā)送信號給處理中心，處理中心計(jì)算出散熱量和此時(shí)的最大安全電流（半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)生同樣熱量所需要的電流，此電流為額外散熱電流），進(jìn)而調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)器，使車體蓄電池輸出到半導(dǎo)體制冷片的電流小于額外散熱電流和正常使用電流的總和[2][3]。風(fēng)扇在選型時(shí)，需要根據(jù)散熱量的大小選取 合適的風(fēng)扇排風(fēng)流量。

2.無人外賣機(jī)的電源設(shè)計(jì)

2.1 無線傳能的原理

無線傳能的基本原理是，兩個(gè)分開的具有相同諧振頻率的線圈形成基于高頻磁場的諧振藕合系統(tǒng)并進(jìn)行高效率能量交換，而處在不同諧振頻率的物體只有微弱的禍合效應(yīng)。

2.2 無人外賣配送機(jī)的電源裝置的設(shè)計(jì)

無人小車裝置包括萬向輪、控制單元、無線傳能接收裝置,所述萬向輪位于箱體下部外側(cè),所述萬向輪上設(shè)置有直流電機(jī),直流電機(jī)的電機(jī)軸與萬向輪轉(zhuǎn)軸連接,直流電機(jī)與控制單元連接。其中一個(gè)萬向輪的輪子外側(cè)為導(dǎo)電材質(zhì)與地面接觸。所述無線傳能接收裝置包括負(fù)載諧振回路，所述負(fù)載諧振回路輸出端連接控制單元，負(fù)載諧振回路輸出端引出一根導(dǎo)線與含導(dǎo)電材質(zhì)的輪子外側(cè)接觸。所述無線電源包括高頻交流電壓和原級諧振回路。進(jìn)一步的,在移動(dòng)的過程中，我們會(huì)在運(yùn)送范圍內(nèi)每隔一段距離安裝一個(gè)無線電源對小車進(jìn)行中短距離的供能，以實(shí)現(xiàn)無人配送機(jī)的長時(shí)間和較長距離的運(yùn)輸。同時(shí)無線電源可以給具有無線接收的裝置進(jìn)行供能。

[1]毛佳妮，申麗梅，李愛博，等.半導(dǎo)體制冷器制冷性能的綜合影響因素探討及其優(yōu)化設(shè)計(jì)分析［J］.流體機(jī)械，2010，38（7）：68－72.

[2]王志芳，宋佳鈁，等.一種車載輔助降溫的綠色半導(dǎo)系統(tǒng).專利申請?zhí)枺?01710843891.0.

[3]王志芳，孟祥東等.一種車載動(dòng)態(tài)散熱的車載輔助降溫的綠色半導(dǎo)系統(tǒng).專利申請?zhí)枺?017092701884430.