基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究

摘要：随着经济的发展和社会的进步，小型半导体冰箱越来越受到人们的青睐，但是半导体冰箱仍然存在效率低下的致命特点。文章主要利用冷凝管对半导体冰箱散热方式进行改进，对其整体结构进行了初步设计、半导体选择和功率计算等，最终实现对半导体冰箱制冷效率的提高。相信这款利用新型散热系统的半导体冰箱将凭借其独特的优势适应社会的发展。

关键词：半导体冰箱；冷凝管；散热方式

中图分类号：TM925 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0020-03

半导体冰箱至今未能在更广泛的领域中应用就是因为它较低的能量转化效率，将白白耗费较多的能量。根据我们项目小组的调查，目前市面上的半导体冰箱基本采用强制风冷散热的散热方式，但这种散热效果并不好，一定程度上导致了半导体冰箱制冷效率过低，最低温度过高，箱内温度只能降到低于环境温度10℃～15℃，这并不能真正满足大众的需求。本课题的研究目的就是提高半导体冰箱的制冷效率，研究方案主要是利用冷凝管对半导体冰箱散热方式进行改进，并对其整体结构进行了初步设计、半导体选择和功率计算等，最终实现对半导体冰箱制冷效率的提高。本文将对我们的研究展开论述与分析。

1 散热系统的设计

（1）工质选择：实验测得热管两端温度分别为35℃和30℃，根据公式Tv=（T1+nT2）/（1+n）（其中T1为热源温度，T2为冷源温度）可得工作温度为Tv=（35+4×30）/

5=31（其中n值取4）。通过查表可知氨的适合工作温度为-40℃～60℃，故我们选择氨作为热管工质。

（2）热管内径的确定：

一般情况下，热管的沸腾极限远远大于携带极限，因此，沸腾极限不会成为限制热管传热的控制因素。

综合分析，最终确定每根热管关键参数如表1：

2 理论分析

2.1 保温箱

Pin恒定。忽略降温过程冰箱内部气体压强变化，取：

Pin=1.013×105Pa

考虑到冰箱中摆放的物品在两种散热方式下只改变比热容，故假设冰箱中未放物品，取工作温度t=273K和t=298K下的平均比定压热容。

2.2 半导体制冷片

假设半导体片各处制冷功率相同，并正常工作。

2.3 散热器

近似取300K条件下铝片的导热系数，并假设铝片上各点的温度相同。

由于有风扇作用，假设散热器与外温温度T0的空气直接换热。

2.4 模拟计算

设冰箱内部的温度函数为T（t）。

理论结果分析：由图像可知，两种散热方式下冰箱的最低温分别为0℃和-5℃，由此可计算出正常工作时箱体实际漏热率分别为Q铝片=3.87W和Q热管=4.65W，故冰箱的制冷效率分别为COP铝片=7.74%和COP热管=9.29%，因此理论上冰箱效率提高了?COP=1.55%。

3 实验方案设计

在测定半导体制冷冰箱效率时，我们进行了两个部分的实验测试。

实验一：热管散热与散热片散热性能的定性对比。

实验过程中共使用两个温度传感器：

第一个温度传感器的一端放在半导体制冷片的冷端表面，并加以固定，以测定冷端温度。

第二个传感器放在热管散热器的翅片部分，并加以固定，以测定散热器温度。

首先，我们测定热管的散热性能。先测定室内温度，接好电源及实验设备。接通半导体制冷片。其次，测定普通铝片散热性能。先测定室内温度，接好电源及实验设备。接通半导体制冷片，记录冷热端温度。

综合以上数据，我们用绘图软件做出了热管和铝片条件下的温度变化图像，如图2所示：

实验结论：在相同条件下，热管散热效率高于铝片散热效率。

实际条件下的热管效率对比实验：

我们选用现有的铝片风冷散热半导体冰箱作为对比参照，用无线温度传感器测定在室温条件下铝片风冷散热半导体冰箱内部的温度。

在冰箱的中层放入无线温度传感器，接通冰箱电源，调至制冷档，每隔0.5min记录一次数据，得到120min的温度变化数据。

将相同冰箱的铝片拆下，换成相同大小的热管翅片散热系统，在相同的室温下重复上一步骤实验操作，得出120min热管散热的半导体冰箱制冷温度数据。

对比两组数据，使用制图软件制作出两次条件下的温度曲线如图3所示：

实验结果分析：由图像可知，相同实验条件下，两种散热方式下冰箱的最低温分别为7℃和3℃，由此可计算出正常工作时箱体实际漏热率分别为Q铝片=2.01W和Q热管=

2.63W，故冰箱的制冷效率分别为COP铝片=4.02%和COP热管=

5.26%，因此冰箱效率实际上提高了?COP=1.14%。对比理论结果，铝片和热管两种散热方式下冰箱达到最低温度都应该在50min左右，最低温度分别是0℃和-5℃。虽然实际实验并没有达到这种效果，但是实际提高的效率?COP却很接近，经过误差分析，实验结果在误差允许范围内。造成误差的原因主要有理论分析时做了一些合理假设和环境条件变化，实验材料实际上没有达到理想的性能。不过，这种误差并不影响我们的实验结论。在外界环境近似相同的情况下，采用相同的制冷片、制冷功率，保温设施进行实验，尽可能排除无关变量影响。从图像中可以看出，在将散热方式由铝片散热改为热管散热之后，冰箱的制冷速率和制冷能力均得到明显提升。对图像部分区域进行数据拟合可知，在10min之内，两种散热方式并无明显差距；但在10～20min之间，采用热管制冷可以将制冷效率提高一倍以上；对于稳定温度，热管制冷比普遍采用的铝片制冷在相同条件下低大约3℃，从而从一定程度上改善了半导体冰箱制冷能力方面的缺陷，大大增强半导体制冷冰箱的实

用性。

实验结论：在实际情况下，使用热管制冷的半导体冰箱制冷效率大于使用铝片制冷的半导体冰箱。

4 结语

本文采用了理论计算与实际实验相结合的方式，完成了基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究。其中创新性地采用了用热管散热代替散热片散热，解决了目前市面上车载半导体冰箱的难题。在设计过程中所进行的两种散热方式对比实验以及设计完成后进行的冰箱模型对比试验有说服力地证明了以我们创意方式制造的冰箱的散热和制冷效果将优于市面上的同类冰箱。该种类型产品投放市场后，必将受到大部分车市和消费者的青睐，为企业创造可观经济收益，并很好地符合了国家对于创新产品节能高效的期望，有利于受到政策的正影响。与此同时，这次对于车载冰箱制冷效率提高的研究，有利于打开研究者的眼界思路，对于日后同类研究具有很高的借鉴及参考价值。

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