一种开放式冷热箱的研制

0引言

热电制冷和制热现象即“珀耳帖效应”于1834年被法国科学家发现,珀耳帖效应的问世催生了半导体制冷技术。起初该制冷技术由于功耗大、制冷效率过低而未被大量应用于工业制造,但是该问题随着半导体和材料技术的不断迭代发展已得到了很好的解决,因此半导体制冷技术开始逐步投入实用,该项技术也是早期的冰箱、空调制冷技术的主要原理。虽然制冷技术又有了新的发展,但半导体制冷技术由于其结构简单的优势仍然被广泛应用于小型冷热箱的制造。市场上采用半导体制冷技术研发的小型冷热箱有许多,本文正是从实际市场调研出发,基于现有常用冷热箱型号JCK—4重新设计电控、结构等,研制一款新型的开放式冷热箱,满足市场的需求^[1]。

1 半导体制冷技术概述

1.1 半导体制冷技术的发展

经过调查分析可知,半导体制冷技术的发展经历了三个重要的阶段:第一阶段是温差电流现象被珀耳帖所发现,业界基于此项发现持续研究热电制冷和热电发电技术,但是由于材料的限制,热电效应较差,该项研究一直到20世纪50年代都因为能量转换效率过低而无法满足工业实用化的要求。这一限制直到20世纪80年代才得到突破,因为半导体材料内部热电性能被苏联科学家所发现,由此热电效应的效率获得了突破性提高,基于半导体材料的热电发电和热电制冷技术逐步开始工业实用化。20世纪80年代之后,基于半导体的热电制冷性能的工业应用范围进一步扩大^[2]。

半导体制冷技术以其原理、结构简单以及制冷效果良好的优势得到了国内外的广泛重视,基于该项原理的各类研究和应用层出不穷。该技术首先在军事领域被应用,主要用于制冷激光器、光电倍增管和红外探测器等器具。我国对该项技术的研究起始于20世纪70年代,随后10年逐步进入产品研制阶段,但初代产品以模仿国外为主,直至20世纪90年代,国内 自主研发了民用的小型便携式冷热箱、日化品专用的冷藏箱、高低温测试设备等产品。接着半导体制冷技术被引入整个医疗保健领域。当下,冷刀、冰帽、白内障摘除器、雷达、卫星和导弹等一系列产品中均有半导体制冷技术的应用。同时,半导体制冷技术也越来越广泛地应用于高精密科学仪器。

1.2 半导体制冷技术原理

塞贝克效应、珀耳帖效应、汤姆逊效应和焦耳效应等表明电能和热能的转换是可逆的,由此就可以利用这种可逆性来制冷。图1所示为半导体制冷技术原理图。

图1中,两片陶瓷片组成一个单片制冷片,N型和P型的半导体材料串联置于其间,当直流电流流过电路时,能量随之转移,制冷端是由于直流电流从N型半导体流向P型半导体的接口会吸收热量,制热端是由于直流电流从P型半导体流向N型半导体的接口会释放热量。直流电流的大小以及PN结的对数决定了吸收和释放热量的大小。因此,要达到较好的制冷、制热效果,就要用到较大的电流和较多的PN结,反之亦然^[3]。

2 开放式冷热箱的研制

2.1硬件系统设计

硬件部分设计如图2所示,采用单片机作为中央处理器,设置输入模块用于选择工作模式和其他参数,设置温度采集模块用于输入反馈控温,输出模块分为显示、制热、制冷三个部分。本次设计的中央处理器选用AT89C51单片机作为处理器,该款单片机价格便宜、性能稳定,包含定时器和计数器功能,有P1~P4四组端口可满足本产品的电子控制需求。输入模块设置按键来调节功能参数,按键设计采用中断模式执行命令,保障模块内部的实时温度预设值,从而能够防止温度读取发生重复情况。温度采集模块采用DS18B20数字型温度传感器实现冷热箱温度的实时采集,该款温度传感器通过一根连接线就可以与单片机建立起双向通信,且温度采集范围为—60~125℃ ,可以满足冷热箱的温控条件。显示模块采用LM2581液晶显示屏,其能通过单片机驱动,并且输出显示更加友好,能够满足正常使用要求。制冷模块采用单片机控制三极管的方式进行。散热模块采用风冷散热方式。本产品即JCK—4B型开放式冷热箱的灯板位置调整至箱内后方,且为了满足空间设计要求,新开220 V电源板,芯片更改为4 mm厚的12706型,散热风扇额定转速改为2 500 r/min。

2.2 软件系统设计

图3所示为本产品的软件设计流程图,冷热箱启动后系统进行初始化,然后进入正常的工作模式,此时可以根据需求通过按键设置一个想要的温度T,此时液晶显示屏会输出 目标温度T和实际温度t,其中实际温度t是通过单片机发送指令至温度采集模块,即DS18B20数字型温度传感后反馈所得,如果实际温度大于目标温度即t>T,则通过指令判断为制冷模式,相反,如果实际温度小于目标温度即t<T,则通过指令判断为制热模式。

2.3冷热箱结构设计

根据市场调研确定本产品的结构要求如下:箱体采用发裸泡结构,中间区域透明,外部可见箱内酒瓶;箱内上后方带LED照明灯;满足直径105 mm酒瓶顶部开口任意放入的要求。因此,本品即JCK—4B型开放式冷热箱的外观设计如图4所示,根据产品结构 要求并参考JCK—4型结构,本品将JCK—4型上盖的4个 圆孔改成一个长方形孔,然后用一体长方形硅胶垫固定酒瓶,新开硅胶垫支架,并重新设计内上盖、内下盖、上盖、铝板等零件尺寸参数。同时,为了增加本产 品整体宽度、深度,重新设计左侧板、右侧板、底座。

最终设计得到本品各项模件的结构爆炸图如图5所示。

3 开放式冷热箱的性能测试

根据市场需求,JCK—4B型开放式冷热箱的技术参数如下:

容积:9.6 L(调研可知多数客户要求小于10 L);温控范围:5~18℃;制冷性能:最大温差>18℃ (环境温度32℃);输入功率:60×(1±10%)W(25℃环境温度情况下);气候类型:SN/N;噪声≤38 dB(A)(按GB/T 4214.1—2000规定方法测试);最大外形尺寸(宽×深×高):502 mm×271 mm×260 mm。

本品根据上述要求进行软硬件及结构方面的重新设计,试制样品出来对其进行相关的实验检查,以确保产品技术参数达标。

温控测试:在环境温度 (25 ± 1)℃条件下将JCK—4B型开放式冷热箱样机空载,输入AC220V/50Hz电源,温控板分别设定最低 (5℃)和最高 (18℃)温度,各测试3 h,记录通电2 h样机的功率,记录箱内温度及环境温度。温度探头布点要求:左、中、右三个点,中心冷壁向下200 mm处(水平方向:距离桶内后壁20~40 mm的箱内空中位置)测试结果合格。

制冷深度测试:在环境温度(25±1)℃条件下将JCK-4B型开放式冷热箱样机空载,输入AC110V/60Hz电源,短接温控不控温,通电测试5 h,记录箱内左、中、右三点温度及冷铝中心表面温度。温度探头布点要求:左、中、右三个点,中心冷壁向下200 mm处(水平方向:距离桶内后壁20~40 mm的箱内空中位置)及冷铝中心表面。测试结果显示,冷热箱制冷深度达到要求。

度量测试及噪声测试:测试产品整体外形尺寸为502 mm×271 mm×260mm,容积为9.46L,均满足要求;测试噪声为29 dB(A),也满足要求。

4 结束语

本文首先引入半导体制冷技术的概念并详细阐述了该项技术的发展及应用情况,然后指明本产品 JCK—4B型开放式冷热箱正是该项技术的一种常见应用方式;接着从硬件设计、软件设计、结构设计等三个方面介绍了本产品的研制方案,并成功研制出 JCK—4B型开放式冷热箱样机;最后针对样机进行实验检测,结果显示,本次研发产品JCK—4B型开放式冷热箱的各项参数均满足要求。

[参考文献]

[1]李吉庆.基于半导体制冷技术的小型冷热箱设计分析[J].电子测试,2019(1):5-7.

[2]卢煜文.基于半导体制冷技术的小型冷热箱设计分析[J].科技创新与应用,2019(15):87-88.

[3] 陈光辉,袁保合.基于半导体制冷技术的小型冷热箱设计[J].信息记录材料,2017,18(9):103-104.

2024年第21期第12篇