王 巍 鄭大宇 薛廉政 周 欣 馬安娜 崔增燕哈爾濱商業(yè)大學(xué)英才學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028

USB端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷制熱能效研究

王 巍 鄭大宇 薛廉政 周 欣 馬安娜 崔增燕哈爾濱商業(yè)大學(xué)英才學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028

近年來,半導(dǎo)體制冷技術(shù)在很多領(lǐng)域上得到飛速發(fā)展,使其獨(dú)特地優(yōu)越性及廣泛地適用性越發(fā)突出。特別在各種冷藏用制冷裝置中,節(jié)能環(huán)保、占用空間小、無噪音、無污染的半導(dǎo)體冷藏設(shè)備正日益引起人們的重視。因此,在基于環(huán)保的背景下,研究如何在有限地空間內(nèi)進(jìn)行有效制冷，設(shè)計(jì)并開發(fā)出耗能較小、攜帶方便、實(shí)用性強(qiáng)的儲能設(shè)備，就具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義和廣闊的市場前景。本文設(shè)計(jì)了一種基于USB端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體冷暖兩用箱，并進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)研究。探討了冷端單獨(dú)鋁塊導(dǎo)冷，冷端強(qiáng)制導(dǎo)冷，增大散熱器、導(dǎo)冷片面積和增大輸入功率等因素對半導(dǎo)體制冷制熱兩用箱效率的影響。

USB；半導(dǎo)體制冷；實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)在生活中的普及，人們因?yàn)楣ぷ?，學(xué)習(xí)，娛樂等等原因每天花費(fèi)在電腦上的時(shí)間越來越多。而長時(shí)間坐在電腦前喝些飲品也是健康生活必需的，在炎熱的夏天，我們都想喝溫度低的飲品解暑；而在寒冷的冬天，我們需要喝些熱水來驅(qū)寒。在辦公室，在宿舍，在臥室等環(huán)境，我們卻很難去滿足我們對飲品溫度的要求。針對這種現(xiàn)象，我團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款能夠用USB端口驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體冷暖兩用箱。通過對比實(shí)驗(yàn)來探究不同條件對USB端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體工作的制冷效果的影響。

1 半導(dǎo)體制冷制熱原理

1．1 帕爾貼效應(yīng)

該效應(yīng)是在1834年由法國物理學(xué)家帕爾貼（(J.C.APeltie）首先發(fā)現(xiàn)的。在2種不同導(dǎo)體連成的回路中，當(dāng)有直流電流流經(jīng)由兩種不同材質(zhì)金屬導(dǎo)體組成的封閉循環(huán)回路時(shí),在導(dǎo)體的接頭處，一個(gè)會(huì)吸收熱量，一個(gè)會(huì)放出熱量，這就是所謂的珀?duì)栙N效應(yīng)。圖1為帕爾帖效應(yīng)原理圖，X和Y是2種不同金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路。當(dāng)回路通有直流電流時(shí)， 在兩金屬接觸點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)冷、熱端現(xiàn)象。

圖1 帕爾貼效應(yīng)原理圖

1．2 半導(dǎo)體制冷制熱

把一個(gè)N型半導(dǎo)體和一個(gè)P型半導(dǎo)體的粒子連接成一個(gè)電偶對，通以直流電源。如圖2所示，電流從N極流向P極，N型元件的載流子是電子，P型元件的載流子是空穴。當(dāng)電流從N型元件流入，從P型元件流出時(shí)，N型元件中的電子在電場作用下向下移動(dòng)，在下端與電源的正電荷聚合，聚合時(shí)放熱， 同樣P型元件中的空穴在電場作用下向下移動(dòng)，在下端與電源的負(fù)電荷聚合，下端聚合時(shí)放出熱量；同時(shí)，電子與空穴在上端分離，上端分離時(shí)吸收熱量。當(dāng)改變電流的方向時(shí)，吸熱端會(huì)變?yōu)榉艧岫?，放熱端?huì)變?yōu)槲鼰岫恕?/p>

圖2 半導(dǎo)體制冷制熱原理

2 實(shí)驗(yàn)

2．1 實(shí)驗(yàn)臺搭建

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括保溫箱，半導(dǎo)體制冷片，散熱裝置，導(dǎo)冷裝置，測量裝置五部分組成。

實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑170mm×75mm×105mm的箱體厚度30mm的泡沫箱，箱外為三層8號郵政配套紙箱。型號為TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片，69mm×69mm×1.8mm的鋁導(dǎo)冷片，70mm×69mm×18mm的鋁散熱片，12v 0.2A 50mm×50mm的散熱風(fēng)扇，12v 0.024A的導(dǎo)冷風(fēng)扇，40mm×40mm×5mm的鋁制導(dǎo)冷塊，導(dǎo)熱硅膠，USB端口，12v 6A的制冷片專用開關(guān)電源，電源正負(fù)極轉(zhuǎn)換開關(guān)，金屬探頭式電子溫度計(jì)。

2．2 實(shí)驗(yàn)研究

2.2.1 冷端空氣自然對流導(dǎo)冷實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)熱端采用空氣強(qiáng)制對流散熱，冷端用鋁制導(dǎo)冷塊導(dǎo)冷。將鋁散熱片緊貼半導(dǎo)體制冷片的熱端，鋁制導(dǎo)冷塊緊貼半導(dǎo)體制冷片的冷端，中間涂抹導(dǎo)熱硅膠，散熱片外接12v 0.2A散熱風(fēng)扇，然后用螺絲將其固定在泡沫保溫箱的一側(cè)。用電腦的USB3.0端口驅(qū)動(dòng)，用正負(fù)極轉(zhuǎn)換開關(guān)控制制冷制熱，將電子溫度計(jì)放在保溫箱內(nèi)部測溫度數(shù)據(jù)。檢查無誤后，接通電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 冷端空氣自然對流下半導(dǎo)體制冷制熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

本實(shí)驗(yàn)制冷制熱分別進(jìn)行了40分鐘，溫度隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4 冷端空氣自然對流下保溫箱溫度隨時(shí)間的變化曲線圖

圖4 為熱端空氣強(qiáng)制對流散熱，冷端空氣自然對流導(dǎo)冷下冷、溫度隨時(shí)間變化曲線圖。T1為半導(dǎo)體制冷時(shí)保溫箱內(nèi)溫度，T2為半導(dǎo)體制熱時(shí)保溫箱內(nèi)溫度。實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為23.5℃，可以看出，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，保溫箱內(nèi)溫度均為23.5℃。箱內(nèi)溫度在實(shí)驗(yàn)的前15分鐘有所下降，下降了2.4℃，15分鐘之后溫度趨于穩(wěn)定，最后溫度維持在21℃左右。但半導(dǎo)體制熱時(shí)箱內(nèi)溫度明顯升高，由23.5℃升至32.3℃，溫度隨時(shí)間的變化逐漸升高。

2.2.2 冷端空氣強(qiáng)制對流的實(shí)驗(yàn)研究

該實(shí)驗(yàn)熱端用采用空氣強(qiáng)制對流散熱，冷端用鋁制導(dǎo)冷塊與空氣強(qiáng)制對流導(dǎo)冷。將鋁散熱片緊貼半導(dǎo)體制冷片的熱端，鋁制導(dǎo)冷塊緊貼半導(dǎo)體制冷片的冷端，中間涂抹導(dǎo)熱硅膠，散熱片外接12v 0.2A散熱風(fēng)扇，導(dǎo)冷塊外接12v 0.024A的風(fēng)扇，然后用螺絲將其固定在泡沫保溫箱的一側(cè)。用電腦的USB3.0端口驅(qū)動(dòng)，用正負(fù)極轉(zhuǎn)換開關(guān)控制制冷制熱，將電子溫度計(jì)放在保溫箱內(nèi)部測溫度數(shù)據(jù)。檢查無誤后，接通電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 冷端空氣強(qiáng)制對流下半導(dǎo)體制冷制熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

本實(shí)驗(yàn)制冷制熱分別運(yùn)行40分鐘，溫度隨時(shí)間變化如圖6所示。

圖6 冷端空氣強(qiáng)制對流下保溫箱溫度隨時(shí)間的變化曲線圖

圖6 為熱端空氣強(qiáng)制對流散熱，冷端鋁制導(dǎo)冷塊與空氣強(qiáng)制對流共同作用下半導(dǎo)體制冷、制熱對應(yīng)保溫箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線圖。T1為半導(dǎo)體制冷時(shí)箱內(nèi)溫度，T2為半導(dǎo)體制熱時(shí)箱內(nèi)溫度。實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為23.5℃?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，保溫箱內(nèi)溫度均為23.5℃。在前15分鐘箱內(nèi)溫度由23.5℃下降到18.9℃，下降了4.6℃。25分鐘后箱內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定，最后溫度維持在18℃之下。半導(dǎo)體制熱時(shí)，箱內(nèi)溫度也發(fā)生了明顯的升高，由23.5℃升到34.3℃。2.2.1實(shí)驗(yàn)與2.2.2實(shí)驗(yàn)比較可以發(fā)現(xiàn)，冷端強(qiáng)制對流導(dǎo)冷對半導(dǎo)體制冷效率有所提高，但效率提高不高。而制熱方面幾乎沒有太大影響，原因是在正負(fù)極轉(zhuǎn)換后，風(fēng)扇停止工作，因此兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，半導(dǎo)體制熱過程沒有風(fēng)扇的輔助作用。

2.2.3 增大半導(dǎo)體冷熱端散熱器與導(dǎo)冷器的面積的實(shí)驗(yàn)研究

該實(shí)驗(yàn)熱端用70mm×69mm×18mm的鋁散熱片與空氣強(qiáng)制對流結(jié)合，冷端用69mm×69mm×1.8mm的鋁導(dǎo)冷片導(dǎo)冷。將鋁散熱片緊貼半導(dǎo)體制冷片的熱端，鋁制導(dǎo)冷片緊貼半導(dǎo)體制冷片的冷端，中間涂抹導(dǎo)熱硅膠，散熱片外接散熱風(fēng)扇，然后用螺絲將其固定在泡沫保溫箱的一側(cè)。用電腦的USB3.0端口驅(qū)動(dòng)，用正負(fù)極轉(zhuǎn)換開關(guān)控制制冷制熱，將電子溫度計(jì)放在保溫箱內(nèi)部測溫度數(shù)據(jù)。檢查無誤后，接通電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 大面積散熱和導(dǎo)冷器的半導(dǎo)體制冷制熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

本實(shí)驗(yàn)制冷制熱分別運(yùn)行40分鐘，溫度隨時(shí)間變化如圖8所示。

圖8 大面積散熱片和導(dǎo)冷片下保溫箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線圖

圖8為熱端大面積散熱器與空氣強(qiáng)制對流結(jié)合，冷端厚度很薄的大面積導(dǎo)冷片導(dǎo)冷下半導(dǎo)體制冷制熱時(shí)對應(yīng)的保溫箱內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化曲線圖。T1為半導(dǎo)體制冷時(shí)箱內(nèi)溫度，T2為半導(dǎo)體制熱時(shí)箱內(nèi)溫度。實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為23.5℃?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，保溫箱內(nèi)溫度均為23.5℃。在前15分鐘，箱內(nèi)溫度由23.5℃下降至19.5℃，下降了4℃。15分鐘后溫度趨于穩(wěn)定，最后維持在19℃左右。制熱時(shí)，箱內(nèi)溫度由23.5℃升至32.1℃。實(shí)驗(yàn)3.2.1與

3.2.3 進(jìn)行比較，3.2.1實(shí)驗(yàn)制冷時(shí)前15分鐘中溫度降低了2.4℃，最后平衡溫度為21℃；而3.2.3實(shí)驗(yàn)前15分鐘溫度降低了4℃，最后平衡溫度為19.5℃，最后的可以看出3.2.3實(shí)驗(yàn)制冷效率較高。制熱時(shí)兩實(shí)驗(yàn)最終的平衡溫度幾乎相同。

2.2.4 增大輸入功率下半導(dǎo)體制冷制熱的實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)在2.2.2實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上將USB3.0端口驅(qū)動(dòng)更換為12v6A的電源開關(guān)，是他設(shè)備不變。實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 增大輸入功率下的半導(dǎo)體制冷制熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

本實(shí)驗(yàn)制冷制熱分別運(yùn)行40分鐘，溫度隨時(shí)間變化如圖10所示。

圖10 增大輸入功率下保溫箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線圖

圖10為增大輸入功率后，熱端空氣強(qiáng)制對流散熱，冷端導(dǎo)冷塊與空氣強(qiáng)制對流結(jié)合下半導(dǎo)體制冷制熱時(shí)對應(yīng)保溫箱內(nèi)的溫度隨時(shí)間變化曲線圖。T1為半導(dǎo)體制冷時(shí)箱內(nèi)溫度，T2為半導(dǎo)體制熱時(shí)箱內(nèi)溫度。實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為23.5℃。可以看出，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，保溫箱內(nèi)溫度均為23.5℃。半導(dǎo)體制冷時(shí)實(shí)驗(yàn)前15分鐘，箱內(nèi)溫度由23.5℃降至16.6℃，下降了6.9℃。20分鐘后溫度趨于穩(wěn)定，降至16℃。當(dāng)半導(dǎo)體制熱時(shí)，實(shí)驗(yàn)15分鐘內(nèi)箱內(nèi)溫度由23.5℃升至71.2℃，升高了47.7℃，效率極高，由于溫度太高，20分鐘時(shí)電子溫度計(jì)無法讀數(shù)。如圖11所示。

圖11 箱內(nèi)溫度過高使電子溫度計(jì)無法正常工作

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析

半導(dǎo)體制冷效率受很多因素影響，本文主要對四種情況對半導(dǎo)體制冷制熱的效果做了實(shí)驗(yàn)研究。如圖12所示為四種不同情況對半導(dǎo)體制冷效果影響溫度匯總圖。T1為熱端有空氣強(qiáng)制對流散熱，冷端自然空氣對流散熱下，USB3.0端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷的溫度；T2為熱端空氣強(qiáng)制對流散熱同時(shí)冷端有空氣強(qiáng)制對流導(dǎo)冷下，USB3.0端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷的溫度；T3為熱端大面積散熱片與空氣強(qiáng)制對流結(jié)合，冷端大面積導(dǎo)冷情況下USB3.0端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷溫度；T4為熱端空氣強(qiáng)制對流散熱，冷端空氣強(qiáng)制對流導(dǎo)冷情況下，半導(dǎo)體開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體制冷溫度。由圖可以看出，四條曲線的共同特點(diǎn)是箱內(nèi)溫度隨時(shí)間的推移一開始有明顯下降的趨勢，15分鐘后溫度下降的趨勢變緩，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20分鐘時(shí)箱內(nèi)溫度基本趨于穩(wěn)定，四種情況的制冷溫度分別穩(wěn)定在21.0℃、18.4℃、19.4℃、16.1℃。

圖12 四種不同情況下半導(dǎo)體制冷對應(yīng)的箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖

如圖13所示為四種不同情況對半導(dǎo)體制熱效果影響溫度匯總圖。T1為熱端有空氣強(qiáng)制對流散熱，冷端自然空氣對流散熱下，USB3.0端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制熱的溫度；T2為熱端空氣強(qiáng)制對流散熱同時(shí)冷端有空氣強(qiáng)制對流導(dǎo)冷下，USB3.0端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制熱的溫度；T3為熱端大面積散熱片與空氣強(qiáng)制對流結(jié)合，冷端大面積導(dǎo)冷情況下USB3.0端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制熱溫度；T4為熱端空氣強(qiáng)制對流散熱，冷端空氣強(qiáng)制對流導(dǎo)冷情況下，半導(dǎo)體開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體制熱溫度。由圖可以看出，四條曲線的共同特點(diǎn)是箱內(nèi)溫度隨時(shí)間的推移溫度逐漸升高，T1、T2、T3的溫度變化趨勢基本相同，而T4溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外三種情況。

圖13 四種不同情況下半導(dǎo)體制熱對應(yīng)的箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖

4 結(jié)論

本文通過對USB端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷制熱過程中，通過改變冷熱端散熱和增大輸入功率等條件進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）USB端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷過程產(chǎn)生的制冷量很小，改進(jìn)方案后，在40分鐘實(shí)驗(yàn)內(nèi)，保溫箱最低溫度為17.7℃，溫度下降了5.8℃，達(dá)不到夏天用USB端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體冷卻飲品的效果。原因是輸入功率太低，保溫箱的保溫效果差，綜合效應(yīng)使USB端口驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷的效果差。制熱過程效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制冷，三個(gè)實(shí)驗(yàn)中制熱最高溫度為34.3℃，升高了10.8℃，可以達(dá)到很好的保溫

▲▲效果。

（2）當(dāng)增大輸入功率使半導(dǎo)體制冷，制冷效果明顯，40分鐘實(shí)驗(yàn)內(nèi)，溫度最終降到了15.6℃，下降了8.5℃。與制冷相比，制熱效率非常高，10分鐘能使保溫箱內(nèi)溫度迅速升到63.3℃，15分鐘溫度升到71.2℃，升高了47.7℃。若制冷效果不能滿足我們需要時(shí)，我們可以選擇單獨(dú)使用半導(dǎo)體制熱，用大功率使半導(dǎo)體制熱效率極高，且滿足節(jié)能環(huán)保的要求。

（3）USB驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷制熱試驗(yàn)中熱端用空氣強(qiáng)制對流散熱，冷端空氣強(qiáng)制對流導(dǎo)冷組合制冷效率最高，增大散熱和導(dǎo)冷片的面積也能增大制冷效率。將能夠增大制冷效率多方面結(jié)合，共同輔助半導(dǎo)體制冷會(huì)有很好的效果。

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