基于熱電制冷自適應(yīng)多功能旅行儲(chǔ)物箱的設(shè)計(jì)

杜芳莉，鐘 平，沈關(guān)炳，楊文森，楊 睿

(西安航空學(xué)院 能源與建筑學(xué)院，西安 710077)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，喜歡外出旅游的人越來(lái)越多。為解決旅行中喝熱水、冰鎮(zhèn)水及較長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)自帶食物等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于熱電制冷和太陽(yáng)能發(fā)電的自適應(yīng)多功能儲(chǔ)物箱來(lái)滿(mǎn)足人們?cè)诼眯兄袑?duì)不同食品儲(chǔ)存的需求；同時(shí)還將制冷、制熱、應(yīng)急照明及手機(jī)、相機(jī)的充電結(jié)合到一起，讓旅游者更為方便使用。該多功能旅行儲(chǔ)物箱一定程度上解決了現(xiàn)有旅游裝備在一體化、便攜化、智能化等方面存在的問(wèn)題，滿(mǎn)足人們對(duì)于旅行生活品質(zhì)的要求。

1 設(shè)計(jì)思路

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家提倡利用新能源，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。半導(dǎo)體制冷又被稱(chēng)為溫差電制冷或者熱電制冷，由于其不使用制冷劑、控制簡(jiǎn)單方便，且可以同時(shí)制熱與制冷、沒(méi)有噪音、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，也無(wú)需連續(xù)工作，同時(shí)用多個(gè)半導(dǎo)體連在一起可使制冷功率增大，所以半導(dǎo)體制冷技術(shù)被廣泛應(yīng)用。而太陽(yáng)能熱發(fā)電是先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成電能，該技術(shù)具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是能量源蘊(yùn)藏豐富，不會(huì)枯竭；二是安全、干凈，不會(huì)破壞環(huán)境。本設(shè)計(jì)就是積極響應(yīng)國(guó)家綠色環(huán)保的號(hào)召，將半導(dǎo)體制冷和太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)結(jié)合起來(lái)，充分利用新能源，同時(shí)也避免制冷劑污染的問(wèn)題，環(huán)?？茖W(xué)。

該裝置主要由電源、半導(dǎo)體制冷片、儲(chǔ)物箱本體、冷熱循環(huán)系統(tǒng)、USB接口及水溫控制系統(tǒng)等六部分組成。其中電源設(shè)備由太陽(yáng)能電池板將吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存到蓄電池中充當(dāng)電源；儲(chǔ)物箱由兩部分組成，上半部分由保溫隔板分為兩部分，分別儲(chǔ)放具有冷熱功能的食品，其外圍設(shè)置熱電制冷片；儲(chǔ)物箱下半部分留有一定的空間方便攜帶日常用品；冷熱循環(huán)系統(tǒng)是將制冷片散出的熱量進(jìn)行再利用，對(duì)加熱的水進(jìn)行保溫處理；USB接口則采用太陽(yáng)能作為電源，還可以充當(dāng)充電寶，為用電設(shè)備提供電源；水溫控制系統(tǒng)是在儲(chǔ)物箱內(nèi)安裝一個(gè)溫感系統(tǒng)感應(yīng)水溫，加熱到設(shè)定溫度會(huì)自動(dòng)停止，比如50℃。

本裝置的制熱與制冷部分同時(shí)工作。其原理是利用太陽(yáng)能電池板吸收的太陽(yáng)光作為電能，對(duì)純凈水進(jìn)行制熱；用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷。工作原理如圖1所示。箱體設(shè)計(jì)尺寸為：長(zhǎng)70cm，寬55cm，高45cm。

圖1多功能旅行儲(chǔ)物箱工作原理示意圖

2 制冷裝置

半導(dǎo)體制冷原理的基礎(chǔ)之一即為帕爾帖效應(yīng)[1]。當(dāng)直流電通過(guò)由兩種不同半導(dǎo)體(或?qū)w)組成的回路時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)表明這種吸熱或放熱的強(qiáng)度與所通電流大小有關(guān)。

熱電制冷又稱(chēng)溫差電制冷或半導(dǎo)體制冷，以其無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、連續(xù)工作無(wú)噪聲、無(wú)震動(dòng)、制冷時(shí)間快、無(wú)需制冷劑、零排放、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)已得大家的一致認(rèn)可[1]。其本質(zhì)是一個(gè)熱傳遞的工具，根據(jù)直流電通過(guò)不同導(dǎo)體，尤其是半導(dǎo)體連接形成的回路時(shí)，在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生制冷現(xiàn)象而工作[2]。圖3為半導(dǎo)體制冷原理圖。

圖3 半導(dǎo)體的制冷原理

具體工作原理：當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料在金屬平板間形成通路,接上直流電源后，在接頭處會(huì)產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量， 成為冷端。由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端[3]。在實(shí)際應(yīng)用中只需把其冷端放到要制冷的對(duì)象中,即可實(shí)現(xiàn)吸熱制冷。

多功能旅行儲(chǔ)物箱的設(shè)計(jì)考慮到半導(dǎo)體制冷片的尺寸較小，可以制成體積不到1cm3的制冷器；重量輕，微型制冷器能夠做到只有幾十克甚至數(shù)克；無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部分，工作中無(wú)噪音，無(wú)液態(tài)、氣態(tài)工作介質(zhì)，因而不污染環(huán)境，制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響，在大的機(jī)械過(guò)載條件下，也能夠正常工作；通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流的大小，可方便調(diào)節(jié)制冷速率；通過(guò)切換電流方向，可使制冷器從制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹茻峁ぷ鳡顟B(tài)；作用速度快，使用壽命長(zhǎng)，且易于控制[4]。此外可通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流大小，控制其制冷速率，對(duì)酸奶、飲料及其它需冷藏食品等均可以進(jìn)行冷藏。所以在本設(shè)計(jì)中使用熱電制冷來(lái)解決旅行中人們對(duì)冷熱不同食品的需求。基于熱電制冷的多功能儲(chǔ)物箱的制冷裝置部分設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 多功能儲(chǔ)物箱制冷裝置部分設(shè)計(jì)原理圖

3 熱回收裝置

太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，電能儲(chǔ)存在蓄電池中。箱子上半部分裝有加熱裝置，當(dāng)電源接通后，根據(jù)需要可以對(duì)純凈水直接加熱，同時(shí)本設(shè)計(jì)在制熱部分還裝有溫度傳感器，可以顯示水的溫度，可根據(jù)個(gè)人需求隨時(shí)停止加熱。同時(shí)由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的儲(chǔ)存在蓄電池中的電能還可為半導(dǎo)體制冷片提供直流電使其正常工作。

圖5 熱回收裝置圖

半導(dǎo)體制冷片在制冷的過(guò)程中，一端產(chǎn)熱，另一端制冷[5]。所需電能全部來(lái)自于太陽(yáng)能電池板。制冷部分可將食物、酸奶等進(jìn)行冷藏。半導(dǎo)體制冷片是熱量搬運(yùn)者，而不是能量產(chǎn)生者，所以其冷端在制冷的同時(shí)熱端則不停產(chǎn)熱，若不能及時(shí)利用其產(chǎn)生的熱量則會(huì)造成能量的損失。為了能充分利用這部分熱量，在制熱端將其與半導(dǎo)體制冷片的散熱端相連接，并人為設(shè)計(jì)一個(gè)加熱室①(見(jiàn)圖5)，將純凈水放置于加熱倉(cāng)②裝置中，利用半導(dǎo)體熱端回收的熱能對(duì)水進(jìn)行初步加熱，同時(shí)在加熱倉(cāng)②內(nèi)安裝電加熱棒③對(duì)水進(jìn)行加熱，電加熱棒的熱量也來(lái)自于太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為的電能。這樣既減少了電能的消耗，又達(dá)到節(jié)能的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)響應(yīng)國(guó)家綠色環(huán)保的號(hào)召，電源電量由新能源太陽(yáng)能提供，而且也避免制冷劑污染的問(wèn)題，環(huán)保科學(xué)；將制冷與制熱技術(shù)巧妙結(jié)合，充分利用余熱，以達(dá)到節(jié)能的目的；打造了一個(gè)全新的旅游箱，解決了許多旅游愛(ài)好者對(duì)食物儲(chǔ)存以及飲用熱水的問(wèn)題；用水溫控制系統(tǒng)來(lái)感知水溫，加熱到用戶(hù)設(shè)定特定溫度自動(dòng)停止加熱，以便飲用。

[1] 杜芳莉,白大雨,房曉平.基于半導(dǎo)體制冷高效熱回收裝置的研究[J].西安航空學(xué)院學(xué)報(bào),2014,32(1):70-73,90.

[2] 杜芳莉,樊麗娟,白大雨,等.熱電制冷在筆記本電腦散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào)(四川),2014,28(3):310-313.

[3] 楊金環(huán),閆小克,陳娟,等.CPU熱管散熱器對(duì)半導(dǎo)體制冷片制冷效果的影響[J].計(jì)量技術(shù),2010(4):3-5.

[4] 裴念強(qiáng),郭開(kāi)華,劉杰.半導(dǎo)體制冷在新型環(huán)路熱管的應(yīng)用計(jì)算[J].低溫物理學(xué)報(bào),2007,29(1):42-45.

[5] 徐昌貴,賈艷婷,閆獻(xiàn)國(guó),等.半導(dǎo)體制冷技術(shù)及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012,6(3):209-211.