一種開放式冷熱箱的研制

0引言

熱電制冷和制熱現(xiàn)象即“珀耳帖效應(yīng)”于1834年被法國科學(xué)家發(fā)現(xiàn),珀耳帖效應(yīng)的問世催生了半導(dǎo)體制冷技術(shù)。起初該制冷技術(shù)由于功耗大、制冷效率過低而未被大量應(yīng)用于工業(yè)制造,但是該問題隨著半導(dǎo)體和材料技術(shù)的不斷迭代發(fā)展已得到了很好的解決,因此半導(dǎo)體制冷技術(shù)開始逐步投入實(shí)用,該項(xiàng)技術(shù)也是早期的冰箱、空調(diào)制冷技術(shù)的主要原理。雖然制冷技術(shù)又有了新的發(fā)展,但半導(dǎo)體制冷技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢仍然被廣泛應(yīng)用于小型冷熱箱的制造。市場上采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)研發(fā)的小型冷熱箱有許多,本文正是從實(shí)際市場調(diào)研出發(fā),基于現(xiàn)有常用冷熱箱型號(hào)JCK—4重新設(shè)計(jì)電控、結(jié)構(gòu)等,研制一款新型的開放式冷熱箱,滿足市場的需求^[1]。

1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)概述

1.1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展

經(jīng)過調(diào)查分析可知,半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)重要的階段:第一階段是溫差電流現(xiàn)象被珀耳帖所發(fā)現(xiàn),業(yè)界基于此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)持續(xù)研究熱電制冷和熱電發(fā)電技術(shù),但是由于材料的限制,熱電效應(yīng)較差,該項(xiàng)研究一直到20世紀(jì)50年代都因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換效率過低而無法滿足工業(yè)實(shí)用化的要求。這一限制直到20世紀(jì)80年代才得到突破,因?yàn)榘雽?dǎo)體材料內(nèi)部熱電性能被蘇聯(lián)科學(xué)家所發(fā)現(xiàn),由此熱電效應(yīng)的效率獲得了突破性提高,基于半導(dǎo)體材料的熱電發(fā)電和熱電制冷技術(shù)逐步開始工業(yè)實(shí)用化。20世紀(jì)80年代之后,基于半導(dǎo)體的熱電制冷性能的工業(yè)應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大^[2]。

半導(dǎo)體制冷技術(shù)以其原理、結(jié)構(gòu)簡單以及制冷效果良好的優(yōu)勢得到了國內(nèi)外的廣泛重視,基于該項(xiàng)原理的各類研究和應(yīng)用層出不窮。該技術(shù)首先在軍事領(lǐng)域被應(yīng)用,主要用于制冷激光器、光電倍增管和紅外探測器等器具。我國對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究起始于20世紀(jì)70年代,隨后10年逐步進(jìn)入產(chǎn)品研制階段,但初代產(chǎn)品以模仿國外為主,直至20世紀(jì)90年代,國內(nèi) 自主研發(fā)了民用的小型便攜式冷熱箱、日化品專用的冷藏箱、高低溫測試設(shè)備等產(chǎn)品。接著半導(dǎo)體制冷技術(shù)被引入整個(gè)醫(yī)療保健領(lǐng)域。當(dāng)下,冷刀、冰帽、白內(nèi)障摘除器、雷達(dá)、衛(wèi)星和導(dǎo)彈等一系列產(chǎn)品中均有半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用。同時(shí),半導(dǎo)體制冷技術(shù)也越來越廣泛地應(yīng)用于高精密科學(xué)儀器。

1.2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理

塞貝克效應(yīng)、珀耳帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)和焦耳效應(yīng)等表明電能和熱能的轉(zhuǎn)換是可逆的,由此就可以利用這種可逆性來制冷。圖1所示為半導(dǎo)體制冷技術(shù)原理圖。

圖1中,兩片陶瓷片組成一個(gè)單片制冷片,N型和P型的半導(dǎo)體材料串聯(lián)置于其間,當(dāng)直流電流流過電路時(shí),能量隨之轉(zhuǎn)移,制冷端是由于直流電流從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體的接口會(huì)吸收熱量,制熱端是由于直流電流從P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體的接口會(huì)釋放熱量。直流電流的大小以及PN結(jié)的對(duì)數(shù)決定了吸收和釋放熱量的大小。因此,要達(dá)到較好的制冷、制熱效果,就要用到較大的電流和較多的PN結(jié),反之亦然^[3]。

2 開放式冷熱箱的研制

2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件部分設(shè)計(jì)如圖2所示,采用單片機(jī)作為中央處理器,設(shè)置輸入模塊用于選擇工作模式和其他參數(shù),設(shè)置溫度采集模塊用于輸入反饋控溫,輸出模塊分為顯示、制熱、制冷三個(gè)部分。本次設(shè)計(jì)的中央處理器選用AT89C51單片機(jī)作為處理器,該款單片機(jī)價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定,包含定時(shí)器和計(jì)數(shù)器功能,有P1~P4四組端口可滿足本產(chǎn)品的電子控制需求。輸入模塊設(shè)置按鍵來調(diào)節(jié)功能參數(shù),按鍵設(shè)計(jì)采用中斷模式執(zhí)行命令,保障模塊內(nèi)部的實(shí)時(shí)溫度預(yù)設(shè)值,從而能夠防止溫度讀取發(fā)生重復(fù)情況。溫度采集模塊采用DS18B20數(shù)字型溫度傳感器實(shí)現(xiàn)冷熱箱溫度的實(shí)時(shí)采集,該款溫度傳感器通過一根連接線就可以與單片機(jī)建立起雙向通信,且溫度采集范圍為—60~125℃ ,可以滿足冷熱箱的溫控條件。顯示模塊采用LM2581液晶顯示屏,其能通過單片機(jī)驅(qū)動(dòng),并且輸出顯示更加友好,能夠滿足正常使用要求。制冷模塊采用單片機(jī)控制三極管的方式進(jìn)行。散熱模塊采用風(fēng)冷散熱方式。本產(chǎn)品即JCK—4B型開放式冷熱箱的燈板位置調(diào)整至箱內(nèi)后方,且為了滿足空間設(shè)計(jì)要求,新開220 V電源板,芯片更改為4 mm厚的12706型,散熱風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速改為2 500 r/min。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3所示為本產(chǎn)品的軟件設(shè)計(jì)流程圖,冷熱箱啟動(dòng)后系統(tǒng)進(jìn)行初始化,然后進(jìn)入正常的工作模式,此時(shí)可以根據(jù)需求通過按鍵設(shè)置一個(gè)想要的溫度T,此時(shí)液晶顯示屏?xí)敵?目標(biāo)溫度T和實(shí)際溫度t,其中實(shí)際溫度t是通過單片機(jī)發(fā)送指令至溫度采集模塊,即DS18B20數(shù)字型溫度傳感后反饋所得,如果實(shí)際溫度大于目標(biāo)溫度即t>T,則通過指令判斷為制冷模式,相反,如果實(shí)際溫度小于目標(biāo)溫度即t<T,則通過指令判斷為制熱模式。

2.3冷熱箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)市場調(diào)研確定本產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)要求如下:箱體采用發(fā)裸泡結(jié)構(gòu),中間區(qū)域透明,外部可見箱內(nèi)酒瓶;箱內(nèi)上后方帶LED照明燈;滿足直徑105 mm酒瓶頂部開口任意放入的要求。因此,本品即JCK—4B型開放式冷熱箱的外觀設(shè)計(jì)如圖4所示,根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 要求并參考JCK—4型結(jié)構(gòu),本品將JCK—4型上蓋的4個(gè) 圓孔改成一個(gè)長方形孔,然后用一體長方形硅膠墊固定酒瓶,新開硅膠墊支架,并重新設(shè)計(jì)內(nèi)上蓋、內(nèi)下蓋、上蓋、鋁板等零件尺寸參數(shù)。同時(shí),為了增加本產(chǎn) 品整體寬度、深度,重新設(shè)計(jì)左側(cè)板、右側(cè)板、底座。

最終設(shè)計(jì)得到本品各項(xiàng)模件的結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖5所示。

3 開放式冷熱箱的性能測試

根據(jù)市場需求,JCK—4B型開放式冷熱箱的技術(shù)參數(shù)如下:

容積:9.6 L(調(diào)研可知多數(shù)客戶要求小于10 L);溫控范圍:5~18℃;制冷性能:最大溫差>18℃ (環(huán)境溫度32℃);輸入功率:60×(1±10%)W(25℃環(huán)境溫度情況下);氣候類型:SN/N;噪聲≤38 dB(A)(按GB/T 4214.1—2000規(guī)定方法測試);最大外形尺寸(寬×深×高):502 mm×271 mm×260 mm。

本品根據(jù)上述要求進(jìn)行軟硬件及結(jié)構(gòu)方面的重新設(shè)計(jì),試制樣品出來對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)檢查,以確保產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)達(dá)標(biāo)。

溫控測試:在環(huán)境溫度 (25 ± 1)℃條件下將JCK—4B型開放式冷熱箱樣機(jī)空載,輸入AC220V/50Hz電源,溫控板分別設(shè)定最低 (5℃)和最高 (18℃)溫度,各測試3 h,記錄通電2 h樣機(jī)的功率,記錄箱內(nèi)溫度及環(huán)境溫度。溫度探頭布點(diǎn)要求:左、中、右三個(gè)點(diǎn),中心冷壁向下200 mm處(水平方向:距離桶內(nèi)后壁20~40 mm的箱內(nèi)空中位置)測試結(jié)果合格。

制冷深度測試:在環(huán)境溫度(25±1)℃條件下將JCK-4B型開放式冷熱箱樣機(jī)空載,輸入AC110V/60Hz電源,短接溫控不控溫,通電測試5 h,記錄箱內(nèi)左、中、右三點(diǎn)溫度及冷鋁中心表面溫度。溫度探頭布點(diǎn)要求:左、中、右三個(gè)點(diǎn),中心冷壁向下200 mm處(水平方向:距離桶內(nèi)后壁20~40 mm的箱內(nèi)空中位置)及冷鋁中心表面。測試結(jié)果顯示,冷熱箱制冷深度達(dá)到要求。

度量測試及噪聲測試:測試產(chǎn)品整體外形尺寸為502 mm×271 mm×260mm,容積為9.46L,均滿足要求;測試噪聲為29 dB(A),也滿足要求。

4 結(jié)束語

本文首先引入半導(dǎo)體制冷技術(shù)的概念并詳細(xì)闡述了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況,然后指明本產(chǎn)品 JCK—4B型開放式冷熱箱正是該項(xiàng)技術(shù)的一種常見應(yīng)用方式;接著從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等三個(gè)方面介紹了本產(chǎn)品的研制方案,并成功研制出 JCK—4B型開放式冷熱箱樣機(jī);最后針對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測,結(jié)果顯示,本次研發(fā)產(chǎn)品JCK—4B型開放式冷熱箱的各項(xiàng)參數(shù)均滿足要求。

[參考文獻(xiàn)]

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2024年第21期第12篇