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【摘要】：本文主要介绍以半导体制冷片为基础的新型冷暖衣柜，采用帕尔贴效应的制冷方法，夏季实现衣柜微环境制冷，利用供电电源的极性反转使半导体制冷片冷热面转换，在冬季实现制热，控制衣柜温度在人体舒适的温度范围内，对衣物进行冷却或加热，使人们在夏季或冬季穿衣时有明显的舒适感。该衣柜无污染，制冷制热速度快，噪声低，具有潜在的市场开发前景。
【关键词】：半导体制冷片 温度控制
1、 前言
空调的出现在炎热的夏季和寒冷的冬季给人们的生活营造了舒适的环境，随着社会的发展，小型空调产品也日益出现在人们的视野中，如车载冰箱，冷热两用箱等等。其中一个重要的部件是半导体制冷片，它也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。在原理上，半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。
2、 半导体制冷片恒温衣柜结构及工作原理
半导体制冷片冷暖衣柜，正是利用半导体制冷片的帕尔贴效应而设计的控温型衣柜，它由衣柜本体，半导体制冷系统和控制系统三部分组成。
其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子从负极出发，首先经过P型半导体，吸收热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。冷热端分别由两片陶瓷片所构成。热端面散出的热量则需要靠风冷或水冷排出。如图1、2所示。
图1 半导体制冷片原理 图2 半导体制冷片
冷暖衣柜能够使衣物在夏季和冬季得到一定的降温与升温，给人们在穿衣时带来明显的舒适感。它结构简单，尺寸小，重量轻，无机械部分，工作时可以通过电源的极性反转，切换电流方向，使制冷器从制冷状态转换成制热状态，使用寿命长，易于控制，具有一定的研究价值。
3 、半导体制冷片恒温衣柜设计
3.1 衣柜及环境条件设定
衣柜采用一般的实木颗粒板制作，所有木材都属于中空多孔物质，具有一定的保温性能。承重的面板一般都采用25mm的厚度，其他地方都常规化的用18mm，衣柜背板目前大多用的是9mm。衣柜长×宽×高为2000mm×600mm×2400mm。
以郑州为例，取无空调房间夏季室内平均温度为30℃，相对湿度60%，无集中供暖房间冬季室内平均温度为6℃，相对湿度40%计算。控制衣柜内部夏季、冬季温度均为18℃。
3.2 夏季冷负荷计算
衣柜以及衣柜内空气从室内平均温度降到设计温度的过程中需要冷量， 根据这个阶段的冷负荷选择半导体制冷片的数量，衣柜内达到的温度及冷却速率的一般要求0.1～1.5℃ / min，可取夏季衣柜降温时间为600s。
（1） 衣柜内环境降温阶段冷负荷。
设计衣柜尺寸长、宽、高分别是2000mm、600mm、2400mm。有效容积为2.88 ，式中：为衣柜内空气质量（），为空气比热容（），，为夏季室内平均温度和夏季衣柜内设计温度，为降温时间。
（4）夏季衣柜总冷负荷Q= Q1+ Q2+ Q3=643.82W。衣柜除了温度降到设计温度的过程中需要冷量Q之外， 维持在设计温度也需要冷量q，由于q比Q小得多，所以在本设计中主要考虑冷量Q。
3.3 半导体制冷片选取
衣柜尺寸较小，采用多个制冷片串联的方式来实现。采用TEC1-12709T125型号的半导体制冷片，查得其最大制冷功率为89.2W。半导体制冷片的制冷效率按0.5计，则由所求出的冷负荷可得到夏季衣柜所需制冷片的制冷功率为1287.64W，所以衣柜所需要的制冷片的个数为N=1287.64/89.2=15个。设计中多个制冷片串联排布在冷暖衣柜顶部，采用散热风扇风冷方式对热端进行散热，冬季时，电流方向改变，制冷片冷热面交换，向衣柜内散热，一个系统即可实现制冷制热。
3.4 冬季校核计算
认为温度的变化对板材的传热系数没有影响冬季冷暖衣柜热负荷计算方法同上：，，，Q= Q1+ Q2+ Q3=560.9W，对于半导体制冷片来说，其制冷效率较低，约为0.5，而制热效率均大于1，因此，按照夏季衣柜设定温度选取的15个制冷片能够满足冬季冷暖衣柜制热需要。
4、 系统运行分析
与普通同型号衣柜相比，半导体制冷片冷暖衣柜在衣柜顶板串联15片TEC1-12709T125型半导体制冷片，均匀分布，家用电路中通过整流电路将220V交流电转变为直流电压连接15片串联的制冷片，可以控制制冷片的工作压力低于其最大工作电压，衣柜顶板内外设置微型散热风扇叶，在运行时促进热端散热，防止温度过高烧坏制冷片。
5、 结论
从半导体制冷片冷暖衣柜的理论研究，得出了半导体制冷应用的新设计思路，它具有无运动部件，占体积小，控制方便等优点。但是系统设计不够成熟，制冷效率低，能耗大，如何是系统运行流畅，降低能耗是今后研究的方向。随着科技的不断进步、学科的交融和新材料的开发与应用， 相信这些问题会得到解决。
参考文献：
[1]钟广学. 半导体制冷器件及其应用[M]，北京，科学出版社，1991.
【关键词】：半导体制冷片 温度控制
1、 前言
空调的出现在炎热的夏季和寒冷的冬季给人们的生活营造了舒适的环境，随着社会的发展，小型空调产品也日益出现在人们的视野中，如车载冰箱，冷热两用箱等等。其中一个重要的部件是半导体制冷片，它也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。在原理上，半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。
2、 半导体制冷片恒温衣柜结构及工作原理
半导体制冷片冷暖衣柜，正是利用半导体制冷片的帕尔贴效应而设计的控温型衣柜，它由衣柜本体，半导体制冷系统和控制系统三部分组成。
其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子从负极出发，首先经过P型半导体，吸收热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。冷热端分别由两片陶瓷片所构成。热端面散出的热量则需要靠风冷或水冷排出。如图1、2所示。
图1 半导体制冷片原理 图2 半导体制冷片
冷暖衣柜能够使衣物在夏季和冬季得到一定的降温与升温，给人们在穿衣时带来明显的舒适感。它结构简单，尺寸小，重量轻，无机械部分，工作时可以通过电源的极性反转，切换电流方向，使制冷器从制冷状态转换成制热状态，使用寿命长，易于控制，具有一定的研究价值。
3 、半导体制冷片恒温衣柜设计
3.1 衣柜及环境条件设定
衣柜采用一般的实木颗粒板制作，所有木材都属于中空多孔物质，具有一定的保温性能。承重的面板一般都采用25mm的厚度，其他地方都常规化的用18mm，衣柜背板目前大多用的是9mm。衣柜长×宽×高为2000mm×600mm×2400mm。
以郑州为例，取无空调房间夏季室内平均温度为30℃，相对湿度60%，无集中供暖房间冬季室内平均温度为6℃，相对湿度40%计算。控制衣柜内部夏季、冬季温度均为18℃。
3.2 夏季冷负荷计算
衣柜以及衣柜内空气从室内平均温度降到设计温度的过程中需要冷量， 根据这个阶段的冷负荷选择半导体制冷片的数量，衣柜内达到的温度及冷却速率的一般要求0.1～1.5℃ / min，可取夏季衣柜降温时间为600s。
（1） 衣柜内环境降温阶段冷负荷。
设计衣柜尺寸长、宽、高分别是2000mm、600mm、2400mm。有效容积为2.88 ，式中：为衣柜内空气质量（），为空气比热容（），，为夏季室内平均温度和夏季衣柜内设计温度，为降温时间。
（4）夏季衣柜总冷负荷Q= Q1+ Q2+ Q3=643.82W。衣柜除了温度降到设计温度的过程中需要冷量Q之外， 维持在设计温度也需要冷量q，由于q比Q小得多，所以在本设计中主要考虑冷量Q。
3.3 半导体制冷片选取
衣柜尺寸较小，采用多个制冷片串联的方式来实现。采用TEC1-12709T125型号的半导体制冷片，查得其最大制冷功率为89.2W。半导体制冷片的制冷效率按0.5计，则由所求出的冷负荷可得到夏季衣柜所需制冷片的制冷功率为1287.64W，所以衣柜所需要的制冷片的个数为N=1287.64/89.2=15个。设计中多个制冷片串联排布在冷暖衣柜顶部，采用散热风扇风冷方式对热端进行散热，冬季时，电流方向改变，制冷片冷热面交换，向衣柜内散热，一个系统即可实现制冷制热。
3.4 冬季校核计算
认为温度的变化对板材的传热系数没有影响冬季冷暖衣柜热负荷计算方法同上：，，，Q= Q1+ Q2+ Q3=560.9W，对于半导体制冷片来说，其制冷效率较低，约为0.5，而制热效率均大于1，因此，按照夏季衣柜设定温度选取的15个制冷片能够满足冬季冷暖衣柜制热需要。
4、 系统运行分析
与普通同型号衣柜相比，半导体制冷片冷暖衣柜在衣柜顶板串联15片TEC1-12709T125型半导体制冷片，均匀分布，家用电路中通过整流电路将220V交流电转变为直流电压连接15片串联的制冷片，可以控制制冷片的工作压力低于其最大工作电压，衣柜顶板内外设置微型散热风扇叶，在运行时促进热端散热，防止温度过高烧坏制冷片。
5、 结论
从半导体制冷片冷暖衣柜的理论研究，得出了半导体制冷应用的新设计思路，它具有无运动部件，占体积小，控制方便等优点。但是系统设计不够成熟，制冷效率低，能耗大，如何是系统运行流畅，降低能耗是今后研究的方向。随着科技的不断进步、学科的交融和新材料的开发与应用， 相信这些问题会得到解决。
参考文献：
[1]钟广学. 半导体制冷器件及其应用[M]，北京，科学出版社，1991.