半導(dǎo)體便攜式制冷空調(diào)設(shè)計(jì)開發(fā)

閆美玉　徐榮吉　許淑惠

(北京建筑大學(xué)北京市建筑能源綜合高效綜合利用工程技術(shù)研究中心，北京　100044)

1　概述

隨著時(shí)代發(fā)展，制冷空調(diào)市場分類越來越精細(xì)化，特種空調(diào)需求也越來越多。傳統(tǒng)空調(diào)以房間空氣的溫度、濕度為主要調(diào)節(jié)對象，特別考慮整個(gè)房間溫度的均勻性。在現(xiàn)代化辦公條件下，空間應(yīng)用越來越靈活，而空調(diào)不能根據(jù)空間而變，會造成能源的浪費(fèi)。另一方面，特殊工作場所對局部空間降溫的需求也越來越強(qiáng)烈。以人的周圍環(huán)境為主要調(diào)節(jié)對象的便攜式空調(diào)能滿足各種局部空調(diào)的要求，增加了空調(diào)的靈活性，同時(shí)一定情況下會節(jié)約大量能源。

而半導(dǎo)體制冷技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)緊湊、制冷迅速、操作簡單、可靠性強(qiáng)、可對溫度精確控制等優(yōu)點(diǎn)被利用在各個(gè)行業(yè)，尤其在制冷量不大且要求裝置小型化的場合，其優(yōu)勢更加明顯。本文基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)[1]，提出并設(shè)計(jì)一種便攜式空調(diào)，加工樣機(jī)后進(jìn)行了測試研究，為便攜式空調(diào)設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

2　整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　基本思路

便攜式空調(diào)器區(qū)別于風(fēng)扇，能提供冷風(fēng)，又區(qū)別于常規(guī)空調(diào)，體積很小更靈活，甚至能隨身攜帶。利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)制冷裝置的小型化。半導(dǎo)體制冷裝置目前主要的技術(shù)難點(diǎn)是性能系數(shù)較低，熱端發(fā)熱量較大[2]。由于桌面空調(diào)直吹人體，一般要求送風(fēng)溫度不會太低，且送風(fēng)量相對較小，正好與半導(dǎo)體芯片制冷功率較小相結(jié)合，滿足空氣降溫的需要。

設(shè)計(jì)的基本思路是，將空氣通過半導(dǎo)體制冷芯片降溫后吹送到人體，熱端空氣被加熱后吹入室內(nèi)。其核心部件包括：半導(dǎo)體制冷芯片、風(fēng)機(jī)、冷熱端散熱器，如圖1所示。

2.2　小型空調(diào)基本形式

除了制冷區(qū)域的核心部件外，還需要有合適的氣流組織與送風(fēng)方式以及電路控制系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的小型空調(diào)尺寸高度為26 cm，機(jī)身為7.5 cm。其中，氣流組織部分主要是通過機(jī)殼與內(nèi)部風(fēng)路相結(jié)合完成的。如圖2所示為整個(gè)半導(dǎo)體小型空調(diào)基本結(jié)構(gòu)示意圖。除了核心部件外，整個(gè)機(jī)殼從下到上分為底座、中部殼體、上擋風(fēng)板、上部風(fēng)口、頂蓋(如圖3所示)。

整個(gè)風(fēng)路由下往上流動。經(jīng)過底部擋風(fēng)板的時(shí)候，空氣被一分為二，一部分經(jīng)過冷端翅片后降溫，通過冷風(fēng)出口吹到人體；另一部分經(jīng)過熱端翅片后升溫，通過熱風(fēng)的側(cè)出口進(jìn)入環(huán)境。小型空調(diào)的側(cè)剖視圖如圖4所示。

小型空調(diào)的電控也非常重要[3]。半導(dǎo)體芯片的工作電流很高，而且工作電壓為直流12 V，需要220 V交流電轉(zhuǎn)換，此外，風(fēng)扇需要直流或交流供電。如果需要，還可以設(shè)計(jì)擺頭。其中，電路部分集中在空調(diào)底座內(nèi)部，充分利用空間。如果考慮移動，空調(diào)應(yīng)該集中蓄電池。蓄電池也放在底座，降低空調(diào)重心。

3　空氣降溫計(jì)算

一臺小型空調(diào)能達(dá)到多低的送風(fēng)溫度，是空調(diào)設(shè)計(jì)的核心參數(shù)。其中相關(guān)參數(shù)如下：

空氣相關(guān)參數(shù)：比熱為c=1.004 kJ/(kg·K)，空氣密度為ρ=1.29 kg/m3。半導(dǎo)體芯片參數(shù)：半導(dǎo)體制冷量Φ=40 W，尺寸40 mm×40 mm×4 mm。風(fēng)機(jī)參數(shù)：風(fēng)機(jī)風(fēng)量V=28CFM=28×1.7=47.6 m3/h，噪聲25 dB(A)。

假設(shè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量一半通過熱端，一半通過冷端，即通過冷端的風(fēng)量為V/2。由能量守恒可得[4]：

半導(dǎo)體制冷量Φ=空氣比熱c×空氣質(zhì)量流量m×空氣降低溫度Δt。

其中，空氣質(zhì)量流量m=空氣密度ρ×風(fēng)機(jī)流量V/2。

即：Φ=c×m×Δt=c×ρ×V×Δt/2。得：Δt=2Φ/(cρV)=4.67 ℃。

可得到空氣降溫達(dá)到4.5 ℃左右。如果室內(nèi)溫度為30 ℃，吹風(fēng)溫度為25.5 ℃，屬于涼風(fēng)范圍，基本滿足要求。如果采用更高性能的半導(dǎo)體芯片，溫度降低程度會更高。

4　主要部件選型

4.1　半導(dǎo)體芯片

半導(dǎo)體芯片是便攜式空調(diào)的核心部件，其性能直接決定了空調(diào)的性能。經(jīng)過對比測試，選用南京豪特酷源電子科技有限公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體芯片(TEC1-12704T125)，具體參數(shù)如表1所示。根據(jù)制冷量的需求，可以選擇其他型號芯片，可以達(dá)到更好的制冷效果。

表1　半導(dǎo)體芯片參數(shù)

4.2　風(fēng)機(jī)

經(jīng)過對比綜合考慮風(fēng)量對換熱系數(shù)的影響及實(shí)際需要，以及噪聲及尺寸，選用富士康生產(chǎn)的PV903212DSPF風(fēng)機(jī)。具體參數(shù)如下：

型號：PV903212DSPF；

尺寸：80 mm×80 mm×25 mm；

轉(zhuǎn)速：1 000 rad/min～4 500 rad/min；

電壓：12 V；

軸承：滾珠軸承；

噪聲：15 dB～40 dB；

電流：0.40 A。

5　測試結(jié)果

將加工的樣機(jī)分別放置于25 ℃和30 ℃無空調(diào)房間進(jìn)行了送風(fēng)降溫測試和體感測試。

在兩種環(huán)境溫度下，中等風(fēng)量時(shí)，入風(fēng)與送風(fēng)穩(wěn)定達(dá)到5 ℃溫差，即30 ℃環(huán)境溫度時(shí)，送風(fēng)溫度達(dá)到25 ℃；25 ℃環(huán)境溫度時(shí)，送風(fēng)溫度達(dá)到20 ℃。進(jìn)一步減少風(fēng)量后，送風(fēng)溫度可以進(jìn)一步降低，到無風(fēng)時(shí)，冷端換熱器會有明顯的結(jié)霜。

同時(shí)對體感進(jìn)行了測試，在兩種工況下，在離開送風(fēng)口不同距離時(shí)，樣機(jī)冷風(fēng)出口吹拂人手部和面部，測試人體舒適度感覺。在送風(fēng)口5 cm時(shí)，吹拂面部和手部，均能感覺到非常明顯的涼風(fēng)。當(dāng)距離達(dá)到25 cm時(shí)，風(fēng)量明顯變小，能感覺到?jīng)鲲L(fēng)，超過35 cm僅僅能感覺到微風(fēng)。對比發(fā)現(xiàn)吹拂面部，人的舒適度更高，可以感覺到明顯的涼風(fēng)。半導(dǎo)體制冷適用于近距離局部空調(diào)。當(dāng)然可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)遠(yuǎn)距離送風(fēng)。

6　結(jié)語

本文利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)，設(shè)計(jì)并加工了一種便攜式空調(diào)。詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)方案和設(shè)備選型并進(jìn)行了測試。結(jié)果表明在不同室溫下半導(dǎo)體空調(diào)均能保證入風(fēng)和送風(fēng)5 ℃的溫差；體感測試時(shí)，在不同距離下手部和面部均能感覺到?jīng)鲲L(fēng)且風(fēng)量隨著距離增加而減小，兩者相比面部舒適度更高。便攜式半導(dǎo)體空調(diào)可以滿足近距離局部空間制冷的需求，但對于遠(yuǎn)距離、空間較大的區(qū)域，應(yīng)根據(jù)半導(dǎo)體制冷片的結(jié)構(gòu)和環(huán)境需要的降溫要求，對半導(dǎo)體芯片重新選型并對其他裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1999：24-33.

[2]王懷光，吳定海，陳彥龍，等.半導(dǎo)體制冷技術(shù)研究綜述[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2012，33(11)：133-134.

[3]吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備「M].西安:西安交通大學(xué)出版社，1997:21-25.

[4]楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].第4版.北京：高等教育出版社,2006：32-45.