新型半导体制冷真空冰箱的研究

Studies of a New Style Semiconductor Cryogenic Vacuum Refrigerator
ZHOU Yong-an，OU Lin—lin
(School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefd 230009，China)
    Abstract：The semiconductor cryogenic vacuum refrigerator is a new green-food one for cold storage and freeze without fluorine. It can use semiconductor cryogenic as cooled sources(Peltier effect)while evacuates the air in the cold-storage room．This kind of refrigerator has a lot of functions，for example，ventilation，deodorization，freshness-keeping，vacuum freeze，etc．
    In the design Of the vacuum system，the pumping speed is calculated according to the proper pumping time，so that the appropriate vacuum pump can be selected．The auto-control system controls the cold-storage room and the freeze respectively．It realizes the control with the temperature sensor ADS90，the pressure resistance gauge ZDY-1 and the control units，so it has the functions of the digital display and auto control．
    This new kind of refrigerator has no pollution．The quality of storage food-stuff is better than that of the traditional one．It can in crease the cooling speed also,and will have broad prospects in the near future market．
    Keywords：Semiconductor cooler；Vacuum；No pollution；Freshening；Cooling speed
摘要：主要介绍以半导体器件为制冷源的新型全无氟绿色食品冰箱。它具有冷冻和冷藏功能，其特点是制冷源采用半导体制冷器件的原理（帕尔帖效应)。同时对冷藏室抽真空。具有换气、除臭、食品保鲜及真空预冷等多项功能。
    在真空系统的设计中，根据适当的抽气时间计算出真空的抽速，以选择合适的真空设备。自动控制系统对冷冻和冷藏室分别加以控制，利用温度传感器AD590和压阻规ZDY-1及其控制单元实现对真空设备和制冷设备的电气控制，从而实现了数显与自动的控制。该机制冷速度快，具有潜在市场效应。
    关键词：半导体制冷；真空；无污染；保鲜；制冷速度
    随着人们生活质量提高，民以食为天的准则不随以饱来衡量，因而对食品提出了更高的要求，人们不仅要求食品品质优良，营养丰富，而且要求品种繁多，卫生便利，故如何延长各类食品的存放保鲜期，保持天然食品原有状态、色泽风味和营养成分，成为
姆学家的研究方向。
    冷冻储藏为人们所熟知，但传统的冷冻储藏有其缺陷，即冷藏后产品营养流失，形状、色泽、气味均有改变，且不易复原。传统的制冷装置所需时间长，这正是导致以上缺陷的原因。随着科学技术的发展，电冰箱的冷冻储藏时间已有所缩短，但仍不能满足人们对食物的新鲜度、营养性的要求。而且由于冰箱内空气的流动，食品水分的蒸发，食品在冰箱内的存放期较短。同时由于冷却的速度不够快，耗电量就大。为了解决冰箱存在的上述缺点，采用在冰箱内部抽真空冷却的方法来加快冷却速度，延长食品的存放期，提高食品的保鲜度。同时对食品产生的异味进行排除，提高了产品的储藏质量。冰箱虽然已普及，但污染问题越来越受到人们的关注，都在寻求氟利昂的替代品，其中无氟冰箱早已出现，但它们对大气仍有不同程度的污染，因而就要寻找另一种新的制冷源。经研究，利用帕尔帖效应的(热电)半导体致冷器件来克服污染问题。热电致冷器件有许多机械式致冷无法比拟的优点，如结构简单、工作环境要求低、尺寸小、重量轻、无任何机械部分、工作中无噪声、通过调节工作电流的大小可调节致冷效率、切换电流方向，能够使致冷器从致冷状态转换成致热状态，作用速度快、使用寿命长且易于控制。因此，本研究主要针对冰箱内部抽真空和半导体制冷源加以研究，对冰箱进行了改革，使其能满足现代人的生活需要，对环境不造成威胁。
1 半导体致冷冰箱的结构与工作原理
    半导体致冷冰箱是利用半导体致冷器件的帕尔帖效应和真空预冷原理而设计的多功能式冰箱[1-3]，它由箱体、制冷装置、真空系统和控制系统等4大部分组成。
1．1半导体致冷原理
    图1为半导体制冷原理，可分为2部分来研究。当电流的极性如图所示时，电子从电源负极出发，经金属片结点4，p型半导体，结点l，金属片回到电源正极。但因左半部是p型半导体，导电方式是空穴型的，空穴流动方向与电子流动方向相反，所以空穴是从金属片，结点3，p型半导体，结点4，金片回到电源负极。空穴在金属当中所具有的能量，低于在半导体中所具有的能量。当空穴在电场作用下，由金属片通过结点3，到达p型半导体时，必须增加一部分能量。但空穴本身无法自己增加能量，只有从金属片中吸收能量，并把这部分热能变成空穴的势能。因而在结点3处的金属片的温度便降低。而当空穴沿p型半导体通向结点4流向金属片时，由于p型半导体中空穴的能量大于金属中空穴的能量，因而要释放出多余的势能，并将其转变为热能释放出来，所以使结点4处金属片的温度升高。而图1中右半部由n型半导体金属片相联接，靠自由电子导电。电子在金属中的势能低于在n型半导体中的势能，在电场的作用下，电子从金属片通过结点2到达n型导体时必然要增加势能，这部分势能也只能从金属片的热能取得，因而使结点2处金属片的温度降低，当电子从n型半导体经过结点1流向金属片时，因电子是由势能较高的地方流向势能较低的地方，所以释放出多余的势能，并转变成热能，使结点1处金属片的温度升高。从上述分析可知，上部金属片的温度降低，成为冷端，这样温度低的金属片便从周围介质吸热使周围介质得到冷却，因而达到了制冷的目的；而下部两联结片则放热，成为热端，在制冷时热端所产生的热量必须排走。
1．2真空冷却保鲜原理
    真空冷却是在减压条件下，使果蔬表面的一部分水分迅速蒸发，由于水分在蒸发过程中吸热而使果蔬达到冷却的目的[4]。如果在低温条件下抽真空，可以加快制冷源的制冷速度。标准大气压下，水的沸点是100oC，而当压力下降到610 Pa时，水的沸点是0oC。在不同压力下，水的气化热也不相同。在l×105 Pa时，1g水蒸发需2275 J的热量，而当压力下降到610Pa时，1g水蒸发需2515 J的热量。由此可见，随着压力的降低，水的沸点温度降低，蒸发单位质量的水所消耗的热量反而增加。这就是说，只要抽真空，被冷却处理的物料表面水分就会在低温下蒸发，同时消耗较多的热量，在没有热源的情况下能很快降低物料自身的温度而达到冷却的目
的，这就叫作真空冷却。
    在l×105～610 Pa和100～0oC的压力和温度范围内，水是最好的制冷剂。压力低于610 Pa以后，温度就会低于0oC，造成被保鲜物料的冷冻，这是真空冷却所不允许的。一般真空冷却时要求果蔬食品的水分损失不超过5％，否则将造成被保鲜食品的萎蔫。在压力从一个标准大气压降低到610 Pa的过程中，仅有2％～3％的水分被蒸发，果蔬食品不干枯，质量不减少。一般认为每蒸发质量1％的
水分，大约使食品温度下降6oC，假设从30oC冷却到2oC，其失水率不超过5％，所以食品的风味、品质不受影响。
2 半导体制冷冰箱的设计计算
2．1壳体设计计算
    箱体有2个室：冷藏室和冷冻室，且对冷藏室抽真空，因而壳体的设计是根据低温低压环境实验箱体的设计原则，壳体分四层：钢板、防潮层、隔热层、护板(由内向外)。
    (1)钢板壳体用角钢焊接成内外构架，在外构架内侧点焊厚0.5mm的钢板。
    (2)防潮层制冷装置启动后，隔热层温度由内向外不同程度地降低。降温后，隔热层中空气的体积缩小，空气中水蒸气的分压力随温度的降低而降低，这就在隔热层内外有一个水蒸气分压力的差值。如果没有防潮层，大气中的水蒸气就会和空气中的水蒸气一起进入隔热层。进入隔热层的水蒸气在被冷却后变成水，这会大大破坏材料的隔热性能。因此防潮层起着非常重要的作用。
    本设计选用的防潮层为二层涂刷均匀、光滑的除沥青玛碲脂，厚度为2mm。
    (3)隔热层  隔热层的作用是防止热量传人被除却的空间，其应具有的主要特性是：导热系数小、容重小、耐低温性好。所以选择聚苯乙烯泡沫塑料作隔热材料。
    平壁所需隔热层厚度：
        δ=λ(TB-TW)／[(TZ-Tb)α]
式中λ为隔热层导热系数，取λ=0.035 W／m•K；
α为空气对隔热层外表面的放热系数，取α=8.14 W／m2•K；
TW为隔热物体的温度(oC)；
TZ周围环境温；
δ为隔热层厚度；
Tb为隔热层外表面温度。
已知：TW(冷藏) = 2oC，TW(冷冻) = -16oC，：Tb = 27oC，TZ = 30oC
可得：δ(冷藏) = 35mm，δ(冷冻) = 60mm
    (4)护板  因箱体要承受外压，对于食品储藏室，又必须得防锈，所以选用不锈钢板。取其厚度为2mm。为了增加壳体的机械强度，以免变形，根据盒形壳体的设计方法，采用加强筋补强[5]。加强筋的布置如图2所示：横加强筋的宽度和高度分别为0.6和1.8cm。
2．2箱体冷负荷计算
    箱体只有从介质的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器件的各项参数。根据箱体内所需的温度及冷却速率的一般要求在O.1～1.5oC／min，可知冷藏室、冷冻室的降温时间的分别为1120和1840s。
2.2.1产品降温阶段冷负荷
    本设计冰箱外形尺寸长、宽、高分别是75，60，120 cm。冷藏室外形高96 cm，冷冻室高24 cm，估计冷藏室有效容积为120 L，冷冻室为30 L。
    Q1(冷藏) = mc(T1-T2)/τ
Q1(冷冻) = m[c(T1-T0)+c0(T0-T2)+γ]／τ
式中m为产品质量，c为冰点以上时食品的比热容；c0为冰点以下时食品的比热容，T0为冰点温度；T1为开始温度，T2为最终温度；τ为降温时间；γ为潜热。
冷藏室中以冷藏葡萄为例，其储藏容积为9.4m3／t，比热容c0为3.60 kJ／kg•K。
冷冻室中以冷冻鱼为例，其储藏容积为8.1 m3／t，比热容c0为1.80 kJ／kg•K。
可得：Q(冷藏)=1.25 kW，Q1(冷冻)：0.76 kW
2.2.2箱体内零件降温冷负荷
    冷藏室的主要零件是一层搁板和置于半导体冷端的热导体铝，冷冻室的主要零件是置于半导体冷端的热导体铝。由热传导公式可得：Q2(冷藏) = 0.086 kW，Q2(冷冻)=0.054 kW。
2.2.3箱壁降温冷负荷
    为计算方便，将加强筋体积折合成冷藏室，整个箱体钢板体积的厚度，hp=0.106 mm
查表知：
钢板：ρ1 = 7750 kg/m3，c1 = 0.5 kJ／kg•K
泡沫塑料：ρ2= 30 kg/m3，c2 = 0.03 kJ／kg•K
防潮层：ρ3 = 2000 kg／m3，c3 = 0.6 kJ／kg•K
则由Q = mc(T2-T1)/τ 可得：Q3(冷藏) = 0.089 kW，Q3(冷冻) = 0.023 kW
2.2.4通过箱体传入冷负荷Q4
        Q4 = KSp(TH-T4)
式中Sp为箱体外表面积的平均值(m2)；TH为环境温度(oC)；T4为箱体内温度(oC)；K为热导率。
可得：
Q4(冷藏)=0.026 kW；Q4(冷冻)=0.005 kW。
2.2.5开门冷损耗Q5
    Q5 = Vγ(iw一in)／τ
式中：V为实验室有效体积；γ为空气在该温度下的比重；iw为实验室外空气的热焓；in为实验室内空气的热焓。
可得：
Q5(冷藏) = 0.005 kW，Q5(冷冻) = 0.0016 kW
2.2.6产品降温阶段总冷负荷
    Q = Q1 + Q2+ Q3 + Q4+ Q5
    可得(取1.1～1.2的安全系数)：
    Q(冷藏) = 1.76 kW；Q(冷冻)=1.012 kW。
2．3致冷器设计计算
    如果采用单个的半导体致冷器件，则需几百个制冷器串联或并联，这样会占用很大的空间，造成冰箱笨重，所以本设计采用半导体温差电模块。散热器装置分2级：一级使用水冷装置，它和串联的温差电模块及起贮冷作用的热导体组合成一套固定的装置。另一级是空气强制冷却。
    本设计采用美国NSI公司生产的半导体致冷模块，其各项参数如下：
表1半导体致冷模块参数
模块    To／K    I最佳/A    U最佳/V    ΔT最大/K    Q/W    Ac/mm2    Lm/mm    N
8HF    300    7.0    5.5    60    65    17.5×19.25    3.0    1

表中To为半导体致冷器热端温度；
I最佳，U最佳分别为最佳工作电流和最佳工作电压；
ΔT最大是在Qo = 0时的最大温差；
Q为热面的最大热功率；
Lm为模块的总高；
N为级数；
Ac为端面面积。
    由致冷效率和所求出的冷负荷可得冷藏室中所需致冷模块的热功率为2.07 kW，冷冻室中为4.048 kW，又因为电压为5.5 V时，一个致冷模块的热功率为63 W，所以冷藏室所需致冷模块的个数为N=2070／63=33个，冷冻室所需致冷模块的个数为N=4080／63=65个。每套致冷源中有33个半导体致冷模块串联，冷藏室用一套这样的致冷源，冷冻室用2套。
    在本设计中，致冷器件排布密集，产冷量高，所以采用换热系数大的循环水散热系统，为了避免致冷源产生的热量穿透箱体较薄的金属造成局部过冷，在电堆的冷端设置第一热导体和第二热导体，以使冷量在箱体内均匀分散。
2．4真空系统设计计算
    本设计真空部分包括真空泵、储气室和真空管道。冷藏室的门把手上设有一进气阀，以便开启箱门。
    根据真空冷却保鲜原理知：对冷藏室抽真空能保鲜食品，加快冷却速度。但如果真空度过高会使果蔬萎蔫皱缩。所以综合考虑上述因素，确定其极限压强为6800 Pa，所需真空系统抽气速率为：
            υy = 2.3(V/t)lg(p1/p2)
式中：t为真空泵抽气时间(s)；V为被抽容器容积(L)；p1为被抽容器起始压力(Pa)；p2为被抽容器设定压力(Pa)。
    由已知条件可得：υy=0.5 L／s
    对冰箱抽真空所选用的泵必须能从大气开始抽气，且要体积小、重量轻、成本低，因而选用2X-0.5型旋片泵。为减少旋片泵返油，污染被抽空间，在旋片泵进气口设置油分离器，油分离器的筒身直径D=24 mm。
3 装置的自动控制系统
    在冰箱中设置自动控制系统，可提高冰箱的使用性能。控制系统对冷藏室的压强和温度及冷冻室的温度进行控制，其控制系统的简图如图3所示[6]。
    在本设计中，冷藏室温度设定为2oC，冷冻室的温度设定为-16oC，所以选用AD590温度传感器。用此传感器及其他元件构成温度控制测量系统。冷藏室真空度达6800 Pa，故选用ZDY-1型压阻式真空计，以控制真空泵的启动和停止。压阻式真空计由变送器和显示器组成，可在门板外显示真空度的值。其显著特点是具有良好的互换性，对安装位置无要求，稳定性好，精度高。
4 结论
    新型半导体致冷真空冰箱的研究，提出了克服氟污染的一种新思路，经理论设计与实验研究是可行的。它具有无污染、气调、保鲜、真空冷藏等多种功能。不足之处在于它能耗大，但随着科学技术的日趋完善，可以不断地改进。虽然在国外已有这方面研究，但至今未见商品问世，仍处于研究阶段。相信通过人们的共同努力，会有新的突破，把真正的全无氟冰箱奉献给人类。