浅谈水冷式半导体小冰箱设计

夏西厅 方旭红

长虹美菱股份有限公司，安徽 合肥 230601

摘要：基于半导体的制冷原理，在半导体制冷片的最佳工况下，使用水冷散热系统取代原半导体制冷器热端用的风扇与散热装置。从半导体小冰箱设计研究中发现，当该冰箱在最佳的工作条件下工作时，既能实现系统制冷量最大化，又能使功耗达到最小化，从而达到降低成本、节约能源、综合收益最大化的目的。

并同时提高半导体小冰箱的制冷性能。半导体制冷装置结构包括：水冷头、水箱、小水泵、小风扇以及散热装置。通过水泵带动循环液循环流动，散热装置对水冷头热端出来的热水进行散热，风扇安装在散热装置上，这样可以加快冷热传递，促进小冰箱内空气对流，使箱内降温均匀，并可以防止半导体制冷装置冷端产生结霜现象。

关键词：水冷式；半导体；小冰箱；设计

Technical design of large volumeair-cooled refrigerator

Xia Xiting Fang Xuhong

(ChangHongMeiLingCo.Ltd， Hefei， 230601)

Abstract：Based on the refrigeration principle of semiconductors, under the best working condition of semiconductor refrigeration fins, water cooling and heat dissipation system is used to replace the fan and heat dissipation device used in the hot end of the original semiconductor cooler. From the design and research of semiconductor small refrigerator, it is found that when the refrigerator works under the best working conditions, it can not only maximize the cooling capacity of the system, but also minimize the power consumption, so as to achieve the purpose of reducing costs, saving energy and maximizing comprehensive income.At the same time, the refrigeration performance of the semiconductor refrigerator is improved. The structure of semiconductor refrigeration device includes: water cooling head, water tank, small water pump, small fan and heat dissipation device. The circulating liquid is driven by the water pump to circulate, and the heat dissipation device dissipates the hot water from the hot end of the water cooling head. The fan is installed on the heat dissipation device, which can speed up the cold and heat transfer, promote the air convection in the small refrigerator, cool the box evenly, and prevent frosting at the cold end of the semiconductor refrigeration device.

Key words: water-cooled; semiconductors; small refrigerators; design

1 引言

随着人们对生活品质越来越高的追求，对家电产品的绿色环保要求越来越高。绿色低碳、宁静无噪、节能高效的冰箱也越来越受人们追捧，对冰箱的要求也不局限在厨房与客厅，小巧可爱的小冰箱，出现在了卧室、办公室、汽车等地方。而半导体冰箱因无需制冷剂，绿色环保；且半导体制冷，无压缩机等机械传动部件，噪音低。与同等容积的其他制冷方式小冰箱相比，更节能，且使用寿命更长。半导体冰箱打破了传统冰箱的概念，其结构简单、体型小巧、外观精致等特点，给人带来了全新的体验，市场前景广阔。

同时，随着新国家标准的实施，节能、降噪、绿色环保已成为市场发展必然趋势，成为所有行业研究的主要方向。

2 半导体冰箱现状

传统的半导体冰箱多采用强制风冷散热，散热效果比较差，制冷效率也不高，导致冰箱储藏温度只能比环境温度低12 ℃左右，所以只可用于普通冷藏，不能用于冷冻。通过研究表明，冷热端换热条件越好，半导体制冷器制冷性能越好。

从半导体冰箱的几种散热方式性能研究比较看出，水冷式散热是半导体冰箱几种散热方式中效果最好的，且使用最方便、散热效率最高。因此，通过采用水冷方式提高半导体制冷器热端散热效率，达到改善小冰箱的制冷效果。

3 水冷式半导体冰箱工作原理

根据半导体冰箱的制冷原理，在半导体制冷片最佳的工作状态况下，采用水冷散热方式，设计出小型半导体冰箱。使其在最佳的工况下，消耗较小的功率，获得相对较大的制冷量，从而达到降低成本，提高综合效益，并且提高半导体冰箱的制冷性能的目的。

因半导体冰箱制冷系统的散热量与制冷量和输入功率密切相关，故解决好散热问题对提高制冷效率起到关键的作用。和传统半导体冰箱不同的是，热端散热方式改变，由原来的风冷散热改为水冷散热。图1为水冷散热半导体冰箱原理图。

图1 水冷式半导体冰箱原理图

水冷散热系统包括：制冷片热端连接的水冷头、盛放循环液的水箱、加快液体循环的小水泵、散热水排以及连接水管。装置结构如图2所示。

图2 水冷散热装置结构图

因铜的导热系数高，散热效果更好，水冷头采用的全铜材质，规格为50 mm × 50 mm × 20 mm ，而且铜水冷头内部容积大，循环水流过可以快速带走制冷片热端的热量。在水冷头上设有进水口与出水口，使用水管将进水口和水箱相连、出水口和散热水排相连。水箱采用铝材质，规格为120 mm × 120 mm × 120 mm ；散热水排采用带有超薄紧密翅片的双排八管道的铝管，并且在散热排上设置循环风扇，辅助散热，风扇规格为DC 12 V，0.l A 。循环水泵采用规格为220 V，50 HZ潜水泵，尺寸为60 mm ×45 mm × 65 mm，水泵参数：功率为8 W，扬程为0.8 m，流量为800 L/H，为水冷循环系统提供足够的水量。试验时，小水泵的电源可直接使用市电供电，接插在室内插座上，而半导体制冷器及小风扇的供电使用12 V电源。

4 半导体水冷小冰箱制冷装置的设计

为了后期检修方便拆卸，半导体制冷器以及散热系统的连接均采用机械固定方法，如图3所示。首先，冷端散热器采用一个规格为70 mm × 100 mm × 35 mm ，且带有多个较长散热翅片的散热器，将规格为DC 12 V，0.16 A的电脑用小风扇安装在散热器两端翅片上；拆掉导冷块，将半导体制冷器冷面直接与散热器平整面相贴，冷端产生的冷量可以直接传递到散热器，散热器面积越大，翅片越多，具有空气流动通道面积就越大，在小风扇强制循环对流下，冷量可以快速传递到小冰箱整个空间内。制冷器热端采用一个规格为50 mm × 50 mm × 20 mm的水冷头进行散热，且水冷头比制冷器热端面积稍大，将半导体制冷器的热端贴在水冷头的中间，这样从水冷头流过的冷水可以及时将热端面的热量充分的带走。在半导体制冷器的冷、热端面，以及冷端散热器的一面和水冷头的一面都涂上便于导热的导热膏，然后将三者紧密的压合在一起。

图3 半导体小冰箱安装固定示意图

1.水冷头 2.半导体制冷器 3.水冷头进水口 4.隔热材料 5.测温探头 6.小风扇

7.冷端散热器 8.小冰箱箱壁 9.长螺钉 10.木条 11.水冷头出水口

导热膏是一种膏状物，没有粘性，但是可以充分填充制冷器与散热器之间的空隙，既能减小辐射温差，又能减小因接触空隙而引起的温差。因为半导体制冷器冷、热端面通电工作时和散热器接触面会形成的接触热阻，从而产生不利的寄生温差，并且冷、热端的工作温差也会随着两端寄生温差的增大而增大，导致半导体制冷器工作效率降低，甚至可能影响半导体制冷器的正常工作。所以在接触面均匀的涂抹导热膏可以有效的提高热传导效率。

将小冰箱后侧壁的开口面积扩大为SO mm X SO mm，即可将此制冷装置从小冰箱的内部插进去，并且将冷端散热器完全露在外面，可以减少冷量传递损失，提高传递效率。将长、短两根木条卡在水冷头的后侧，并在其中长木条上插入两个长螺钉，固定住制冷装置。为避免制冷装置的冷端散热器和热端水冷头形成热流通，造成热量从热端向冷端大量传递，使用尼龙材质的轴套将长螺钉包裹住。并在水冷头和散热器之间填充隔热材料—泡沫塑料，沿着泡沫塑料开一条小缝隙，将冷端小风扇的电源连接线和需要伸进箱内的温度测试探头线卡装在这个小缝隙中，并将整个制冷装置卡装在小冰箱后壁开口处，然后将能看到的缝隙用泡沫塑料填满，最后用塑料胶棒枪将开口的外侧和内侧的缝隙密封，因为塑料胶密封性好、导热性能差，可以有效避免制冷装置热端热量通过缝隙流入冷端以及冷端冷量的流出，降低冷、热损失，有效提高小冰箱的制冷效率。

因此制冷装置很容易扩展，为了更直观的观察测试制冷效果，可以增加一片半导体制冷器，因为冷端散热器面积足够大，可以直接将箱体后侧开口扩大，增加一块制冷片，使其冷端贴在冷端散热器的端面上，热端增加一个同样大小的水冷头，按照同样的方法固定，即可组成一台双片半导体制冷器小冰箱。

5 半导体制冷片的选型

为了选择最优的半导体制冷片，分别对 TEC1 - 12705 、TEC1 - 12706 、TEC1 - 12708 及TEC1 - 127010 等进行了对比试验，通过直流 12 V电压，测试值了片冷端温度、热端温度及系统的电流随时间的变化情况，根据测试数据，形成图4所示制冷片降温速率对比图。

图4 制冷片降温速率对比图

由对比图可以看出，选择 TEC1 - 12705 型号的制冷片更可获得最佳的效果，同时由于电流小，又能降低系统功耗，减轻电源负荷。

6 半导体水冷小冰箱储温试验

半导体水冷小冰箱组装完成后，可通过调节循环水泵的流量，进行半导体小冰箱储藏温度试验测试。当循环水泵的流量调节到较大，半导体制冷片达到冷端温度趋近最低，即小冰箱达到箱内温度达到最低值。试验时，制冷片选用TEC1 - 12705，工作参数：12 V直流电压，电流3.97 A ，测试所得制冷片冷端温度与小冰箱内温度变化趋势如下图5所示。

图5 制冷片冷端温度及小冰箱内温度变化趋势图

由图中数据分析可知，制冷片冷端温度从原21 ℃左右降低到- 12 ℃左右，同时小冰箱内温度可从21 ℃左右降低到- 6 ℃左右。由此可知，通过水流量调整，该小冰箱所能达到的温度范围为21 ～ - 6 ℃。

7 结束语

本文针对半导体小冰箱进行的初步设计，半导体制冷片在最佳的工作条件下，选用最优的散热方式，设计半导体冰箱。当该冰箱在最佳的工作条件下工作时，既能实现系统制冷量最大化，又能使功耗达到最小化，从而达到降低成本、节约能源、综合收益最大化的目的。

半导体小冰箱的散热方式采用水冷散热方式，增强了冰箱的散热效果，提高了冰箱的制冷能力，扩大了半导体小冰箱的温度范围。

而且半导体小冰箱使用12 V直流电源供电，无需使用电流转换设备，制冷性能的提高，将更能发挥其迷你小巧易于携带的优势。如果能将太阳能供电结合起来，更能为自驾户外旅游、偏远缺电及少电地区提供方便。

参考文献

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[3]吴霞，王坤茜，徐人平.产品设计中如何运用事理——以mini冰箱设计为例[J].桂林电子科技大学学报，2008(05):428-432.

第一作者简介：

夏西厅，男，1972 年06 月生，毕业于安徽工学院制冷与低温技术专业，现任长虹美菱股份有限公司冰箱开发所所长，主要从事冰箱产品研发工作。

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