无人外卖配送机的电源供给及其保温研究

孟祥冬 王志芳 宋佳钫 / 天津工业大学机械工程学院

无人外卖配送机的电源供给及其保温研究

孟祥冬 王志芳 宋佳钫 / 天津工业大学机械工程学院

随着无人物流服务的发展，无人外卖配送机将会是未来物流发展的新趋势。本文主要阐述无人外卖配送机在电源供给和保温两方面的创新设计。我们通过对无人外卖配送机的保温装置的改进设计，改变原有的简单保温的模式加冷链运输。我们还对无人外卖配送机设计了新型供电方法，克服了无人配送机受电源容量限制无法进行较长时间和中长距离的运输的缺点。我们所进行的创新设计为无人外卖配送机的物流配送的进一步应用提供了有益的参考。

半导体制冷；无线传能；散热器；保温

当前外卖配送系统存在的问题是外卖在无人配送机配送的过程中，主要关注如何高效率将食品传送到顾客手中，食品一般仅用保温材料简单包裹，因而食物品质在配送的过程中会有所降低，尤其对于冷食，外卖的品质对客户感受影响极大；另一方面，无人配送机受电源容量的限制，无法进行长距离、长时间的配送。为解决这些问题，我们对外卖配送机的保温和供电系统进行了改进设计，希望能提高我国的外卖配送机的服务。

1.无人外卖配送机保温的设计

为了实现无人外卖配送机多个恒温箱多个温度要求的设计需求，笔者根据半导体制冷的工作原理，选取了以半导体制冷芯片为关键制冷部件和陶瓷电加热器为制热部件的多恒温箱设计方案。该方案的设计原理图如图1所示。从图1可以看出，该半导体恒温箱在组成结构上主要分为三大部分，分别是:陶瓷电加热与控制和半导体制冷。无人外卖配送机分有多个保温箱，而每个保温箱内所放的外卖所需要保持的温度也不一样。为了能使每个保温箱温度不一样，我们将设置多个温度区域，分别进行降温、保温、加热。

1.1 半导体制冷的控制原理

目前，针对半导体制冷芯片的工作原理，从18世纪开始，就有物理学家陆续开展了深入的研究，时至今日，己经累计形成了五种不同的热电效应来实现半导体制冷原理，分别是:塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆逊效应，傅里叶效应，焦耳效应[1]。半导体制冷的工作原理是利用电流在不同材质所组成的电路回路中流动时，会在两种不同材质的交界处产生温度差的工作效应。利用这一现象，可以通过对不同材质所组成的电路回路施加特定大小和特定方向的电流，从而使得两种材质之间达到预期所要的温度差。由于在两种材质的交界处会形成温度差，因此可以将温度较低的一端通过吸热器与需要降温的目标系统进行连接，从而将需要降温的目标系统中的热量吸收至不同材质所组成的制冷装置中，同时将两种不同材质的半导体所组成的制冷装置。温度高的一端通过散热器将热量传递出去，最终将目标系统的温度降到预先设定的度数。从半导体芯片的制冷工作原理来分析可以发现，半导体芯片的工作原理实际上是利用了电流在不同材质所组成的电路回路中流动而产生的温度差的效应，而且在一个半导体制冷芯片中，从能量传递的角度来分析，其更像是一个能量传导装置.因为在半导体制冷芯片中，一端会产生较低的温度，而另外一端则会产生较高的温度，整个半导体制冷芯片能量是守恒的。因此在实际应用过程中，为了能够将半导体制冷芯片用于实际的温度控制，往往是使用半导体制冷芯片一端的功能。如使用半导体制冷芯片的制冷或制热功能，而对半导体制冷芯片的另外一端则作为能量吸收或释放的一端，将目标系统中需要转移的能量转移出去会进一步提高外卖保温箱的效率。

1.2 多温度保温箱的详细设计

无人外卖配送机箱体内分为两个部分冷端保温箱和热端保温箱，箱体保温内胆为真空保温板，冷端和热端由真空保温板分隔。冷端保温箱内分有制冷区和冷恒温区，制冷区是有pvc板包裹，其余为冷恒温区。半导体制冷片冷端面在制冷区，制冷区为开口，部分冷量流到恒温区。热端分为加热区和热恒温区，热恒温区和加热区之间夹着塑料管，热端热源为陶瓷电加热器，热源在加热区，（如图2）热量先流入加热区进而进入热恒温区。当整个保温箱全部需要热加温和热恒温的时候，可以通过控制系统变换电流，使半导体制冷片冷端变成热端，冷端保温箱变成为了热恒温箱。半导体制冷芯片在工作过程中，与外界连接了一个散热器或者热量吸收器，从而保证半导体制冷芯片能够向恒温箱提供双向的制冷或制热的功能。由于半导体制冷片热端产热效率较低，于是采用热端为更高效率、更高寿命的陶瓷电加热器。

图2 保温箱内部保温结构示意样图

1.3 半导体散热的设计

散热器是整个恒温箱设计过程中的一个关键模块，散热器性能的好坏直接影响着半导体制冷芯片的工作性能，进而对恒温箱的温度控制效果产生决定性的影响。因此散热器的选型必须与半导体的制冷功率相匹配，确保半导体工作过程中所需要传递的功率和热量能够通过散热器进行传递.散热器根据其散热的原理，可以分为：利用空气的散热器、利用液体的散热器以及散热管等不同类型。散热器在选型的时候，主要根据制冷芯片的实际工作功率来进行确定。由于所设计的恒温箱在正常工作过程中，半导体制冷片热端的散热量对半导体制冷效率影响极大，本设计采用基于散热片的散热器，完全能够满足实际的应用需求。而且在实际设计时，可以将散热片选择翅片式的散热片，同时扩大散热片，使散热片覆盖车体顶部的一半，只有紧邻半导体热端的部分需要风扇，并在车体前部设有温度传感器，温度传感器用于检测环境温度，车体gps检测车速，发送信号给处理中心，处理中心计算出散热量和此时的最大安全电流（半导体制冷片产生同样热量所需要的电流，此电流为额外散热电流），进而调节电流调节器，使车体蓄电池输出到半导体制冷片的电流小于额外散热电流和正常使用电流的总和[2][3]。风扇在选型时，需要根据散热量的大小选取 合适的风扇排风流量。

2.无人外卖机的电源设计

2.1 无线传能的原理

无线传能的基本原理是，两个分开的具有相同谐振频率的线圈形成基于高频磁场的谐振藕合系统并进行高效率能量交换，而处在不同谐振频率的物体只有微弱的祸合效应。

2.2 无人外卖配送机的电源装置的设计

无人小车装置包括万向轮、控制单元、无线传能接收装置,所述万向轮位于箱体下部外侧,所述万向轮上设置有直流电机,直流电机的电机轴与万向轮转轴连接,直流电机与控制单元连接。其中一个万向轮的轮子外侧为导电材质与地面接触。所述无线传能接收装置包括负载谐振回路，所述负载谐振回路输出端连接控制单元，负载谐振回路输出端引出一根导线与含导电材质的轮子外侧接触。所述无线电源包括高频交流电压和原级谐振回路。进一步的,在移动的过程中，我们会在运送范围内每隔一段距离安装一个无线电源对小车进行中短距离的供能，以实现无人配送机的长时间和较长距离的运输。同时无线电源可以给具有无线接收的装置进行供能。

[1]毛佳妮，申丽梅，李爱博，等.半导体制冷器制冷性能的综合影响因素探讨及其优化设计分析［J］.流体机械，2010，38（7）：68－72.

[2]王志芳，宋佳钫，等.一种车载辅助降温的绿色半导系统.专利申请号：201710843891.0.

[3]王志芳，孟祥东等.一种车载动态散热的车载辅助降温的绿色半导系统.专利申请号：2017092701884430.