半导体便携式制冷空调设计开发

闫美玉　徐荣吉　许淑惠

(北京建筑大学北京市建筑能源综合高效综合利用工程技术研究中心，北京　100044)

1　概述

随着时代发展，制冷空调市场分类越来越精细化，特种空调需求也越来越多。传统空调以房间空气的温度、湿度为主要调节对象，特别考虑整个房间温度的均匀性。在现代化办公条件下，空间应用越来越灵活，而空调不能根据空间而变，会造成能源的浪费。另一方面，特殊工作场所对局部空间降温的需求也越来越强烈。以人的周围环境为主要调节对象的便携式空调能满足各种局部空调的要求，增加了空调的灵活性，同时一定情况下会节约大量能源。

而半导体制冷技术由于其结构紧凑、制冷迅速、操作简单、可靠性强、可对温度精确控制等优点被利用在各个行业，尤其在制冷量不大且要求装置小型化的场合，其优势更加明显。本文基于半导体制冷技术[1]，提出并设计一种便携式空调，加工样机后进行了测试研究，为便携式空调设计开发提供参考。

2　整体结构设计

2.1　基本思路

便携式空调器区别于风扇，能提供冷风，又区别于常规空调，体积很小更灵活，甚至能随身携带。利用半导体制冷技术，可以实现制冷装置的小型化。半导体制冷装置目前主要的技术难点是性能系数较低，热端发热量较大[2]。由于桌面空调直吹人体，一般要求送风温度不会太低，且送风量相对较小，正好与半导体芯片制冷功率较小相结合，满足空气降温的需要。

设计的基本思路是，将空气通过半导体制冷芯片降温后吹送到人体，热端空气被加热后吹入室内。其核心部件包括：半导体制冷芯片、风机、冷热端散热器，如图1所示。

2.2　小型空调基本形式

除了制冷区域的核心部件外，还需要有合适的气流组织与送风方式以及电路控制系统。所设计的小型空调尺寸高度为26 cm，机身为7.5 cm。其中，气流组织部分主要是通过机壳与内部风路相结合完成的。如图2所示为整个半导体小型空调基本结构示意图。除了核心部件外，整个机壳从下到上分为底座、中部壳体、上挡风板、上部风口、顶盖(如图3所示)。

整个风路由下往上流动。经过底部挡风板的时候，空气被一分为二，一部分经过冷端翅片后降温，通过冷风出口吹到人体；另一部分经过热端翅片后升温，通过热风的侧出口进入环境。小型空调的侧剖视图如图4所示。

小型空调的电控也非常重要[3]。半导体芯片的工作电流很高，而且工作电压为直流12 V，需要220 V交流电转换，此外，风扇需要直流或交流供电。如果需要，还可以设计摆头。其中，电路部分集中在空调底座内部，充分利用空间。如果考虑移动，空调应该集中蓄电池。蓄电池也放在底座，降低空调重心。

3　空气降温计算

一台小型空调能达到多低的送风温度，是空调设计的核心参数。其中相关参数如下：

空气相关参数：比热为c=1.004 kJ/(kg·K)，空气密度为ρ=1.29 kg/m3。半导体芯片参数：半导体制冷量Φ=40 W，尺寸40 mm×40 mm×4 mm。风机参数：风机风量V=28CFM=28×1.7=47.6 m3/h，噪声25 dB(A)。

假设风机风量一半通过热端，一半通过冷端，即通过冷端的风量为V/2。由能量守恒可得[4]：

半导体制冷量Φ=空气比热c×空气质量流量m×空气降低温度Δt。

其中，空气质量流量m=空气密度ρ×风机流量V/2。

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

可得到空气降温达到4.5 ℃左右。如果室内温度为30 ℃，吹风温度为25.5 ℃，属于凉风范围，基本满足要求。如果采用更高性能的半导体芯片，温度降低程度会更高。

4　主要部件选型

4.1　半导体芯片

半导体芯片是便携式空调的核心部件，其性能直接决定了空调的性能。经过对比测试，选用南京豪特酷源电子科技有限公司生产的半导体芯片(TEC1-12704T125)，具体参数如表1所示。根据制冷量的需求，可以选择其他型号芯片，可以达到更好的制冷效果。

表1　半导体芯片参数

4.2　风机

经过对比综合考虑风量对换热系数的影响及实际需要，以及噪声及尺寸，选用富士康生产的PV903212DSPF风机。具体参数如下：

型号：PV903212DSPF；

尺寸：80 mm×80 mm×25 mm；

转速：1 000 rad/min～4 500 rad/min；

电压：12 V；

轴承：滚珠轴承；

噪声：15 dB～40 dB；

电流：0.40 A。

5　测试结果

将加工的样机分别放置于25 ℃和30 ℃无空调房间进行了送风降温测试和体感测试。

在两种环境温度下，中等风量时，入风与送风稳定达到5 ℃温差，即30 ℃环境温度时，送风温度达到25 ℃；25 ℃环境温度时，送风温度达到20 ℃。进一步减少风量后，送风温度可以进一步降低，到无风时，冷端换热器会有明显的结霜。

同时对体感进行了测试，在两种工况下，在离开送风口不同距离时，样机冷风出口吹拂人手部和面部，测试人体舒适度感觉。在送风口5 cm时，吹拂面部和手部，均能感觉到非常明显的凉风。当距离达到25 cm时，风量明显变小，能感觉到凉风，超过35 cm仅仅能感觉到微风。对比发现吹拂面部，人的舒适度更高，可以感觉到明显的凉风。半导体制冷适用于近距离局部空调。当然可以根据需要设计远距离送风。

6　结语

本文利用半导体制冷技术，设计并加工了一种便携式空调。详细介绍设计方案和设备选型并进行了测试。结果表明在不同室温下半导体空调均能保证入风和送风5 ℃的温差；体感测试时，在不同距离下手部和面部均能感觉到凉风且风量随着距离增加而减小，两者相比面部舒适度更高。便携式半导体空调可以满足近距离局部空间制冷的需求，但对于远距离、空间较大的区域，应根据半导体制冷片的结构和环境需要的降温要求，对半导体芯片重新选型并对其他装置进行优化设计。

参考文献：

[1]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海：上海交通大学出版社，1999：24-33.

[2]王怀光，吴定海，陈彦龙，等.半导体制冷技术研究综述[J].四川兵工学报，2012，33(11)：133-134.

[3]吴业正.制冷原理及设备「M].西安:西安交通大学出版社，1997:21-25.

[4]杨世铭,陶文铨.传热学[M].第4版.北京：高等教育出版社,2006：32-45.