基于半导体技术的可折叠便携半导体冰箱

引言

全球户外活动增长推动露营经济，中国露营市场规模五年增长超 300% ，迷你冰箱销量年均增长 25% 。传统车载冰箱存在携带不便等问题，半导体技术发展推动无压缩机的半导体制冷技术研究。研发可折叠便携式半导体冰箱，优化热交换系统和采用新材料，满足市场需求，推动绿色制冷技术。产品满足多场景需求，推动半导体制冷技术应用升级。此冰箱无压缩机、无制冷剂，节能环保，推动绿色消费与低碳生活。

1 可折叠便携半导体冰箱的组成

可折叠便携半导体冰箱产品通常由以下零件组成

1.1 半导体制冷片

半导体制冷片是折叠冰箱的核心原件，利用半导体材料特性传导热量。它通常由多层交替的 P 型和 N 型半导体材料组成 PN 结，当电流通过 PN 结时，因热电效应，冷片两面产生温差，一面吸热、另一面放热。

1.2 三核制冷系统

三核制冷系统采用三个 tec-12706 半导体制冷片，制冷片制冷面将温度传至65*45mm 铝散热片，再借助 4010 风扇风冷实现冰箱内部制冷；同时，用隔热棉分割冷热面，防止散热面影响制冷效果；此外，通过 9025 风扇对 95^*300mm 铝散热片进行风冷散热[5]。

1.3 折叠箱体

折叠箱体是冰箱核心结构部件之一，不使用时可折叠以节省空间。箱体采用EPP 保温塑料，相比普通塑料，有一定结构强度和良好保冷效果，且折叠效果好[4]。

1.4PID 调节器控制

我们发现三核制冷系统持续运行下制冷效果并不是很好，所以我们采用 PID调节器控制来达到使制冷面每十分钟停止两分钟，同时散热面持续散热来达到更好的制冷效果。

2 可折叠便携半导体冰箱的核心技术

便携半导体冰箱因低噪音、小体积在车载、医用等领域需求广泛，但能效低、成本高限制其普及。研究核心技术、提升性能、优化成本对拓展应用场景意义重大。制冷技术基于帕尔贴效应，直流电流通过 P 型和 N 型半导体材料构成的闭合回路时，节点吸热或放热，实现电能与热能转换。半导体温差电堆是制冷系统核心部件，由多个 PN 结电偶对构成，常用碲化铋及其合金为材料，电偶对数量和排列影响制冷量与系统效率，优化设计能提升温差电堆性能，确保系统高效运行。

散热设计影响制冷性能。高导热金属片和强制风冷系统可提升散热效率。高功率下，液冷或相变技术确保系统稳定运行[3]。隔热设计提升制冷效率。使用低导热材料和密封门封条保持低温，降低热量流失。这些技术延长设备寿命，确保可靠制冷。

智能控制系统对制冷性能关键。利用传感器和 PID 算法精确控温至 ±1^cC 。系统具备节能模式，降低能耗，延长设备寿命。智能化方法提升效能，提供高效使用体验[6]。

3 可折叠便携半导体冰箱的理论依据

3.1 半导体技术

3.1.1 半导体制冷技术

制冷和制热现象由P 型和N 型半导体通电后载流子能级变化引起。P 型半导体空穴浓度高，N 型半导体自由电子浓度高。载流子能级变化依赖能带理论，固体中形成能带，包括导带、禁带和价带。P 型半导体处于较低能级，N 型半导体处于较高能级。电流流向导致能级变化，形成制冷或制热现象。TEC 制冷性能与材料性能、环境温度等参数相关。嵌入式控制技术使利用 MCU 实现恒温控制系统成为可能，发挥TEC 优势，方便用户使用 [2]。

3.1.2 制冷现象

半导体制冷通过热电偶实现，一个热电偶由一对 P 型、N 型半导体构成，多个热电偶组成半导体制冷器，如内部有两对热电偶、外部用陶瓷保护封装的热电模块。当金属片 A1 接直流电源正极、A3 接负极时，金属片 B1、B2 吸收热量制冷形成冷端，A2 放热制热形成热端；若电源反接，即 A1 接负极、A3 接正极，B1、B2 制热，A2 制冷，热端与冷端颠倒。

3.2 半导体材料的热电性能理论

3.2.1 塞贝克系数（Seebeck Coefficien

赛贝克效应指导体在温差下产生电压，是热电材料研究的关键。温度梯度导致导体中电势差，形成温差电动势。金属的 Seebeck 效应涉及电子扩散和自由程变化，产生正负效应系数。

S_A⊆S_B 分别为两种材料的塞贝克系数。如果 S_A⊆S_B 不随温度的变化而变化，上式即可表示成如下形式：

V=(S_B-S_A)(T₂-T₁)

赛贝克排列35 种金属，电流从序列前金属流向后金属。

3.2.2 电导率和热导率

电导率反映材料传导电流能力，半导体电导率适中，可通过工艺调节。热导率表示材料传导热量能力，低热导率材料减少热传导损失，提高制冷效率。例如，碲化铋是常用低热导率材料。这些理论依据支撑半导体冰箱的核心技术。

4 可折叠便携半导体冰箱的实验数据及相关参数

4.1 可折叠便携半导体冰箱的实验数据

4.1.1 正常实验数据

为确保产品性能，我们开展正常使用条件下的实验，结果如下：

选用一台27L可折叠便携半导体冰箱样机，在室温28℃环境中测试制冷效果。实验显示，箱体八分钟内从28℃降至 4^∘C ，随后每分钟降1℃，降至 0% 后稳定维持。与小型传统冰箱相比，该产品制冷更快，且功率低、无污染气体。

4.1.2 极限实验数据

为了解产品极限，我们对其进行极限测试。实验选用一台 27L 可折叠便携半导体冰箱样机，在室温28℃环境中测试。结果显示，半导体经10 天连续制冷，导致散热系统无法正常散热，箱体温度升至 0% 以上，保持在 8℃左右。后续将对其升级改进。

4.2 可折叠半导体冰箱的相关参数以下是关于可折叠便携半导体冰箱的相关参数：

5 结语

便携半导体冰箱通过热电效应制冷，结构简单，低噪音，无有害制冷剂。优化后，部分产品能稳定在 0-4℃。设计注重便携性，适用于特定场景。目前存在制冷效率低、能耗高、成本高的问题。未来，技术进步有望提升效率，降低成本。新材料和 AI 技术将改善控温，集成生物传感技术监测食物新鲜度。应用场景将拓展，与光伏技术结合可增强户外适应性。

参考文献

[1] 刘兴龙 , 马雪峰 . 半导体制冷技术及应用路径研究 [J]. 信息记录材料 ,2021(04):131- 132.

[2] 胡国喜 . 半导体制冷技术及应用路径研究 [J]. 电子制作，2020(09):74- 75.

[3] 黄磊 . 超大功率电气设备测试环境温控系统设计与优化 [J]. 日用电器 ,2025(05):101- 108.

[4] 王娆，付友波，赵树军 . 浅谈国内复合材料设计制造一体化技术 [J]. 科学技术创新 ,2020(05):134- 135.

[5] 徐希爱，宋明刚，张晶 . 大型制冷系统自动控制及节能探讨 [J]. 当代化工研究 ,2021(11):174- 175.

[6] 黄楷，吕炳均，范海洲 . 智能控制在温度控制领域中的应用研究 [J]. 数字技术与应用，2020(02):65- 66+68.

[7] 杨庆生，彭迪云，张锐 . 一种智能化的温湿度智能控制系统 [J]. 港口科技 ,2024(10):31- 32+36 .