CN101267014A - 一种集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对温差半导体冷热两个端面同时进行液体循环热传导，并且既可制冷制热，又可用于温差发电的多功能模块。它由至少两个内部带有蛇形水槽的导热盒、温差半导体组件、隔热层、固定板、管道及接头、盘管散热器、水泵等构成。该装置可取代压缩机直接安装在现有的冰箱和空调中。且该装置制造结构简单、安装简易、全机械固定、体积小、重量轻、成本低、通用性强、使用价值高，有利于产业化。

Description

一种集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块

一、技术领域

本发明是一种基于双液体循环导热的温差半导体集制热制冷及温差发电等功能于一体的模块，涉及半导体制冷制热及温差发电领域。

二、背景技术

温差半导体是一种利用半导体材料的Petier效应和Seebeck效应，通过对P.N型半导体材料两端通直流电来吸热放热或者在P.N型半导体材料两端提供温差来发电的技术而制成的一种半导体器件。该半导体器件由于有重量轻、体积小、无噪声、无污染以及启动快，能精确控温和利用各种热源来发电等特点而被广泛的应用于各个领域。

目前温差半导体采用的导热技术主要是空气导热和液体循环导热两种。空气导热是通过在温差半导体的制热面安装庞大的采用紫铜、铝等导热较好的材料制成的各种散热器和风扇通过散热器和空气接触的方法来导热，这种方法体积大，质量大，导热效果差，成本高。另外现有温差半导体的液体循环导热装置主要是在温差半导体制热面安装一个内部有循环液体容器热传导器，通过热传导器的壁和内部的液体循环来传热，这种方法只是对温差半导体的单个工作面进行液体循环热传导，导致了对需要利用的冷能或热能传递效果差。制冷或制热时，冷量或热量无法有效的传导到欲控温物体。而且这种方法对于欲冷却或加热的物体有着形状和体积上的约束。

现有的温差半导体液体循环设计都没有考虑到装置的耐压能力。无法承受大功率液泵产生的巨大液压。更无法在潜水设备、海底设备等高压环境下安全运行。

另外目前市面上的温差半导体的应用产品功能单一，旧有的半导体制冷制热设备，只能用来制冷或制热，其结构无法再应用于温差发电装置中，而用于温差发电的设计又无法应用于制冷制热，当调换功能进行使用时，就不可运行或者效率不彰。

现有的温差发电装置可用的能源形式单一，通常只是针对某一形式的热源而设计，当更换热源形式时，就不可运行或效率不彰。

现有的温差半导体应用装置的安装设计是采用粘贴法、机械固定法、焊接固定法。其中粘贴法和焊接法属于一次性安装，无法拆卸与维修，再加上整个导热装置的受力都集中在脆弱的制冷片上，导致整套装置的强度很低，温差半导体元件很容易受到外力的作用而损坏。其中焊接法的制作工艺和成本都很高，良品率低，不合适大规模生产。而现有的机械固定法大都直接使用金属螺丝固定，温差半导体会因为螺丝的导热性而造成热短路，使得系统效率大大下降，而且安装的固定力度不易调节，制冷片很可能因为螺丝拧的过紧而被压碎。总的来说现有各种固定方式的可靠性都很不理想。

三、发明内容

根据上述情况，本发明提供一种基于温差半导体的高效的即可制冷制热，又可用于温差发电的多功能模块。该模块制造结构简单、安装简易、全机械固定、体积小、重量轻、成本低、通用性强。在制冷制热的工况下，对欲冷却或加热的物体没有形状或体积上的约束，控温灵活准确。在用于温差发电的工况下，热源的形式无限制，可以直接或间接的利用太阳能、地热能、燃烧能、废热等热源。该装置使用价值高，有利于产业化。

为达到上述目的，本发明提供了一种对温差半导体冷热两个端面同时进行液体循环热传导的装置，该设计能使所使用的半导体热电偶的制冷或温差发电能力接近于其理论值。

上述多功能模块由至少一个温差半导体组件，和至少两个导热盒、固定板、隔热层、液体循环动力系统及热交换装置组成。

所述导热盒，包括一开口腔室、一进水口和出水口、一密封盖、一密封圈、若干螺丝及匹配的螺母。

所述出水口进水口有内螺纹。用于安装各种规格的水管接头，所述密封盖固连在腔室的开口面上，正好使腔室关闭。

所述密封盖上有一法兰，用于放置密封圈，该法兰上有若干个与导热盒对应的固定螺孔。

所述开口腔室周围有一法兰，该法兰与开口腔室连为一体，有较高的刚性。法兰上有若干通孔与盲孔。通孔用于安装密封固定螺丝，盲孔用于安装固定侧板。

上述导热盒开口腔室内有一蛇形水槽，槽内有若干分流翅片，进水口与出水口是通过蛇形水槽连通的。

上述导热盒管道的底部具有一定的粗糙度，其作用在于增大底部的表面积和水流在底部的湍流，减小层流底层的厚度，使得导热液能与导热盒的底部充分的接触。有效地增强了导热盒管道的导热能力。

上述导热盒的金属底面与温差半导体组件的冷端或热端平行接触，该金属平滑面与温差半导体冷热端间均附有一层介质，该介质可为导热硅脂或其他高导热率的胶状物。其作用在于增强导热盒与温差半导体的接触效果，减小因接触不良引起的有害温差。

上述导热盒与密封盖的金属部分为铝或铜。

上述密封盖与腔室开口面上的连接处有密封垫圈。

上述液体循环动力系统包括水泵、管道、蓄液罐。

上述热交换器可以是盘管式散热器或其他高效散热器，该换热器上还有一风机。

上述循环动力系统连通导热盒与热交换器，形成一封闭循环系统。

上述导热液可以是水-乙二醇混合液，离子液体、蒸馏水或其他在室温下呈液态并具有较宽液态温度范围的介质。

上述隔热层可以是聚氨酯泡沫板或岩棉板等低导热率材料。

上述固定板为硬质低导热率材料，用于两导热盒与温差半导体组件间的机械固定。

四、附图说明

图1是本发明第一较佳实例的立体拆装示意图。

图2为本发明第一较佳实例的剖视图。

图3为本发明第二较佳实施例的剖视图。

图4为本发明第三较佳实施例的剖视图。

图5为导热盒开口腔俯视图。

图6为本发明第四较佳实施例的剖视图。

图7为一带有蛇形浅槽和分流翅片的密封盖的立体图。

图8为温差半导体制冷制热的工作示意图。

图9为本发明一温差发电实施例示意图。

图中：1.导热盒  2.导热盒  3.温差半导体组件  4.密封圈  5.密封盖  6.密封螺丝  7.固定板  8.隔热层  9.螺母  10.水管接头  11.水管接口  12.水管接头  13.水管接头  14.隔热层  15.螺丝  16.分流翅片  17.蓄液罐  18.水泵  19.水泵  20.保温库  21.电磁阀  22.电磁阀  23.盘管式散热器  24.风机  25.导热盒  26.导热盒  27.太阳能集热器  28.保温蓄液罐29.通孔  30.散热翅片  31.蛇形浅槽  32.冷端导热盒  33.热端导热盒  34.双面导热盒  35.直流稳压器  36.蓄电池  37.逆变器  38.盲孔  39.槽口

五、具体实施方式

图1、2、5是本发明第一较佳实施例，图1为立体装卸图，图2为模块的剖视图，图5为导热盒<1>、<2>的开口腔俯视图。该实施例中具有两个导热盒<1>、<2>、温差半导体组件<3>、隔热层<8>、<14>，固定板<7>，其中：

由图1、图5可看出导热盒<1>、<2>内部有一蛇形水槽，槽内有若干分流翅片<16>，蛇形水槽及分流翅片<16>的设计使得导热盒开口腔内具有较大的表面积，加强了与导热液的热交换能力。

另外水槽底部加工成具有一定粗糙度的底面，其作用在于增大底部的表面积和导热液在水槽底部的湍流程度，减小层流底层的厚度，使得导热液能与导热盒<1>、<2>的水槽底部充分的接触，有效地增强了导热盒<1>、<2>的导热能力。

导热盒<1>、<2>上均设有一个进水口与一个出水口，该进水口与出水口是通过蛇形水槽连通的。进水口和出水口都安装有水管接头。当导热盒<1>中的导热液由水管接头<10>进，从水管接口<11>出时，导热盒<2>中的导热液由水管接头<12>进，从水管接头<13>出，这使得温差半导体各部位冷热端的温差均匀。

导热盒<1>由密封盖<5>、密封圈<4>、密封螺丝<6>、和水管接头<10>、<11>组成。导热盒<1>不与温差半导体组件<3>接触的表面可以喷涂隔热涂层，这是减少导热盒<1>与导热盒<2>进行热量交换的重要措施之一。

隔热层<14>用于隔绝导热盒<1>与导热盒<2>之间的有害热传递，是提高温差半导体组件<3>效率的又一措施；当温差半导体组件<3>用于制冷或制热时，可选用聚氨酯泡沫进行隔热，用于温差发电时则需根据不同热源温度选用不同耐温隔热材料，如岩棉泡沫隔热板。隔热层<14>外部可根据隔热需要再包裹一层隔热材料，以增强模块的整体隔热效果。

固定板<7>，采用硬质低导热率材料制成，如塑料或其他硬质耐温隔热材料。该板上有至少两个槽口<39>，该槽口<39>用于固定温差半导体组件<3>冷热端的导热盒<1>、<2>。槽口<39>的设计可以用于调节两个导热盒<1><2>的安装间距，以适应不同规格的温差半导体元件，或多片温差半导体的多级堆叠，以进行多级制冷或多级温差发电，从而达到增大冷热端温差或温差发电的效率。

上述固定板<7>与导热盒<1>导热盒<2>之间隔了一层隔热层<14>，固定板<7>是不与导热盒<1>、<2>直接接触的。这样能有效地阻止温差半导体组件<3>冷热端的有害热传递，从而大大的提高温差半导体组件<3>的利用率。螺丝<15>穿过安装固定板<7>上的槽口<39>及隔热层<14>，旋入导热盒<1>、<2>上的盲孔<38>使得固定板<7>固定住导热盒<1>、<2>，安装固定板<7>时需给导热盒<1>、<2>一定的相互挤压力，使得导热盒<1>、<2>夹紧温差半导体组件<3>。在导热盒<1>、<2>与温差半导体组件<3>的接触面间涂有一层导热硅脂或其他高导热率的胶状物。使得导热盒<1>、<2>与温差半导体组件<3>之间能有效的贴合。

密封盖<5>与导热盒<1>的开口腔周围均有一法兰，用于放置密封圈<4>，所述法兰和密封圈<4>上有若干个与导热盒对应的通孔<29>。密封螺丝<6>穿过密封盖<5>、密封圈<4>与导热盒<1>上的通孔<29>后，与螺母<9>旋合，使得导热盒<1>开口腔封闭。当导热盒<1>的通孔<29>设有内螺纹时，螺母<9>可不使用。通孔<29>的数量及间距可根据所需密封耐压性能而决定。上述密封盖<5>的底部正好和导热盒<1>的开口腔室吻合安置，使得导热盒<1>内的导热液体能沿蛇形管道流动，而不至于在导热盒<1>开口腔与密封盖<5>底部的间隙相互窜流。

上述实施例中，导热盒<1>、<2>的结构完全对称。

上述温差半导体组件<3>可以多个串联或并联使用，以增大使用功率和规模。

图3为本发明第二较佳实施例的剖视图，该实例的密封盖<5>上有散热翅片，密封盖<5>底部有与导热盒<1>、<2>的开口腔相对称的蛇形浅槽<31>。该蛇形浅槽<31>作用在于增强密封盖<5>底部与导热液的热交换能力。散热翅片<30>上安装有风机<24>。散热翅片<30>的作用在于当循环水泵工作异常或连接在其循环管道上的散热器无法满足散热需要时，开启翅片上的风机<24>对温差半导体组件<3>进行紧急散热，该散热翅片<48>也可作为系统超负荷运行时的辅助散热装置。上述设计有效的保证了系统整体的可靠性。

图4为本发明第三较佳实施例的剖视图，由图4可看出该设计中温差半导体组件及导热盒的数量较第一实施例增加了一倍。导热盒<25>、<26>的开口都使用同一密封盖<5>进行密封，该密封盖<5>的两面可以设有蛇形浅槽<31>，以使得导热盒<25>、<26>各部位的温度均匀。这种多层堆叠设计使得模块更紧凑，节约空间，增大导热效率。具体工作方法与实施例1基本一致，在此不作详细描述。

图6为本发明第四较佳实施例的剖视图。图6中的多层堆叠模块使用了5个导热盒，其中间三个双面导热盒<34>的两个端面都可同时与温差半导体组件<3>进行热交换。所述双面导热盒<34>特征在于，密封盖<5>底部设有如图7所示的蛇形浅槽<31>，且蛇形浅槽<31>内还设有分流翅片<16>，这使得密封盖<5>能有效的与双面导热盒<34>中的导热液进行热交换，从而使得密封盖<5>的顶部也能与温差半导体组件<3>进行热交换。当该模块处于制热或温差发电工况时，图6中热端导热盒<33>与温差半导体组件<3>的热端进行热交换，冷端导热盒<32>与温差半导体组件<3>进行热交换。制冷工况时热端导热盒<33>与冷端导热盒<32>的上述导热导冷功能进行调换。上述模块中，冷热端的导热液可以串联或并联的方式通过图6中的冷端导热盒<32>与热端导热盒<33>。

上述实施例中的双面导热盒<34>可以偶数个增减，以使得单个多层堆叠模块可以适应不同的制冷制热量或温差发电量的需求。

图8为温差半导体制冷制热的循环结构图，其中导热盒<1>的进水口和出水口连接循环散热管道，该管道上连有水泵<19>、蓄液罐<17>、盘管式散热器<23>及安装在盘管式散热器<23>上的散热风机<24>。导热液在水泵<19>的作用下通过管道流入导热盒<1>，导热液与导热盒<1>进行热交换后，带走温差半导体组件<3>的热端产生的热量。导热液流入蓄液罐<17>，再流入盘管式散热器<23>，在风机<24>的空气对流作用下导热液通过盘管式散热器<23>与空气发生热交换。然后导热液再次回到水泵<19>中重复上述循环。导热液如此不断的循环，使得导热盒<1>不断的与外界发生热交换。上述蓄液罐<17>的作用在于提高管道系统的整体热容，对导热液起着缓冲作用，防止导热液温度的骤变。

导热盒<2>的进水口和出水口则连接保温库<20>，该保温库<20>可以是冰箱或空调的蒸发器，或者是控温槽和电子元件的换热器等。导热盒<2>与其所连接的管道、水泵<18>、保温蓄液罐<28>、保温库<20>、电磁阀<21>、<22>、均需要进行隔热。

当温差半导体组件<3>通电进行制冷或制热时，电磁阀<21>打开，电磁阀<22>闭合。导热液在水泵<18>的作用下，在导热盒<2>、电磁阀<21>、保温蓄液罐<28>、水泵<18>、保温库<20>之间循环，温差半导体组件<3>冷端通过导热盒<2>和导热液的循环与保温库发生热交换。

当保温库达到所需温度时，关闭电磁阀<21>，打开电磁阀<22>。导热液的不流经导热盒<2>，而在水泵<18>、保温蓄液罐<28>、保温库<20>之间循环。

由于保温蓄液罐<28>内蓄有一定量的导热液。该导热液所储蓄的冷能或热能用于弥补保温库<20>及管道和水泵<18>的能量泄露。使得温差半导体组件<3>在人为或非人为造成的电源切断后，保温库<20>还能在较长时间内保持温度的恒定。又由于导热液不流向导热盒<2>。导热液不会因为温差半导体的导热性而造成能量的损失。与旧有技术相比，无需向温差半导体提供一维持温差的电压。温差半导体也不需要频繁的启动从而节约了大量的电能。

上述温差半导体循环导热装置，所使用的水泵<18>、<19>运行功率可以调节，通过调节水泵电机的转速可以调节循环导热液的压力及流速。以适应温差半导体组件<3>在不同功率下运行所产生的热量或冷量。

上述装置在改变温差半导体组件<3>的电压方向时，可使得装置可在制冷制热工况下切换。

上述导热液可以是离子液体、蒸馏水、水与乙二醇的混合液，或在室温下呈液态并具有较宽液态温度范围的介质。

图9为本发明一温差发电实施例，所用能源为太阳能。

由图9可知，太阳能集热器<27>白天收集太阳能，加热热端导热液，此时电磁阀<21>开通，电磁阀<22>闭合，热端导热液在太阳能集热器<27>的加热下热虹吸或通过水泵<18>作用，通向保温蓄液罐<28>，再流入导热盒<1>中，热端导热液通过导热盒<1>将热量传递到温差半导体组件<3>的热端，然后热端导热液回到水泵<18>完成热端导热循环。

由温差半导体自身的导热性而未被温差半导体转化为电能的热量传递到导热盒<2>，导热盒<2>将废弃的热量传递给冷端导热液，冷端导热液在水泵<19>的作用下流到盘管式热交换器<23>，风机<24>将盘管式热交换器<23>中冷端导热液的热量带到空气中，被冷却的冷端导热液流入蓄液罐<17>中，再回到导热盒<2>中，如此不断循环使得温差半导体组件<3>的冷端总接近于室温，此时温差半导体因为冷热端存在温差而形成电压。

阴天和夜晚时，电磁阀<21>关闭，电磁阀<22>打开，热端导热液不流经太阳能集热器<27>，而在水泵<18>、电磁阀<22>、保温蓄液罐<28>、导热盒<1>间循环，温差半导体组件<3>所需能源由保温蓄液罐<28>所储热量提供。

上述太阳能集热器<27>和保温蓄液罐<28>中所储热能使得温差半导体组件<3>的热端温度维持一高温，温差半导体组件<3>的冷端在散热循环装置下维持室温。这样温差半导体组件<3>的冷热端能维持一较恒定温差。使得温差半导体组件<3>电压输出相对稳定。温差半导体组件<3>输出的直流电输入到直流稳压器<35>，直流稳压器<35>输出稳定的直流电压。稳压后的直流电通过逆变器<37>转换为工频电压。当电力充裕时，直流稳压器<35>将电力储蓄到蓄电池<36>中，以供用电高峰时使用。

上述太阳能集热器<27>可以是平板集热器或真空管集热器，当需要提高热源温度时可选用聚光集热器。

本发明在温差发电工况下，能量的来源和散热冷却方式并不局限于上述的太阳能和封闭式液体循环散热装置。所述能量来源除太阳能外还可以是电厂锅炉废热水、地底热水、汽车尾气、垃圾焚烧站、燃料电池等产生的废热，或是与其匹配的使用燃气、燃油、煤炭等燃料的高效燃烧器所提供的热能。所述散热装置还可以利用井水、河水、湖泊水等作为散热介质。

本发明不局限于上述举例方案。本发明还可以广泛作为冷饮机，电冰箱、制冰机、冰淇淋机、空调机、恒温循环器及温差发电机的机芯。也可以根据特殊需要制造特殊的制冷制热机和温差发电机。

Claims (10)

1. 一种集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块，它由两个以上导热盒、温差半导体组件、固定板、隔热层、两套液体循环导热装置组成，其特征在于所述导热盒包括一个开口腔室、一个进水口和出水口、一个密封盖、一个密封圈、若干个固定螺丝及匹配螺母，所述固定板包括至少两个槽口，所述液体循环导热装置包括水泵、管道、保温蓄液罐、盘管式散热器。

2. 根据权利要求1所述的集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块，其特征在于所述导热盒的开口腔室内有一蛇形水槽，槽内有若干分流翅片，进水口与出水口通过蛇形水槽连通，开口腔室周围有一法兰，用于放置密封圈，所述法兰和密封圈上有若干个与导热盒对应的通孔，开口腔室由密封圈和密封盖通过螺丝及螺母固紧，使得导热盒开口腔封闭，所述密封盖的底部正好和开口腔室吻合安置，使得导热盒内的导热液体能沿蛇形管道流动，而不至于在开口腔与密封盖底部的间隙相互窜流，所述导热盒与温差半导体组件由固定板进行固定，所述固定板与导热盒由隔热层进行隔热。

3. 根据权利要求1所述的集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块，其特征在于所述密封盖上有散热翅片，密封盖底部有与开口腔相对称的蛇形浅槽，散热翅片上安装有风机。

4. 根据权利要求1所述的集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块，其特征在于所述密封盖上有与开口腔相对称的蛇形浅槽，蛇形浅槽上设有分流翅片，分流翅片顶部与导热盒内的蛇形水槽底部的缝隙在0.02～1mm之间，分流翅片对应着导热盒蛇形水槽均匀分布，每段水槽内有3～8片分流翅片，分流翅片以10～25mm的间距在槽内分布。

5. 根据权利要求1所述的集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块，其特征在于所温差半导体组件的冷热端各有一导热盒。

6. 根据权利要求1所述的集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块，其特征在于所述导热盒的底部与密封盖均可与温差半导体组件进行传热，所述导热盒与温差半导体组件为多层堆叠组装。

7. 根据权利要求1所述的集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块，其特征在于所述密封盖的两面均有与开口腔对应的蛇形浅槽。

8. 根据权利要求1所述的集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块，其特征在于所述两套液体循环系统是分别对温差半导体组件冷热端上的导热盒分别连通，所述液体循环导热装置上连有可控制导热介质是否流过导热盒的电磁阀。

9. 根据权利要求1所述的集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块，其特征在于所述导热盒的开口腔室及其密封盖为铝或铜等热的良导体，所述液体循环系统所用导热介质为水、水和乙二醇的混合液、硅油或其他在室温下呈液态并具有较宽液态温度范围的介质。

10. 根据权利要求1所述的集制冷制热及温差发电功能的温差半导体模块，其特征在于所述温差半导体模块能量的来源可以是太阳能、电厂锅炉废热水、地底热水、汽车尾气、垃圾焚烧站、燃料电池等产生的废热，或是与其匹配的使用燃气、燃油、煤炭等燃料的高效燃烧器所提供的热能。

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