CN102563955A - 太阳能驱动的半导体快速制冷装置及包含该装置的饮水机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能驱动的半导体快速制冷装置，包括带有冷端壁面及热端壁面的半导体制冷片和带有受热部分及放热部分的热管，冷却工质流动的管道，所述半导体制冷片的冷端壁面与管道外壁相贴，半导体制冷片的热端壁面与热管的受热部分相贴；容纳所述管道、半导体制冷片、热管的箱体，所述箱体的端盖装有为半导体制冷片提供电流的太阳能电池板。本发明还公开了带有该制冷装置的饮水机。该装置不仅可以实现快速制冷，由太阳能驱动，减小能耗，方便户外使用，还可以实现小型化，具有工质环保等特点，用于多种场合。

Description

太阳能驱动的半导体快速制冷装置及包含该装置的饮水机

技术领域

本发明属于制冷领域，具体涉及一种太阳能驱动的半导体快速制冷装置。

背景技术

随着社会的发展，生活水平的提高，人们对食品的食用要求日益增加，在食品能够安全食用的前提下，开始更多的关注其食用口感。正如每种食品都有最佳保鲜温度一样，每种饮品也有最佳饮用温度。已有研究资料表明，例如，啤酒温度为10℃时，不仅饮用口感较佳，且此时人体对麦芽的热量吸引力最低，而对其氨基酸吸收率最高。再如，开水在13℃左右时喝起来最为爽口，此时水的表面张力等理化特性都发生变化，与生物细胞的水十分相似，容易被吸收，促进新陈代谢，增强免疫力。根据这样的特性，人们纷纷想出了各种方法，将饮品冷却。通常，人们利用压缩机制冷方式，将饮品冷却达到相应温度，但是，压缩机中制冷剂容易泄露污染大气，并且噪声大，需外接电源，更不利于在炎热夏季外出时携带，将饮品降温。另外，半导体制冷是一种环保的制冷方式，其基于珀尔帖效应，当直流电通过两种不同的半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端分别吸收热量和放出热量。利用其可以吸收热量的特性，可以将其作为一种制冷方式，将物体冷却。

在现有技术中，已公开了各种制冷装置，如申请号为201120062509.0的中国实用新型专利，“半导体制冷温控饮料机”，其包括散热系统、储水箱、水泵和半导体制冷系统，其中，半导体制冷系统由半导体制冷片和饮料导流板组成。虽然该系统可以连续放出最佳饮用温度的饮料，实现温度可控，达到动态制冷效果。但是，该装置需要电源，不适合携带外出，并且结构复杂，需要水泵、散热系统等众多设备，还需要大风扇进行冷却循环水，需要大水箱提供循环水。又如申请号为200910205235.3的中国发明专利，“半导体制冷系统”，其采用半导体来制冷，主要的特点是采用真空隔离措施，延长了使用的寿命，但结构复杂、维修困难，需要外接电源，同时，此方案不具备快速冷却的特点。

再如申请号为201020242652.3的中国实用新型专利，“半导体制冷片冷凝装置”，其公开了一种半导体制冷片冷凝装置，该装置包括由半导体制冷片紧密围成的长方体柱和散热片，朝向散热片的方向设置有进风口和出风口，对应进风口设置有吸风风扇。对应出风口设置有排风风扇。该装置的应用场合是实验室，冷却物质是蒸汽，目的是节约冷却水使用量，需要外接电源。因此，此装置不适合家庭、办公场合，不适用于冷却液体，更不能起到快速冷却的效果。

又如申请号为200420045919.4的中国实用新型专利，其公开了一种半导体制冷系统。该装置的目的是降低热端与外界空气的温差，来提高系统的效率，用于冰箱。但不能实现快速冷却，同时，其结构较为复杂，不便于搬动，需要外接电源，更不利于便携于户外使用。

综上所述，现有专利中存在各种利弊，但皆未提供能在户外方便使用的制冷装置。

发明内容

本发明提供了一种太阳能驱动的半导体快速制冷装置，该装置不仅可以实现快速制冷，由太阳能驱动，减小能耗，方便户外使用，还可以实现小型化，具有工质环保等特点，用于多种场合。

一种太阳能驱动的半导体快速制冷装置，包括带有冷端壁面及热端壁面的半导体制冷片和带有受热部分及放热部分的热管，还包括：

待冷却工质流动的管道，所述半导体制冷片的冷端壁面与管道外壁相贴，半导体制冷片的热端壁面与热管的受热部分相贴；

容纳所述管道、半导体制冷片、热管的箱体，所述箱体的端盖装有为半导体制冷片提供电流的太阳能电池板。

本发明所述太阳能驱动的半导体快速制冷装置，其工作原理为：利用基于珀尔帖效应的半导体制冷装置，提供所需冷量，将半导体制冷片贴于管道周围，当待冷却工质从管口进入管道，由于重力作用，其自上向下流动。半导体制冷片冷端壁面紧贴管道，将半导体制冷片冷端的冷量传热给管道中的待冷却工质，实现待冷却工质在运动过程中的动态冷却降温。由于半导体制冷片制冷时的冷端温度受热端温度的影响，即热端温度减去半导体制冷片自身可产生的温降，为冷端温度，因此，将半导体制冷片热端壁面紧贴热管，由于热管可以使得热管中的传热工质在重力作用下流动并高效传热，将热量排出，实现半导体制冷片热端壁面温度恒定。从而，可以使得半导体制冷片的冷端温度恒定。装置中装有太阳能电池板，可以利用太阳能产生电量，从而驱动整个装置。

所述热管的受热部分是指热管中的传热工质进行吸热的部分。

所述热管的放热部分是指热管中的传热工质进行放热的部分。

根据实际情况，可依据管道设计的长度以及管道壁面所布置的半导体制冷片的数量来决定最终流出管道时可以达到所要求的温度。

所述半导体制冷片市售可购，市售购得的半导体制冷片一般为矩形，所述半导体制冷片为若干个矩形形状的半导体制冷片，半导体制冷片的冷端壁面通过第一导热体与管道相贴。

所述半导体制冷片为若干个矩形形状的半导体制冷片，相邻两个半导体制冷片与热管的受热部分之间的空隙设有第二导热体。

所述半导体制冷片通过这些导热体实现导热，从而不影响制冷装置的效果。其中，所述第一导热体、第二导热体为高效导热材料，如导热硅脂等。为使传热效果更佳，可直接将半导体制冷片加工为环形，所述半导体制冷片环绕所述管道的外壁分布。

作为优选，所述管道为螺旋状或环状。当半导体制冷片为矩形时，管道设置为环状；当半导体制冷片为环形时，管道设置为螺旋状；如此设置一方面节省管道布置空间，另一方面不影响管道内的待冷却工质的制冷效果。

作为优选，所述箱体上设有供待冷却工质进入管道或离开管道的进口和出口。所述管道的管口分别与箱体上的进口和出口相接，以使本制冷装置方便待冷却工质进入或离开。

作为优选，所述箱体上设有控制电源开闭的开关。通过开关控制制冷装置的运行或停止，方便操作。

作为优选，所述箱体上设有散热气孔。若热管温度高，散热气孔可辅助散发部分热量。

所述管道为导热管，管道的材料可进行选择，各种金属材料(如不锈钢、铁、铝、铜等)、塑料或玻璃等导热材料皆可。

为使装备方便，可将半导体制冷片、管道、导热体、热管等做成一个整体后装入箱体之中，管道开口分别与箱体上的进口和出口相接。

本制冷装置不仅可以单独使用，也可以放在已有的设备中，例如饮水机中，将饮用水快速制冷，其应用广泛。

本发明还提供了一种包含该制冷装置的饮水机，其带有上述太阳能驱动的半导体快速制冷装置，通过将上述所述的半导体快速制冷装置装备到饮水机中，以实现饮水机的快速制冷。

一种包含该制冷装置的饮水机，包括饮水机箱体，所述饮水机箱体中设有所述太阳能驱动的半导体快速制冷装置，所述太阳能电池板设于所述饮水机箱体上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明结构简单，整个制冷装置冷却时间短，可实现快速制冷。

(2)本发明利用了热管的传热特性，将热管布置于制冷装置中，热管的受热部分和放热部分结构简单、位置灵活，而且汇源分离的距离可以根据实际需要及所采用的热管性能来定。本发明可以实现热管中冷热传热工质之间零泄漏。

(3)本发明利用半导体制冷的优势，其无气体工质，体积小，寿命高，适用于家庭使用。

(4)本发明也可以放在已有的设备中，例如饮水机中，将饮用水快速制冷。

(5)本发明利用太阳能进行驱动，可以无须外部电源，显著节能，特别适用于在炎热夏季的户外使用。

附图说明

图1是本发明的一种制冷装置布置示意图；

图2是图1所示制冷装置的侧视图；

图3是图1所示制冷装置的俯视图；

图4是图1所示制冷装置的A-A剖视图；

图5是本发明制冷装置的热管的布置示意图；

图6是图5所示制冷装置的热管的侧视图；

图7是本发明制冷装置的矩形半导体制冷片的布置示意图；

图8是本发明包含制冷装置的饮水机的布置示意图；

图9是图8所示饮水机中半导体快速制冷装置的一种示意图；

图10是本发明制冷装置的环状半导体制冷片的布置示意图；

图11是图9所示半导体快速制冷装置的俯视图；

图12是图9所示半导体快速制冷装置的侧视图；

图13是图9中A-A的剖视图。

其中：1、箱体；2、太阳能电池板；3、开关；4、出口；5、进口；6、饮水机箱体；7、把手；8a、第一导热体；8b、第二导热体；9、管道；10、半导体制冷片；11、热管；12、散热气孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例1

参见图1-7，一种太阳能驱动的半导体快速制冷装置，包括箱体1、太阳能电池板2、开关3、出口4、进口5、半导体制冷片10、导热体8、管道9、热管11。其中，将半导体制冷片10冷端壁面紧贴管道9，半导体制冷片10在每一层中做成矩形环绕状，矩形边长为100.11mm，半导体制冷片10与管道9的中间空隙放入导热硅脂等第一导热体8a，将半导体制冷片10热端壁面紧贴热管11受热部分，相邻两个半导体制冷片10与热管11受热部分间的中间空隙设有第二导热体8b，半导体制冷片10、管道9、导热体8、热管11做成一个整体后装入箱体1之中，箱体1上开设有进口5和出口4，箱体1的端盖部分装有太阳能电池板2，管道9倾斜角θ为2.74°。

在本实施例中，在夏季外界环境为25-41℃的工况下，在户外，将本制冷装置中放入饮用水，将其快速冷却。此时管道9内径D取10mm，管道9为铝管，半导体制冷片10的型号见表1。该装置的工作原理为：将饮用水由进口5流入管道9，由于重力作用，其自上向下流动，同时，与管道9管壁接触。由于半导体制冷片10冷端壁面紧贴管道9，且半导体制冷片10冷端壁面与管道9间以及相邻两个半导体制冷片10与热管11受热部分间的中间空隙由导热硅脂等第一导热体8a、第二导热体8b进行导热，故可将半导体制冷片10冷端的冷量传热到管道9的水中，实现饮用水在运动过程中的动态冷却降温。由于半导体制冷片10制冷时的冷端温度受热端温度的影响，即热端温度减去半导体自身可产生的温降，为冷端温度，因此，将半导体制冷片10热端壁面紧贴热管11受热部分，且热管11的放热部分离管道9有一定的距离，利用热管11的高效传热，将热量排出，实现半导体制冷片10热端的温度恒定。从而可以使得半导体制冷片10冷端温度恒定。由太阳能电池板2提供电量，驱动整个装置进行工作。根据管道设计的长度以及管道9壁面所布置的半导体制冷片10的数量，以及相应的工况，在进水量为200ml时，模拟计算结果见表2；进水量变化为200-600ml时，模拟计算结果见表3。

表1所用半导体制冷片的型号

表2不同环境温度下，达到所需制冷温度时的分析

表3不同环境温度，不同饮用水体积下达到饮用温度时的时间

由表3可以看出，在水的体积为200ml-600ml时，外界环境温度的升高会使得整个制冷装置的制冷时间增长，尽管如此，整个时间仍然在8s之内，可以实现迅速制冷，实现水降温的效果。

实施例2

参见图5、6与8-13，一种包含太阳能驱动的半导体快速制冷装置的饮水机，包括饮水机箱体6、箱体1、太阳能电池板2、把手7、开关3、出口4、进口5、半导体制冷片10、管道9、热管11、散热气孔12。其中，太阳能驱动的半导体快速制冷装置的箱体1放于饮水机箱体6中，半导体制冷片10做成环状，半导体制冷片10环绕管道9的外壁分布，半导体制冷片10冷端壁面紧贴管道9，半导体制冷片10热端壁面紧贴热管11受热部分，以减小装置体积，半导体制冷片10、管道9、热管11做成一个整体后装入箱体1之中，箱体1上开设有进口5和出口4，进口5与出口4分别和饮水机的进水口和出水口相接。并且在箱体1上端有把手7，箱体1上部有散热气孔12。太阳能电池板2与饮水机箱体6的一边做成一体，即将饮水机箱体6的一面做成太阳能电池板2。

本实施例可用于提供夏季家庭所需冷却的饮用水，以提高口感，解暑降温。饮水机箱体6带有太阳能电路板2的一面放于家庭或者办公室的窗户边，由太阳能电池板2来发电，驱动整个装置进行工作。其工作原理为：将半导体制冷片10贴于管道9周围，管道9做成螺旋状，饮水机箱体6中的水由进口5流入管道9，由于重力作用，其自上向下流动。半导体制冷片10冷端壁面紧贴管道9，半导体制冷片10冷端的冷量传热到管道9中的水中，实现饮用水在运动过程中的动态冷却降温。由于半导体制冷片10制冷时的冷端温度受热端温度的影响，即热端温度减去半导体制冷片9自身可产生的温降，为冷端温度，因此，将半导体制冷片10热端壁面紧贴热管11受热部分，且热管11的放热部分离管道9有一定的距离，热量传热给热管11中的传热工质，热管11中的传热工质在热管11的受热部分吸热后成为气态在热管11的放热部分将热量放热，实现半导体制冷片10热端的温度恒定。从而，可以使得半导体制冷片10冷端温度恒定。根据管道9设计的长度以及管道9壁面所布置的半导体制冷片10的数量，以及相应的工况，进行模拟计算，此时，在本制冷装置中，管道9螺旋半径R取100mm，管道9倾斜角θ＝1.7°，管道9为铝管，半导体制冷片10的型号见表4。水的体积为200-600ml时，模拟计算结果见表5。

表4所用半导体制冷片的型号

表5不同环境温度，不同饮用水体积下达到饮用温度时的时间

由表5可以看出，在水的体积为200ml-600ml时，外界环境温度的升高，会使得饮水机的制冷时间增长，尽管如此，整个时间仍然在8s之内，可以实现迅速制冷，实现水的降温效果。

Claims (10)

1.一种太阳能驱动的半导体快速制冷装置，包括带有冷端壁面及热端壁面的半导体制冷片和带有受热部分及放热部分的热管，其特征在于，还包括：

待冷却工质流动的管道，所述半导体制冷片的冷端壁面与管道外壁相贴，半导体制冷片的热端壁面与热管的受热部分相贴；

容纳所述管道、半导体制冷片、热管的箱体，所述箱体的端盖装有为半导体制冷片提供电流的太阳能电池板。

2.根据权利要求1所述的太阳能驱动的半导体快速制冷装置，其特征在于，所述半导体制冷片环绕所述管道的外壁分布。

3.根据权利要求1所述的太阳能驱动的半导体快速制冷装置，其特征在于，所述半导体制冷片为若干个矩形形状的半导体制冷片，半导体制冷片的冷端壁面通过第一导热体与管道相贴。

4.根据权利要求1所述的太阳能驱动的半导体快速制冷装置，其特征在于，所述半导体制冷片为若干个矩形形状的半导体制冷片，相邻两个半导体制冷片与热管的受热部分之间的空隙设有第二导热体。

5.根据权利要求1所述的太阳能驱动的半导体快速制冷装置，其特征在于，所述管道为螺旋状或环状。

6.根据权利要求1所述的太阳能驱动的半导体快速制冷装置，其特征在于，所述箱体上设有供待冷却工质进入管道或离开管道的进口和出口。

7.根据权利要求1所述的太阳能驱动的半导体快速制冷装置，其特征在于，所述管道为导热管。

8.根据权利要求1所述的太阳能驱动的半导体快速制冷装置，其特征在于，所述箱体上设有控制电源开闭的开关。

9.根据权利要求1所述的太阳能驱动的半导体快速制冷装置，其特征在于，所述箱体上设有散热气孔。

10.一种包含该制冷装置的饮水机，包括饮水机箱体，其特征在于，所述饮水机箱体中设有权利要求1～9任一项所述太阳能驱动的半导体快速制冷装置，所述太阳能电池板设于所述饮水机箱体上。

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