CN103090584B

CN103090584B - 分立型半导体致冷器制冷系统

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Publication number: CN103090584B
Application number: CN201110358660.3A
Authority: CN
Inventors: 赵秀卿
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: CN103090584A

Abstract

分立型半导体致冷器制冷系统该发明涉及分立型半导体致冷器制冷系统。现在利用半导体致冷片两面温差效应的应用中，主要制作饮水机、微型冰箱、小型冷风扇等电功率在30W～150W的低效率制冷产品。而致冷器的结构一般是不对称三层结构，中层是致冷片敷上导热硅质油，冷面紧贴着储冷器，储冷器是由一块厚度3-5mm、边长大于致冷片边长的金属。热面紧密接触着散热面积大的金属散热器和轴流风扇。金属铜的导热系数(大卡/米·时·℃)为300-500，铝为175，而跟随滞后于致冷器温变速率，提高致冷器制冷效率和散热速率，必须放弃其常规结构。我这里提供出一种分立型致冷器制冷系统。可以用规格尺寸和功率任意的致冷片制做冷系统，适应于改造和开发各种冰箱、空调、冷风扇等制冷产品。

Description

分立型半导体致冷器制冷系统

该发明涉及分立型半导体致冷器制冷系统。

现在利用半导体致冷片两面温差效应的应用中，主要制作饮水机、微型冰箱、小型冷风扇等电功率在30W～150W的低效率制冷产品。而致冷器的结构一般是不对称三层结构，中层是致冷片敷上导热硅质油，冷面紧贴着储冷器，储冷器是由一块厚度3-5mm、边长大于致冷片边长的金属。热面紧密接触着散热面积大的金属散热器和轴流风扇。金属铜的导热系数(大卡/米·时·℃)为300-500，铝为175，而跟随滞后于致冷器温变速率，提高致冷器制冷效率和散热速率，必须放弃其常规结构。我这里提供出一种分立型致冷器制冷系统。可以用规格尺寸和功率任意的致冷片制做冷系统，适应于改造和开发各种冰箱、空调、冷风扇等制冷产品。

该发明的目的，就是提高半导体致冷器制冷效率或效益，将致冷片的某面或双面的热量或冷量，导入到适当空间散发。具体实施方案为：根据现在流行的冷饮水机、小型制冷盒、冷风扇的半导体致冷器成熟技术基础，创新为：先制作出一个多功能液箱D，箱底紧密接触着一块致冷片Z的制热面ZS(或制冷面ZL)，再则利用管道G、导热液体S、电动液泵P、冷凝器M(或蒸发器ZL′)，构成液流高速循环系统，致冷片产生的热量QS(或冷量QL)传导入功能箱D的液体，即混合到整个液流系统。为说明方便，把一个多功能液箱D和一块半导体致冷片Z紧密接触的组件，称为一个单元(单面或双面)型半导体致冷器。这种方案，不仅能够使致冷片产生的热量或冷量合理分散，也利于使用大功率致冷器高效率制冷。再者，如果制热或制冷系统需要加深冷度和增加制冷量时，可以用单元——单元串联或并联方式实现。附图图1、图2，是两种规格的一个单元型半导体致冷器实物照像样品。其中图1是制热、制冷系统均做成一个单元双面型致冷器。结构为三层形，中层是一块致冷片Z，两端是两个相同的多功能液箱D₁、D₂。图2是致冷片制冷面采用了一个单元单面型致冷器。而制热方面仍采用常规金属散热器和轴流风扇。这适宜于制冷量≤60大卡/小时的系统。

该系统用液量少，功能箱容量小，而整个系统运行程序须为先使用内液体形成高速循环状态，才使致冷器运作；若液路不畅通，则致冷器自动关闭。因而，在系统设计上加有防护系统：自动控制液流循环系统和制冷系统的流通传感FH；防止致冷器过热现象的KSD温度开关。分立型半导体致冷器制冷系统所需要的功能箱D、膨胀盒V、导热液体S、蒸发器ZL′、冷凝器M、液泵、流通传感器FH的有关形式、尺寸及其它物理参量，均须根据系统制冷量和实用环境条件，具体确定实施方案。这里提供出一些基本条件：液体管道加装一只膨胀盒V。膨胀盒的容液量可以按照制冷D₁或制热D₂系统所有液量的10-15％(a)设计。相关制热、制冷系统所需用的液泵功率，输出液量，蒸发器、冷凝器应统一设计。这里可以用一个经验公式参考：S_A/Q_A＝S_B/Q_B(a′)中S_A是多功能液箱D内存贮液量(已知量)；Q_A是致冷片制热(冷)量传导入存贮液的制热(冷)速率(已知量)；Q_B、S_B是设定的液泵输出液量和温度变化速率。实际用的液泵功率可以用一个经验公式参考：流量单位为升/秒、液泵杨程单位为米，考虑到适用水、成品防冻液的比热和浓度，则P_W＝(0.8m·L/S)/100(kw)(a″)，系统中所用的蒸发器、冷凝器的形式和几何尺寸，可以根据致冷器的制冷功率和液泵输出的热(冷)液量计算。

这里为了利用该发明改造、开发和生产时参考之便。以12706型致冷片为主，制作的两级一个单元型致冷器串联制冷系统为例，说明该发明实施方案。

1、用一块12706型半导体制冷片Z，规格为40×40×4mm，制作一对功能箱D₁、D₂，箱高度h₁＝h₂＝30mm，箱为宽正方形，边长a₁＝55mm。箱底厚度为5mm，具有储冷器功能。在箱底板内制成散热肋形，箱上留出输入输出口d₁、d₂，输入、输出液体流动方向与散热肋一致。制冷片Z两面上涂上导热硅膏，紧夹于功能箱D₁、D₂中央，就成为一个单元双面型半导体制冷器SFC的主结构。

两个单元制冷器串联时，前一级SFC₁的输入、输出口联系着和液泵P，留管直径应为d₁＝d₂＝10mm，第二级SFC₂的输入、输出口直径与主管道直径相同。在制冷系统D₁主管道G及蒸发器ZL′直径均为6mm，在制热系统主管道G和冷凝器M中的接口直径均为10mm。

2、系统中液体循环程序为：液体S经手动阀门K注入膨胀盒V流入整个系统里，电源启动后，先是液泵转动、流通传感器FH待动作。如果系统液体在循环和流速推动下，传感器FH滑至运行状态，磁开关Ks接通，令整个系统电路进入工作状态，致冷器SFC₁、SFC₂同时正常制冷/制热制出的冷、热液，由液泵P吸引和推排作用下，向流通传感器FH→第二级致冷器SFC₂→蒸发器ZL′/冷凝器M→膨胀盒V→第一级致冷器……，如此运行。致冷器Z₁、Z₂出现过热状态时，温度开关KSD自动分离，停止制热、制冷，而其它系统正常工作。

配用的电路系统(图12)，制冷系统D₁和制热系统D₂为一套电路，可分为两部分，即控制液体循环系统的电路和制冷、制热系统用的电路。

控制液体循环电路：AC220V由变压器B₁变为13V，经整流器、滤波C₃、固体稳压器7812和电容器C₄滤波变为稳定12VDC。电路启动时，液泵P开始运行，当系统液体正常循环时，液流推力作用而使液体传感器滑至输出口处，带动磁性开关接通光电耦合器和可控硅，使电子变压器B₂的输入端与变压器B₁初级并联，而致冷器Z₁、Z₂、散热风扇M同时运作。

3、依据式a′，液泵P(结图5、图6)，采用无方向伞形3瓣泵头，伞把长度H₇＝13mm，伞头厚度H₆＝13mm，泵头前端直径Φ＝10mm，后端直径Φ₂＝25mm，泵腔d_A内壁直径最大值为30mm，泵头主面坡度为45°，其与泵腔间隙2.25mm，输入口直径与致冷器输出口相同，即d₂＝Φ₃＝10mm，输出口在制冷系统中为Φ4＝6mm，在制热系统中Φ₄＝10mm。液泵p含有稳速电路，系统正常状态时，电压为8v，电流为200～250mA，输出流量正常值为40～50ml/s。

4、液通传感器FH采用自由活塞型，在管道系统液体处于静态时，活塞沿液体出入口方向无束约。当管道系统处在流畅状态时，活塞被液流力作用下由弹簧T束约，恒磁片吸住磁开关K_S，使致冷系统运行。活塞为圆台型，直径在输入口方向Φ₂＝20mm，输出口方向为6mm，厚度为12mm，自由流动程为8mm，传感器壳最大内直径为30mm，支架E₁、E₂为四根支撑形。

5、考虑到系统采用了两块12706型致冷片制冷，正常制冷量为2×53大卡/小时，照顾液泵的噪声影响和散热效益，取用冷凝器M由两个相同的冷凝器并联，两冷凝器的输入口d₃，输出口d₄各并联成一个冷凝器M。冷凝器为二层结构：一层是含存贮液箱带散热肋形铝质散热器；另一层为轴流风扇。散热器底板为正方形a₂×a₂＝100×100mm，高度h₄＝30mm，存贮箱高度为12mm，散热肋高度为18mm。存贮箱壁厚为3mm，即在液箱原厚度方向形成3mm∶6mm∶3mm比例。输入、输出口与管道匹配，直径为d₃＝d₄＝10mm。风扇功率为2.4w，蒸发器ZL’的设计，应按照实用环境条件实施。

附图说明：

附图1、图2是该发明中的两种规格一个单元型半导体致冷器实物照像样品。其中图1是制热、制冷系统均做成一个单元双面型致冷器。结构为三层形，中层是一块致冷片Z，两端是两个相同的多功能液箱D₁、D₂。图2是致冷片制冷面采用了一个单元单面型致冷器。而制热方面仍采用常规金属散热器和轴流风扇。图3、图4是用两片致冷器组合的制冷(制热)系统工作流程图。图5、图6分别表示液泵P中的电动机W和泵头(泵浆)。图7是流通传感器F(HF)的整体图，其中W2是壳体、T是磁环、K₅是磁开关、E₁及E₂为支架。图6的右侧的图是膨胀盒V的整体图，其中K是注液盖、Φ是放气阀。流程图中的标号G表示管道、SFC1及SFC2均表示一个单元型半导体致冷器，ZL′是蒸发器，M是冷凝器。图8是一个单元(双面)型半导致冷器的结构图，其中D₁、D₂是功能箱、S是液体，Z是致冷片。图9是功能箱的流体分布和流向剖面图。图10、图11是一种冷凝器M的结构图，其中WF是轴流风扇、D₃是含流动液S和肋型的散热器。图12是一种用两片12706型半导体致冷器制作的制冷系统的电路原理图。

Claims

1.一种分立型半导体致冷器制冷系统，包括制冷装置和制热装置，其特征在于，制冷装置主要是由蒸发器ZL'、致冷器SFC1、SFC2及致冷器SFC1的第一功能箱D1、致冷器SFC2的第二功能箱D1构成；制热装置主要是由冷凝器M、致冷器SFC1、SFC2及致冷器SFC1的第三功能箱D2、致冷器SFC2的第四功能箱D2构成；在致冷器SFC1的第一功能箱D1、致冷器SFC1的第三功能箱D2之间设置有致冷片Z，在致冷器SFC2的第二功能箱D1、致冷器SFC2的第四功能箱D2之间设置有第二致冷片Z；

制冷装置包括致冷器SFC1、致冷器SFC2和蒸发器ZL'，致冷器SFC1的第一功能箱D1的输出端通过电动液泵P、流通传感器FH和致冷器SFC2的第二功能箱D1的输入端联接，致冷器SFC2的第二功能箱D1的输出端通过管道接蒸发器ZL'，蒸发器ZL'的输出端通过管道G、膨胀盒V接致冷器SFC1的第一功能箱D1的输入端；

制热装置包括致冷器SFC1，致冷器SFC2和冷凝器M，致冷器SFC1的第三功能箱D2的输出端通过电动液泵P、流通传感器FH和致冷器SFC2的第四功能箱D2的输入端联接，致冷器SFC2的第四功能箱D2的输出端通过管道和冷凝器M联接，冷凝器M的输出端通过管道G接致冷器SFC1的第三功能箱D2的输入端。

2.根据权利要求1所述的分立型半导体致冷器制冷系统，其特征在于：在致冷器SFC1的第一功能箱D1、致冷器SFC1的第三功能箱D2之间设置有用导热硅膏固定的致冷片Z；致冷器SFC2的第二功能箱D1、致冷器SFC2的第四功能箱D2之间还设置有用导热硅膏固定的第二致冷片Z。

3.根据权利要求1所述的分立型半导体致冷器制冷系统，其特征在于：第一功能箱D1、第二功能箱D1、第三功能箱D2、第四功能箱D2，膨胀盒V，导热液体S，蒸发器ZL'，冷凝器M，电动液泵P，流通传感器FH的物理参量，是根据系统制冷量和实用环境条件，具体确定实施方案，膨胀盒V的容液量按照制冷或制热系统所有液量的10-15%设计，相关制热装置、制冷装置所需用的电动液泵功率，输出液量，蒸发器ZL'、冷凝器M的设计参考公式为：S_A/Q_A=S_B/Q_B(a')式中S_A是功能箱D1、D2内存贮液量；Q_A是致冷片Z产生的制热量、制冷量传导入存贮液的制热速率、制冷速率；Q_B、S_B是设定的电动液泵P输出液量和温度变化速率，实际用的液泵功率可以用一个经验公式参考：流量单位为升/秒、液泵杨程单位为米，考虑到适用水、成品防冻液的比热和浓度，则P_W=(0.8m·L/S)/100（KW）(a'')，系统中所用的蒸发器、冷凝器的形式和几何尺寸，根据液泵输出的热、冷液量计算。

4.根据权利要求1所述的分立型半导体致冷器制冷系统，其特征在于：膨胀盒V上设置有手动阀门K。

5.根据权利要求1-3任一项所述的分立型半导体致冷器制冷系统，其特征在于：两个致冷片为12706型半导体致冷片，规格为40mm×40mm×4mm；第一功能箱D1、第二功能箱D1、第三功能箱D2、第四功能箱D2的规格是55mm×55mm×30mm，箱底厚度为5mm，具有储冷器功能，在箱底板内制成散热肋形，箱上留出输入、输出口d₁、d₂，输入、输出液体流动方向与散热肋一致。