CN103565158B

CN103565158B - 一种组装式半导体空调床

Info

Publication number: CN103565158B
Application number: CN201210256082.7A
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: 沈荣华
Current assignee: Guangdong University of Petrochemical Technology
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-07-23
Also published as: CN103565158A

Abstract

本发明根据传热学和人体热舒适原理，结合半导体制冷技术，提出一种静音、健康、节能、舒适的全新风房间空调技术方案，一种组装式半导体空调床，它主要包括床、TEC半导体制冷组件及其控制电路、静音微风蚊帐吊扇（300rpm,9W）。TEC半导体制冷组件安装在床板上，它主要包括2块串接的TEC1‑12706半导体制冷片、蓄冷铜块、铝吸热板、L形铝热桥和开缝平行翅片铝型材散热器。夏季夜间，半导体制冷片使床上竹席下的铝吸热板温度降低到26℃～28℃，消除人体与床的局部过热，降低人体平均皮肤温度，使人感到舒适。组装式半导体空调床采用12VDC安全电压配置、铝吸热板三重防过冷保护设计和铝吸热板防结露设计，安全性强，该技术方案制造成本低（仅￥160.00左右），运行能耗低（仅45W左右），10小时耗电≤0.5KW·h,是一种利用成熟技术的集成创新技术方案。

Description

一种组装式半导体空调床

技术领域

本发明专利属工程热物理学科之制冷与空调技术领域。

技术背景

房间空调器目前多为定速空调或变频空调，10m²房间多采用1匹空调，因能效比不同，输入功率在700W～1000W之间。建筑物、家具等热容量大，而夜间人睡眠时新陈代谢慢，散热量低，仅为92W左右（27℃气温），大马拉小车，能量利用率低，节能潜力巨大。

夏季大部分夜间气温在27℃～32℃，与舒适空调气温24℃～26℃相差不大。房间空调器大多无新风或新风量小，进出空调房间冷热冲击大，空调病发病率高。因此，采用全新风（开窗）房间局部空调，是一种针对性强的节能技术方案。

通过专利检索发现目前房间局部空调（全新风）多为空调蚊帐、空调床垫或半导体空调器（见下表1），这些技术方案相对复杂，造价较高，商业化难度大。资料表明，目前千瓦级的半导体空调成本为压缩制冷空调的三倍，且能效比低，难以推广。

表1代表性专利汇总表

专利名称	专利号（申请号）	技术方案
			半导体空调床	200720111570.3	空调蚊帐
一种多功能半导体空调床	03249719.9	空调蚊帐
			一种热电制冷床垫	201120014867.4	制冷床垫
一种冷暖空调床垫	201010126594.2	空调床垫
			一种半导体空调器	201110004214.2	半导体空调器
一种热电式半导体空调器	92242661.9	半导体空调器
			热管式半导体空调装置	99254327.4	半导体空调器

发明内容

本发明针对目前房间空调器能耗大，而夜间睡眠时人体散热量低的矛盾，提出一种组装式半导体空调床这一针对性强、健康、节能、静音的技术方案，它利用半导体制冷（热电制冷）技术，创造出一种全新风房间局部空调，是一种充分利用现有成熟技术的集成创新技术方案。组装式半导体空调床主要包括床、TEC(Thermo-electric cooler)半导体制冷组件及其控制电路、静音微风蚊帐吊扇（300rpm,9W）。TEC半导体制冷组件安装在床板上，它主要包括2块串接的TEC1-12706半导体制冷片、蓄冷铜块、铝吸热板、L形热桥和开缝平行翅片铝型材散热器。夏季夜间，半导体制冷片使床上竹席下的铝吸热板温度降低到26℃～28℃，消除人体与床的局部过热，降低人体平均皮肤温度，使人感到舒适。

发明依据与可行性分析

资料表明，在不同气温（21℃～29℃），人体热舒适的平均皮肤温度为33℃，与人体皮肤平均温度33.5℃相近，这表明人体处于热平衡时感觉舒适。夏季大部分夜间气温在27℃～32℃，气温高，夜间睡眠时人体与床（竹席）的热阻大，散热不良造成局部过热，使得人体局部皮肤温度过高，最终使人体感觉不舒适。

传热学中冷面向上的水平板自然对流传热（见说明书附图1）表明：冷面向上的水平板自然对流传热会产生空气滞止和空气环流现象，这有利于保持冷量形成局部空调环境，进而有利于人体保持热舒适和睡眠。

目前百瓦级的半导体制冷空调装置成本与压缩制冷空调相差不大，但却具有无噪音、系统简单可靠、寿命长和调控方便等优点，目前已在冷热饮水机、汽车冰箱等方面得到普遍应用。因此，利用半导体制冷技术持续带走人体散热，适当降低床上竹席温度，消除人体与床（竹席）的局部过热，给人以凉爽的感觉，有利于人在夏季夜间的睡眠。

半导体制冷片TEC制冷量Q_c的确定

资料表明，当人体感到热舒适处于热平衡时，人体对流散热约占人体总散热量的25％～30％，辐射散热量占45％～50％，呼吸和无感觉蒸发散热占25％～30％。人体静止时的总散热量与气温有关，当气温为27℃～32℃时，人体静止时的总散热量为92W～87W。

因此，气温为27℃～32℃时，人体对流散热量为：（25％～30％）×（92W～87W），取上限值：30％×92W＝27.6W。

人体睡眠时与人体静止时相仿，除人体蒸发、辐射换热外，还包含人体正面与空气的对流换热以及人体背面与床（竹席）的传导换热。人体背面与床（竹席）的传导换热即为半导体制冷片TEC的制冷量Q_C 。

因此，半导体制冷片TEC的制冷量Q_C≈0.5×总人体对流换热量＝0.5×27.6W＝13.8W

半导体制冷片TEC的选型核算

半导体制冷片的制冷量与制冷片型号、电流、电压、传热温差等许多因素有关。电流越大，半导体制冷片的制冷量越大，但能效比越小。

半导体制冷片TEC1-12706的技术参数见下表2：

表2半导体制冷片TEC1-12706的技术参数

型号	最大电流（A）	最大电压（V）	最大制冷量（W）	最大温差（℃）	尺寸（mm）
						TEC1-12706	6	15	57.2	67	40×40×3.8

为降低电流和安全起见，采用两块TEC1-12706制冷片同方向迭加串联，并采用12VDC稳压电源供电。资料表明，当采用电脑CPU风扇散热器，测试运行电流为2.2A～2.5A ，本方案采用开缝平行翅片（阵列）铝型材散热器，制冷片运行电流为2A～3A。

电功率P = I V = (2A～3A)×12V = 24W～36W

半导体制冷片的能效比较低，当电流为2A～3A时，能效比ε为0.6

因此，半导体制冷片的制冷量为Q_C = Pε = (24W～36W) ×0.6=14.4W～21.6W

TEC1-12706半导体制冷片的热端总发热量为 P＋Q_C ＝（24W～36W）＋（14.4W～21.6W）

=38.4W～57.6W

必须指出，若采用单片TEC1-12706半导体制冷片，并以12VDC供电，则半导体制冷片的制冷量偏大（43.3W＞13.8W），且热端总发热量过大（115.2W）；若采用单片TEC1-12706半导体制冷片，并以6VDC供电，则半导体制冷片的制冷量为Q_C 为10.8W＜ 13.8W，不满足要求。

考虑到铝吸热板与床上竹席以及空气的换热，14.4W～21.6W的制冷量比较满足要求。因此，选用两块TEC1-12706制冷片同方向迭加串联，并采用12VDC稳压电源供电的方案是合适的。

半导体制冷片TEC热端散热器的设计及核算

TEC1-12706半导体制冷片的热端总发热量为38.4W～57.6W，散热量不大，因此本方案采用开缝平行翅片（阵列）铝型材散热器与空气自然对流换热，本方案具有高可靠性、无噪音和低成本的优点。

几何布置对自然对流的空气流动和散热效果有决定性影响。根据速度场和热流场协同原理，通过L形铝热桥将热面向下的自然对流换热转化为竖直热面的自然对流换热，并通过开缝将平行翅片铝型材散热器加工成阵列铝型材散热器，通过切断边界层，增加空气扰动，大大改善了自然对流换热效果。

自然对流散热强度为（1～10）W/(m² _·K),10K～50K传热温差，辐射散热占总散热量20%左右。38.4W～57.6W的散热量，为防止过冷，取中间值为48W。

需要的自然对流散热散热量为：48 W×80% = 38.4 W

自然对流的热流密度为：（1～10）W/(m² _·K)×（10～50）K ，取中间值 250 W/m²

需要的散热面积为：38.4W/250(W/m²) = 0.15 m² = 15×10⁴mm ²

确定开缝平行翅片（阵列）铝型材散热器的尺寸规格为：

81×74×32mm,2个，翅片厚1mm，翅片宽4mm,翅片列间距3mm，翅片行间距2mm 。

每个散热器散热面积S≈(4×2+1×2)×30mm²/齿×（13×20）齿＝7.8×10⁴ mm²

选用2个散热器背靠背安装，即可满足TEC半导体制冷片热端散热要求。

铝吸热板（蓄冷板）的尺寸确定

铝的物性参数为：密度ρ＝2710 kg/m³ ,比热容c = 902 J/(kg _·K)

TEC1-12706半导体制冷片热惯性小，一般通电后200 s 基本达到稳定状态。为防止铝吸热板过冷，取极限情况，即不考虑铝吸热板与空气及竹席的换热，TEC1-12706半导体制冷片的最大制冷量全部被铝吸热板吸收，使其温度由32℃下降至26℃，则铝吸热板质量为：

m = Q/(c_·△t) = 21.6 （J/s）×200 s / ( 902 J/(kg_·K) ×6 K ) = 0.78 kg

铝吸热板体积 V ＝ m / ρ =0.78 kg / 2710 kg/m³ = 2.88×10^-4 m³

为防止铝吸热板过冷，取铝吸热板尺寸为：1m×0.8m×2mm ( V = 16×10^-4 m³ )

安全分析与三重防过冷安全保护

关于漏电问题

TEC1-12706半导体制冷片冷、热端两面均装有导热性能良好的电绝缘体——陶瓷板，因此不存在TEC1-12706半导体制冷片漏电问题，况且TEC1-12706半导体制冷片的工作电压仅为12VDC，为安全电压配置，工作电流仅为3A左右。

三重防过冷安全保护

“夏不睡石，秋不睡板。”一旦人体失去热平衡，就容易导致体温过低，造成生命危险或埋下疾病祸根。因此，防过冷保护至关重要。

最大制冷量限制防过冷设计

本发明对人体热舒适做了充分研究，计算出人体睡眠时需要的制冷量为13.8W，考虑到竹席的热容量和铝吸热板与空气的换热，TEC1-12706半导体制冷片的总制冷量为14.4W～21.6W 是合适的。

电子温度控制器防过冷保护

将热敏电阻温度传感器安装在床上的铝吸热板内，设定温度为26℃～28℃，当铝吸热板温度低于设定温度，电子温控器将自动切断TEC1-12706半导体制冷片供电电源，停止供冷。

资料表明，人体皮肤平均温度为33.5℃，人体衣着与皮肤的表面温度为30℃，考虑到竹席的热阻，铝吸热板设定温度为26℃～28℃是合适的。

自限性防过冷保护

根据TEC1-12706半导体制冷片的性能曲线图，冷、热两端的传热温差△T↑或↓ →制冷量Q_C ↓或↑。

当热敏电阻温度传感器坏或电子温度控制器发生故障，铝吸热板温度T_L过低→传热温差△T↑→制冷量Q_C ↓→铝吸热板温度T_L↑ ，当单片传热温差△T＝67K ，制冷量Q_C →0 。

另一方面，当制冷量Q_C ↑→TEC热端温度T_H↑→传热温差△T↑→制冷量Q_C ↓

因此，本方案具有自限性防过冷保护功能。

铝吸热板防结露保护和TEC热端防过热保护

夏季夜间气温27℃～32℃，一般夏季夜间相对湿度70%左右，相应的露点温度为23.0℃～25.8℃，因此，铝吸热板温度设定在26℃～28℃可以有效防止铝吸热板因温度过低而结露。

由于采用两块TEC1-12706半导体制冷片同方向迭加串联，TEC1-12706半导体制冷片冷热两端最大传热温差为67℃×2 = 134℃,而且冷、热两端的传热温差△T↑ →制冷量Q_C ↓，因此有必要控制TEC1-12706半导体制冷片冷热两端的传热温差。另一方面，TEC半导体制冷片热端温度过高，极易损坏TEC半导体制冷片。为此，本方案采用紧贴在TEC1-12706半导体制冷片热端的双金属片温控器（常闭，70℃断电）来实现TEC热端防过热保护。（参见说明书附图2和说明书附图4。）

有益效果

目前房间空调器多为定速空调或变频空调，10m²房间多采用1匹空调，因能效比不同，输入功率在700W～1000W之间。组装式半导体空调床采用12VDC安全电压配置、铝吸热板三重防过冷保护设计和铝吸热板防结露设计，安全性强，该技术方案材料成本低（仅￥160.00左右），运行能耗低（仅45W左右），10小时耗电≤0.5KW·h，是一种静音、健康、节能、舒适的全新风房间空调技术方案，一种利用成熟技术的集成创新技术方案。

组装式半导体空调床零部件汇总

组装式半导体空调床零部件汇总及总价见下表3。

组装式半导体空调床材料成本仅￥160.00左右，运行能耗仅45W左右。

表3组装式半导体空调床零部件汇总表

附图说明

图1为冷面向上的水平板与空气自然对流换热的流动图像。1－冷面（铝吸热板），2－水平板（床板）。组装式半导体空调床上的铝吸热板（蓄冷板）与此相仿，铝吸热板（蓄冷板）上的自然对流传热会产生空气滞止和空气环流现象，进而形成全新风房间局部空调环境。因此，图1是组装式半导体空调床的原理图。

图2是TEC半导体制冷片主电路图。100－直流稳压电源（12VDC,3.2A）， 200－主开关，300－双金属片温度控制器（常闭，70℃断电），400－TEC半导体制冷片（2片串联），500－电子温度控制器（26℃～28℃）。两片TEC1-12706半导体制冷片400同方向迭加串联后接入由12VDC稳压电源100供电的主电路中。电子温度控制器500设定温度为26℃～28℃，热敏电阻温度传感器安装在铝吸热板小开孔中并固定好，用以控制铝吸热板温度。双金属片温度控制器300（常闭，70℃断电）紧贴TEC半导体制冷片热端安装，当散热器过热时（≥70℃），切断主电路，以防TEC半导体制冷片冷、热两端温差过大而烧坏TEC半导体制冷片。

图3是组装式半导体空调床的总装图。1－TEC半导体制冷组件，2－竹席，3－铝吸热板（1000×800×2mm），4－床板，5－墙，6－蚊帐支架，7－小减振弹簧，8－静音微风吊扇（300rpm,9W），9－地板，10－床（2×1.5×0.3m），11－固定螺钉，12－热敏电阻温度传感器（30×5mm），13－枕头。TEC半导体制冷组件1安装在床板4靠近床尾处，以利于散热器散热。铝吸热板3通过螺钉11固定在床板4上。如果床下四周封闭，应按说明书附图3开进气孔和出气孔（φ30×5×2）。因为开窗透气，38.4W～57.6W的散热量对房间空气温度影响不大。人体双脚温度较低，对少量热气不敏感，不影响人体的热舒适。热敏电阻温度传感器12安装在铝吸热板3小开孔中并固定好，用以控制铝吸热板温度。静音微风吊扇8作辅助用。

图4是TEC半导体制冷组件组装图，而且图4是沿图3中B－B线的剖视图。2－竹席（δ＝2mm），3－铝吸热板（δ＝2mm），14－蓄冷铜块（δ＝20mm），4－床板（δ＝8mm），15－TEC固定盒子，400－TEC半导体制冷片（TEC1－12706,40×40×3.8mm,2片串接），16－L型铝热桥（δ＝2mm），17－开缝平行翅片铝型材散热器（81×74×32mm，翅片厚1mm,2个），11－固定螺钉（1×4个），300－双金属片温度控制器（18×10×2mm）（常闭，70℃断电）。两片TEC1-12706半导体制冷片串接后同方向迭加安装TEC固定盒15中，在床板4上开40×40mm的方孔，铜蓄冷块14放入方孔中，再安装铝吸热板（蓄冷板）3，铝吸热板3通过螺钉固定在床板4上。L型铝热桥16起连接TEC半导体制冷片热端与开缝平行翅片铝型材散热器17的作用。TEC固定盒15底部同一侧开两个小孔（φ4×2），作为TEC1-12706半导体制冷片的接线孔。双金属片温控器300紧贴在L型铝热桥16上安装，当散热器（TEC热端）过热时（≥70℃），切断主电路，以防TEC半导体制冷片冷、热两端温差过大而烧坏TEC半导体制冷片。

具体实施方式

改善传热措施

为有效降低接触热阻，在安装TEC制冷片、铜蓄冷块、铝吸热板、L型铝热桥以及开缝平行翅片铝型材散热器时，凡存在接触热阻的地方，必须清理干净并涂上导热硅脂，以改善传热。

TEC半导体制冷组件的组装

按照说明书附图4和说明书附图2进行TEC半导体制冷组件的安装。

（1）按照说明书附图3在床板上开40×40的方孔。

（2）按照说明书附图4，将开缝平行翅片铝型材散热器基板和双金属片温控器涂上导热硅脂，通过小螺栓固定在L型铝热桥上，再将L型铝热桥和TEC固定盒子通过螺钉安装在床板上。

（3）按照说明书附图4，将两片TEC1-12706半导体制冷片串接后，各自双面均涂上导热硅脂，同方向迭加安装TEC固定盒中，TEC半导体制冷片有字面接蓄冷块（冷端），TEC半导体制冷片无字面接L型铝热桥（热端）。

（4）按照说明书附图4，将铜蓄冷块上下两面涂上导热硅脂放入方孔中，再按照说明书附图3安装铝吸热板（蓄冷板），铝吸热板通过螺钉固定在床板上。必须保证铝吸热板与铜蓄冷块、铜蓄冷块与TEC半导体制冷片冷端（TEC半导体制冷片有字面）的良好接触。

（5）用704硅胶对TEC固定盒子四周进行密封处理，防潮防湿，以提高使用寿命。

组装式半导体空调床的安装

（1）按照说明书附图3在床上安装 TEC半导体制冷组件。

（2）按照说明书附图3在床板上开小孔（φ5mm×1），并在铝吸热板上开小方孔（30×5mm）,安装热敏电阻温度传感器。

（3）按照说明书附图3安装静音微风吊扇。

（4）如果床下四周封闭，应按说明书附图3开进气孔和出气孔（φ30×5×2）。

TEC半导体制冷片主电路的连接

按照说明书附图2连接TEC半导体制冷片主电路。

（1）将两片TEC1-12706半导体制冷片串接后，按照说明书附图2接入主电路。注意红线接正极，黑线接负极。

（2）将电子温控器按照说明书附图2接入主电路中，热敏电阻温度传感器按照说明书附图3固定在铝吸热板的小孔中。

（3）将双金属片温控器按照说明书附图2接入主电路中，双金属片温控器按照说明书附图4紧贴安装在L形铝热桥上。

（4）对照说明书附图2检查各个TEC制冷组件是否连接正确。

（5）通电检验制冷效果和散热器散热效果。

Claims

1.一种组装式半导体空调床，包括床(10)、铝吸热板(3)、TEC半导体制冷组件(1)及其控制电路、静音微风吊扇(8)；TEC半导体制冷组件包括2块串接的TEC1-12706半导体制冷片(400)、蓄冷铜块(14)、铝吸热板(3)、L型铝热桥(16)和开缝平行翅片铝型材散热器(17)；其特征在于铝吸热板(3)和TEC半导体制冷组件(1)直接安装在床板(4)上下两侧；床板(4)上开方孔，蓄冷铜块(14)安装于床板(4)方孔内，TEC半导体制冷片(400)安装于蓄冷铜块(14)下方，蓄冷铜块(14)下方接TEC半导体制冷片(400)冷端，TEC半导体制冷片(400)热端散热采用L型热桥(16)加开缝平行翅片铝型材散热器(17)竖直布置的优化自然对流方案，L型热桥(16)连接TEC半导体制冷片(400)热端与散热器(17)翅片，通过L型热桥(16)将热面向下的自然对流换热转化为竖直热面的自然对流换热；床下四周封闭，空气由床头底部的开孔进入，与散热器(17)换热后，热空气从床尾的床板上的开孔流出，以实现散热器(17)与空气的自然对流换热；热敏电阻温度传感器(12)安装在铝吸热板(3)小孔内，用以检测并通过电子温度控制器(500)控制铝吸热板(3)温度；TEC半导体制冷片(400)热端采用防过热保护设计，采用双金属片温度控制器(300)紧贴安装在TEC半导体制冷片(400)热端或L型热桥(16)上，以控制TEC半导体制冷片(400)，以防止其热端过热。