CN104534781B - 冷端换热装置及半导体制冷冰箱 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种冷端换热装置及半导体制冷冰箱。其中该冷端换热装置包括：冷端换热部，限定有用于容装气液两相共存的制冷剂的内腔或管道；和多根制冷剂管路，每根制冷剂管路具有：在一竖直平面中向下弯折延伸且末端封闭的蒸发段，和从蒸发段的起始端向上弯折延伸并连通至内腔或管道的连接段；而且多根制冷剂管路中至少部分制冷剂管路的蒸发段布置于相互垂直的两个竖直平面中。此外，本发明还提供了一种具有该冷端换热装置的半导体制冷冰箱。由于至少部分制冷剂管路的蒸发段布置于相互垂直的两个竖直平面中，可使内胆的至少一个侧壁和后壁与制冷剂管路的蒸发段进行热交换，显著提高了冷端换热装置的散冷效率和提高了半导体制冷冰箱的能效。
Description
技术领域
本发明涉及制冷设备，特别是涉及一种冷端换热装置及具有该冷端换热装置的半导体制冷冰箱。
背景技术
半导体制冷冰箱，也称之为热电冰箱。其利用半导体制冷片通过高效环形双层热管散热及传导技术和自动变压变流控制技术实现制冷，无需制冷工质和机械运动部件，解决了介质污染和机械振动等传统机械制冷冰箱的应用问题。
然而，半导体制冷冰箱需要有效地将半导体制冷片冷端的温度传导至冰箱储物间室内，现有技术一般采用散热片强制对流，散热片通过与半导体制冷片冷端直接接触，并与储物间室进行热交换，这种固体之间的导热换热效率低，不利于半导体最佳性能的发挥，而且散热翅片体积较大，占用冰箱空间，配合风扇后，会引起噪音增加，且风扇连续工作，可靠性较差。
发明内容
本发明第一方面的一个目的是要提供一种换热效率高、占用空间小的冷端换热装置。
本发明第一方面的一个进一步的目的是要尽量提高冷端换热装置的有效蒸发面积。
本发明第一方面的另一个进一步的目的是要使得冷端换热装置生产及装配工艺简单、与冰箱本体配合可靠稳定。
本发明第二方面的一个目的是要提供一种具有上述冷端换热装置的半导体制冷冰箱。
根据本发明第一方面，本发明提供了一种用于半导体制冷冰箱的冷端换热装置。该冷端换热装置包括：冷端换热部，限定有用于容装气液两相共存的制冷剂的内腔或管道，且配置成允许制冷剂在其内流动并发生相变换热；和多根制冷剂管路，配置成允许制冷剂在其内流动且发生相变换热，每根所述制冷剂管路具有：在一竖直平面中向下弯折延伸且末端封闭的蒸发段，和从所述蒸发段的起始端向上弯折延伸并连通至所述内腔或管道的连接段。特别地，所述多根制冷剂管路中至少部分制冷剂管路的蒸发段布置于相互垂直的两个竖直平面中。
可选地，所述冷端换热部为扁平长方体状，其相对设置的前表面与后表面的面积大于其他表面的面积，且所述冷端换热部的后表面用作与冷源热连接的换热面。
可选地，所述两个竖直平面包括与所述冷端换热部的后表面垂直的第一平面和与所述冷端换热部的后表面平行的第二平面。
可选地，所述多根制冷剂管路中部分制冷剂管路的蒸发段布置于与所述第一平面平行的第三平面中。
可选地，其蒸发段布置于所述第二平面中的每根制冷剂管路的蒸发段位于所述第一平面和所述第三平面之间；
其蒸发段布置于所述第一平面中的每根制冷剂管路的蒸发段和其蒸发段布置于所述第三平面中的每根制冷剂管路的蒸发段均位于所述第二平面的一侧。
可选地，其蒸发段布置于所述第二平面中的制冷剂管路的数量为两根，关于一竖向几何对称面对称设置。
可选地，其蒸发段布置于所述第一平面中的制冷剂管路和其蒸发段布置于所述第三平面中的制冷剂管路的数量均为一根，并关于所述竖向几何对称面对称设置。
可选地，其蒸发段布置于所述第二平面中的每根制冷剂管路的蒸发段在水平面上的投影长度小于所述半导体制冷冰箱的内胆后壁宽度的1/2且大于所述内胆后壁宽度的1/4；
其蒸发段布置于所述第一平面中的制冷剂管路的蒸发段和其蒸发段布置于所述第三平面中的制冷剂管路的蒸发段在水平面上的投影长度均小于所述半导体制冷冰箱的内胆侧壁宽度且大于所述内胆侧壁宽度的1/2。
可选地，每根所述制冷剂管路的蒸发段包括：
多个直管区段，沿竖直方向间隔地设置，每个所述直管区段以相对于水平面呈10°至70°的角度倾斜设置；和
弯折区段，连接每两个相邻所述直管区段。
可选地，所述冷端换热装置进一步包括：多个固位钢丝，沿竖直方向设置；而且每根所述制冷剂管路同侧的各个弯折区段的外顶点处管壁均焊接于一个所述固位钢丝。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种半导体制冷冰箱。该半导体制冷冰箱包括：内胆，其内限定有储物间室；半导体制冷片，设置于所述内胆的后方；和上述任一种冷端换热装置，其被安装成使其冷端换热部的后表面与所述半导体制冷片的冷端热连接，而且使其每根制冷剂管路的蒸发段与所述内胆的外表面贴靠，以将来自所述冷端的冷量传至所述储物间室。
本发明的冷端换热装置及半导体制冷冰箱中，至少部分制冷剂管路的蒸发段布置于相互垂直的两个竖直平面中，显著提高了冷端换热装置的有效蒸发面积，可使内胆的至少一个侧壁和后壁与制冷剂管路的蒸发段进行热交换，显著提高了冷端换热装置的散冷效率和提高了半导体制冷冰箱的能效；且充分利用冰箱结构，占用空间小。
进一步地，本发明的冷端换热装置及半导体制冷冰箱中制冷剂管路一端连通至冷端换热部，并倾斜向下弯折延伸，利用制冷剂在冷端换热部和多根制冷剂管路中相变循环换热，有效地传导半导体制冷片的冷端温度，而且利用多根相互独立的制冷剂管路，加工工艺更加简便，有助于与冰箱结构的配合。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的冷端换热装置的示意性后视图；
图2是根据本发明一个实施例的冷端换热装置的示意性右视图；
图3是图1中A处的示意性局部放大图；
图4是根据本发明一个实施例的半导体制冷冰箱的局部结构的示意性后视图；
图5是根据本发明一个实施例的半导体制冷冰箱的局部结构的示意性右视图；
图6是根据本发明一个实施例的半导体制冷冰箱的局部结构的示意性主视图；
图7是根据本发明一个实施例的半导体制冷冰箱的局部结构的示意性剖视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1是根据本发明一个实施例的冷端换热装置200的示意性后视图。如图1所示，并参考图2和图3，本发明实施例提供了一种用于半导体制冷冰箱的冷端换热装置200，其可包括冷端换热部10和多根制冷剂管路20。具体地，冷端换热部10限定有用于容装气液两相共存的制冷剂的内腔或管道，且配置成允许制冷剂在其内流动并发生相变换热。多根制冷剂管路20配置成允许制冷剂在其内流动且发生相变换热。每根制冷剂管路20具有：在一竖直平面中向下弯折延伸且末端封闭的蒸发段21，和从蒸发段21的起始端向上弯折延伸并连通至内腔或管道的连接段22。也就是说，每根制冷剂管路20的形成为开口端的第一端连通至内腔或管道的下部，每根制冷剂管路20从其第一端倾斜向下地弯折延伸，终结于其形成为封闭端的第二端。特别地，多根制冷剂管路20中至少部分制冷剂管路20的蒸发段21布置于相互垂直的两个竖直平面中，可使内胆100的至少一个侧壁和后壁与制冷剂管路20的蒸发段21进行热交换，显著提高了冷端换热装置200的散冷效率和提高了半导体制冷冰箱的能效；且充分利用冰箱结构，占用空间小。
在本发明的一些实施例中，冷端换热部10和制冷剂管路20中灌注的制冷剂可以为二氧化碳或其他制冷工质，且制冷剂的灌注量可以由通过试验测试得出。每根制冷剂管路20向下地弯折延伸的结构需要保证液态的制冷剂可以依靠重力自由的在管路中流动。本实施例的冷端换热装置200工作时，制冷剂在冷端换热部10和制冷剂管路20中进行气液相变，进行热循环。
冷端换热装置200的冷端换热部10可为扁平长方体状，该冷端换热部10的相对设置的前表面与后表面的面积大于其他表面的面积，且冷端换热部10的后表面用作与冷源(例如半导体制冷片的冷端)热连接的换热面，热连接的方式可以包括该外表面直接与该冷源接触贴靠或者通过导热层接触，其中导热层可以为涂覆于外表面和冷源之间的导热硅胶或石墨等。本实施例中的“热连接”或“热接触”，本可以是是直接抵靠接触，采用热传导的方式进行传热。若抵靠接触面涂覆导热硅脂(石墨或其他介质)，可将其认为是抵靠接触面上的一部分，作为改善热连接(或热接触)的导热层。
多根制冷剂管路20中至少部分制冷剂管路20的蒸发段21布置于相互垂直的两个竖直平面中，其中，所述两个竖直平面包括与冷端换热部10的后表面垂直的第一平面和与冷端换热部10的后表面平行的第二平面，以使内胆100的至少一个侧壁和后壁与制冷剂管路20的蒸发段21进行热交换。
本发明实施例的冷端换热装置200应用到半导体制冷冰箱时，冷端换热装置200的冷端换热部10可设置在内胆100后壁与外壳后背310之间。例如，冷端换热部10的前表面与内胆100的后壁之间可以优选设置一定的距离，以保证在停电或运行故障时热量不会传导至内胆100，引起温度异常。冷端换热部10的后表面与半导体制冷片的冷端贴靠，且每根制冷剂管路20的蒸发段21与内胆100的外表面贴靠。该半导体制冷冰箱的工作过程为：半导体制冷片通电工作时，冷端温度下降，通过传导，冷端换热部10温度相应下降，其内气态的制冷剂遇冷时发生相变冷凝，变化成为低温的液态制冷剂，液态的制冷剂会靠重力沿着制冷剂管路20管腔下流，冷凝下流的制冷剂在制冷剂管路20中由于吸收冰箱内部的热量受热相变蒸发，变化成为气态。气态蒸汽在热源压力的推动下会上升，气态制冷剂上升到冷端换热部10处继续冷凝，由此循环制冷，致使导致储物间室的温度下降实现降温。
在本发明的一些实施例中，多根制冷剂管路20中部分制冷剂管路20的蒸发段21布置于与第一平面平行的第三平面中，以使内胆100的两个侧壁和后壁分别与相应制冷剂管路20的蒸发段21进行热交换。具体地，其蒸发段21布置于第二平面中的每根制冷剂管路20的蒸发段21位于第一平面和第三平面之间。其蒸发段21布置于第一平面中的每根制冷剂管路20的蒸发段21和其蒸发段21布置于第三平面中的每根制冷剂管路20的蒸发段21均位于第二平面的一侧。
为了保证半导体制冷冰箱内胆100内部受冷较均匀，其蒸发段21布置于第二平面中的制冷剂管路20的数量为两根，关于一竖向几何对称面对称设置。其蒸发段21布置于第一平面中的制冷剂管路20和其蒸发段21布置于第三平面中的制冷剂管路20的数量均为一根，并关于该竖向几何对称面对称设置，该竖向几何对称面可以为内胆100的竖向对称面。进一步地，其蒸发段21布置于第二平面中的每根制冷剂管路20的蒸发段21在水平面上的投影长度小于半导体制冷冰箱的内胆100后壁宽度的1/2且大于内胆100后壁宽度的1/4，以使该两根制冷剂管路20的蒸发段21分别与内胆100后壁外表面的左半部分和右半部分热连接。其蒸发段21布置于第一平面中的制冷剂管路20的蒸发段21和其蒸发段21布置于第三平面中的制冷剂管路20的蒸发段21在水平面上的投影长度均小于半导体制冷冰箱的内胆100侧壁宽度且大于内胆100侧壁宽度的1/2，以使该两根制冷剂管路20的蒸发段21分别与内胆100的两个侧壁外表面热连接。
为了更好地使每个蒸发段21的冷量传递至冰箱内胆100，每根制冷剂管路20的蒸发段21与内胆100的外表面热连接是通过每个根制冷剂管路20的蒸发段21分别贴靠于内胆100的后壁和两个侧壁外表面实现的。在本发明的一些替代性实施例中，每个蒸发段21可贴靠于一个相应导热平板上，导热平板在与内胆100的后壁和两个侧壁贴靠，以使冰箱内胆100内受冷更加均匀。
在本发明的一些实施例中，每个制冷剂管路20可以选用铜管、不锈钢管、铝管等，优选为铜管。如图3所示，其蒸发段21与内胆100的侧壁热连接的制冷剂管路20的连接段22可包括第一区段221和第二区段222，其中第一区段221与冷端换热部10的内腔或管道连通且延伸至冷端换热部10外部，第二区段222与第一区段221连接且在与内胆100的后壁上横向地且倾斜向下地延伸后，并向前且倾斜向下地弯折至内胆100侧壁以连接相应的制冷剂管路20的蒸发段21。其蒸发段21与内胆100的后壁热连接的制冷剂管路20的连接段22可仅包括第一区段221。
每根制冷剂管路20的蒸发段21可包括多个竖向间隔设置的直管区段211和连接每两个相邻直管区段211的弯折区段212，其中每个直管区段211以相对于水平面呈10°至70°的角度倾斜设置以保证液态制冷剂在其内依靠重力自由流动，而弯折区段212优选设置为“C”字形，或为弧形管段，从而使得蒸发段21总体上呈现一种倾斜的“Z”字形结构。
为了防止每根制冷剂管路20的蒸发段21发生变形，以保证每根制冷剂管路20内制冷剂有效地流动和进行热交换，本发明实施例的半导体制冷冰箱还包括多个固位钢丝50。每个固位钢丝50沿竖直方向设置。每根制冷剂管路20同侧的各个弯折区段212的外顶点处(也可称为顶凸处)管壁均焊接于一个相应固位钢丝50。具体地，两个固位钢丝50可分别固定于一个相应制冷剂管路20的蒸发段21的两侧，且每个固位钢丝50在沿其长度的不同部位处依次固定于相应蒸发段21的相应侧的各个弯折区段212的顶凸处。进一步地，每根制冷剂管路20的其它与相应固位钢丝50接触的部分均可焊接于该固位钢丝50。
在本发明实施例中，如图3所示，冷端换热装置200的冷端换热部10可为换热铜块，其内部设置有四个沿竖直方向延伸的阶梯盲孔11和连通每个阶梯盲孔11上部的水平管孔12，以形成冷端换热部10内部的管道。每根制冷剂管路20的上端可插接于相应阶梯盲孔11内。冷端换热装置200还包括一根制冷剂灌注管30，其一端与相应水平管孔12连通，另一端为配置成可操作地打开以接收从外部注入的制冷剂的常闭端，以向每根制冷剂管路20内灌注制冷剂。
在本发明的一些替代性实施例中，冷端换热装置200的冷端换热部10可为冷端换热箱，其内限定有用于容装气液两相共存的制冷剂的内腔，且配置成允许制冷剂在其内发生相变换热。每根制冷剂管路20的连接段22连通至内腔的下部。冷端换热装置200还可以设置三通装置用于制冷剂的灌注。该三通装置设置于一根制冷剂管路20的连接段22上，其第一端和第二端用于连通连接段22的相应两区段，第三端为配置成可操作地打开以接收从外部注入的制冷剂的常闭端。利用三通装置降低了灌注制冷剂工艺的难度，并为维修提供了手段。
本发明实施例还提供了一种半导体制冷冰箱。如图4和图5所示，该半导体制冷冰箱可包括：内胆100、半导体制冷片、上述任一实施例中的冷端换热装置200等。内胆100内限定有储物间室。半导体制冷片可设置于内胆100的后方。具体地，冷端换热装置200可被安装成：使其冷端换热部10的后表面与半导体制冷片的冷端热连接，而且使其每根制冷剂管路20的蒸发段21与内胆100的外表面贴靠，以将来自冷端的冷量传至储物间室。
该半导体制冷冰箱的箱体结构一般也还包括：外壳、门体500以及绝热层。冰箱外壳一般存在两种结构，一种是拼装式、即由顶盖、后背310、左右侧板320、下底板等拼装成一个完整的箱体。另一种是整体式，即将顶盖与左右侧板320按要求辊轧成一倒“U”字形，称为U壳，在与外壳后背310、下底板点焊成箱体。本发明实施例的半导体制冷冰箱优选使用整体式外壳，即外壳包括有U壳和后背310，其中U壳设置于内胆100的侧壁和顶壁的外侧，外壳的后背310与内胆100的后壁限定有安装空间。半导体制冷片和冷端换热装置200可以选择布置于内胆100的后壁外侧与外壳后背310限定的安装空间内，而且冷端换热部10的前表面与内胆100的后壁相对。冷端换热部10的前表面与内胆100的后壁之间可以优选设置一定的距离，以保证在停电或运行故障时热端的热量不会传导至内胆100，引起温度异常。
为解决半导体制冷片热端的散热问题，本实施例的半导体制冷冰箱还可以包括：热端换热装置400，与半导体制冷片的热端热连接，用于将热端产生的热量散发至周围环境。如图6和图7所示，该热端换热装置400包括：热端换热部和散热管路420。热端换热部限定有用于容装气液两相共存的制冷剂的内腔，且配置成允许制冷剂在其内发生相变换热。散热管路420配置成允许制冷剂在其内流动且发生相变换热，而且每根散热管路420的形成为开口端的第一端连通至热端换热部的内腔的上部，每根散热管路420的从其第一端倾斜向上地弯折延伸，终结于其形成为封闭端的第二端。散热管路420的部分管段可以贴靠在冰箱的外壳内表面上，例如部分散热管路420的部分管段贴靠于外壳的后背310的内表面，其余部分散热管路420的部分管段贴靠于外壳的两个侧板320的内表面，利用外壳将热量散发至周边环境。热端换热部内部灌注制冷剂可以为水或其他制冷剂，其状态为气液两相共存状态，半导体制冷片通电工作时，其热端温度升高。半导体制冷片的热端与热端换热部进行热交换，热端换热部形成蒸发器，变化为气态，气态的制冷剂会在热源压力下沿着制冷剂管路20上升，将热量传递给冰箱外壳，然后通过自然对流将热量传递给外部空间，散热管路420形成冷凝器，制冷剂冷凝放热后成为液态，依靠重力回流至热端换热部，重新吸收热端热量进行蒸发，形成热循环。
使用该热端换热装置400与以上实施例介绍的冷端换热装置200进行装配时，其结构可以为：半导体制冷片布置在冰箱内胆100的后壁与冰箱外壳后背310之间的空间内，冷端换热装置200的冷端换热部的后壁与半导体制冷片的冷端热连接，制冷剂管路20贴靠在冰箱内胆100上，用于对储物内腔制冷。半导体制冷片的热端通过一个竖直向下设置的热桥装置将热端的热量传导到较低的位置，热桥装置的上端与半导体制冷片的热端连接，热端换热装置400的热端换热部可以通过热桥装置的下端与半导体制冷片的热端热连接，从而为散热管路420提供了更大的向上延伸的空间。在本发明的一些替代性实施例中，本领域的技术人员也可采用其它形式的热端换热装置400，例如，采用包括热管、翅片和风机的热端换热装置400。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (11)
1.一种用于半导体制冷冰箱的冷端换热装置，包括：
冷端换热部，限定有用于容装气液两相共存的制冷剂的内腔或管道，且配置成允许制冷剂在其内流动并发生相变换热；和
多根制冷剂管路，配置成允许制冷剂在其内流动且发生相变换热，每根所述制冷剂管路具有：在一竖直平面中向下弯折延伸且末端封闭的蒸发段，和从所述蒸发段的起始端向上弯折延伸并连通至所述内腔或管道的连接段；而且
所述多根制冷剂管路中至少部分制冷剂管路的蒸发段布置于相互垂直的两个竖直平面中。
2.根据权利要求1所述的冷端换热装置，其中
所述冷端换热部为扁平长方体状，其相对设置的前表面与后表面的面积大于其他表面的面积，且所述冷端换热部的后表面用作与冷源热连接的换热面。
3.根据权利要求2所述的冷端换热装置，其中
所述两个竖直平面包括与所述冷端换热部的后表面垂直的第一平面和与所述冷端换热部的后表面平行的第二平面。
4.根据权利要求3所述的冷端换热装置，其中
所述多根制冷剂管路中部分制冷剂管路的蒸发段布置于与所述第一平面平行的第三平面中。
5.根据权利要求4所述的冷端换热装置，其中
其蒸发段布置于所述第二平面中的每根制冷剂管路的蒸发段位于所述第一平面和所述第三平面之间；
其蒸发段布置于所述第一平面中的每根制冷剂管路的蒸发段和其蒸发段布置于所述第三平面中的每根制冷剂管路的蒸发段均位于所述第二平面的一侧。
6.根据权利要求5所述的冷端换热装置，其中
其蒸发段布置于所述第二平面中的制冷剂管路的数量为两根，关于一竖向几何对称面对称设置。
7.根据权利要求6所述的冷端换热装置，其中
其蒸发段布置于所述第一平面中的制冷剂管路和其蒸发段布置于所述第三平面中的制冷剂管路的数量均为一根，且
其蒸发段布置于所述第一平面中的制冷剂管路和其蒸发段布置于所述第三平面中的制冷剂管路关于所述竖向几何对称面对称设置。
8.根据权利要求7所述的冷端换热装置，其中
其蒸发段布置于所述第二平面中的每根制冷剂管路的蒸发段在水平面上的投影长度小于所述半导体制冷冰箱的内胆后壁宽度的1/2且大于所述内胆后壁宽度的1/4；
其蒸发段布置于所述第一平面中的制冷剂管路的蒸发段和其蒸发段布置于所述第三平面中的制冷剂管路的蒸发段在水平面上的投影长度均小于所述半导体制冷冰箱的内胆侧壁宽度且大于所述内胆侧壁宽度的1/2。
9.根据权利要求1所述的冷端换热装置，其中
每根所述制冷剂管路的蒸发段包括：
多个直管区段，沿竖直方向间隔地设置，每个所述直管区段以相对于水平面呈10°至70°的角度倾斜设置；和
弯折区段，连接每两个相邻所述直管区段。
10.根据权利要求9所述的冷端换热装置，进一步包括：
多个固位钢丝，沿竖直方向设置；而且
每根所述制冷剂管路同侧的各个弯折区段的外顶点处管壁均焊接于一个所述固位钢丝。
11.一种半导体制冷冰箱，包括：
内胆，其内限定有储物间室；
半导体制冷片，设置于所述内胆的后方；和
根据权利要求1至10中任一项所述的冷端换热装置，其被安装成使其冷端换热部的后表面与所述半导体制冷片的冷端热连接，而且使其每根制冷剂管路的蒸发段与所述内胆的外表面贴靠，以将来自所述冷端的冷量传至所述储物间室。
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