CN106196706B - 半导体覆叠低温能量存储制冷装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置及其工作方法，包括按制冷介质流程依次连通的压缩机、热端能储换热器、储液器、节流阀、冷端能储换热器，所述冷、热端能储换热器各包括至少一组箱式或壳‑盘管式冷端蒸发器、热端冷凝器，所述冷端蒸发器、热端冷凝器至少一个散热平面贴合有半导体制冷片，半导体制冷片另一面的外部设置有盛有储能介质的冷、热端介质腔，所述介质腔中分别设有冷、热端介质温度探头，所述冷端能储换热器出口与压缩机之间设有温度探头和压力探头。本发明提高了系统内部稳定性和换热效率，相应降低能耗比。能储介质可使制冷剂运行条件相对稳定，能储装置配置灵活，可根据系统大小，进行组合。

Description

半导体覆叠低温能量存储制冷装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置及其工作方法。尤其涉及一种半导体制冷与传统制冷系统的覆叠，解决在制冷过程能耗损失，以及低温时制冷效率下降的问题，并可把过程中产生的热量进行利用，减少环境的负担。

背景技术

传统制冷系统包含四大部件，压缩机、冷凝器、节流阀(膨胀阀)、蒸发器，形成的一个内循环系统，压缩机把低温底压气态的制冷剂通过压缩，变成高压高温的气态制冷剂。通过冷凝器，变成高压低温的液态制冷剂；经过节流阀节流，制冷剂从液态变成气态，从而带走大量的热量；制冷剂在蒸发器蒸发，带走热量。

冷凝器，采用风冷形式或水冷形式，把高温的制冷剂降成低温，这个过程把大量的热量散出；而在散出热量的换热过程，环境温度、换热面积等因素，都会对换热效率形成很大的影响，当需要冷量一定时，回到压缩机就可能造成过剩或者不足。而为了散走这些热量，又增加了另一种能耗，例如风机、冷却塔等。

膨胀阀，负责调整一部分过剩或者不足。机械式膨胀阀有一定的调节范围，并且有一定的延时，超过调节范围，就会作用到压缩机上，造成系统的损坏。而现有电子膨胀阀技术，其控制过程极其复杂，需要一个电气传感器回路，并根据不同制冷剂需要不同的算法。

蒸发器换热条件的变化，能量过剩或者不足，都会造成压缩机的烧坏或者液击，膨胀阀的滞后调整，对压缩机寿命有很大的影响，并且对能耗也产生很大的浪费。

如上所述传统制冷系统，通过压缩机以及制冷剂把环境或介质中的冷量和热量剥离开来，再通过散热系统，把分离出来和累积下的热量排出，此过程完全把热量浪费掉，而且配套的散热系统同样耗费了大量的能耗，也是造成制冷空调能耗极高的原因之一，同时对环境形成了极大的破坏。城市的热岛效应，就是典型的空调对环境的极大的影响导致。

同时受制制冷剂及压缩机的特点，随着温度越低，其能量损失越大，制冷剂的蒸发温度，换热效率，压缩机的排气能量等条件和效率都相应下降，造成了更大的损耗，也就出现温度越低，效率越低，并且能耗越大的现象。

传统制冷系统冷凝器大多数采用风冷形式进行冷却，为了提高换热效率，通过列管及散热片形式增加换热面积。影响换热效率的两个关键因素，换热面积及温差，风冷形式受限与外部环境温度，因此在环境温度差异大时，对制冷系统所能产生的制冷量有极大的差异，也造成了对制冷系统很多不稳定的因素，若超出膨胀阀的调节范围，很有可能就造成高能耗或者损坏压缩机的情况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置及其工作方法，半导体制冷片(波尔贴)与压缩机相结合的能储装置，能够提高换热及制冷效率，保证系统的高效及稳定，利用存储媒介介质，不但起到冷热量存储平衡作用，并且减少了外部条件波动对系统造成的影响。

本发明要解决的技术问题的技术方案是：

半导体覆叠低温能量存储制冷装置，包括按制冷介质流程依次连通的压缩机、热端能储换热器、储液器、节流阀、冷端能储换热器，所述热端能储换热器包括至少一组箱式或壳-盘管式热端冷凝器，所述热端冷凝器至少一个散热平面贴合有半导体制冷片，半导体制冷片与热端冷凝器不接触的一面的外部设置有盛有储能介质的热端介质腔，所述热端介质腔中设有热端介质温度探头；所述冷端能储换热器包括至少一组箱式或壳-盘管式冷端蒸发器，所述冷端蒸发器至少一个散热平面贴合有半导体制冷片，半导体制冷片与冷端蒸发器不接触的一面的外部设置有盛有储能介质的冷端介质腔，所述冷端介质腔设有冷端介质温度探头，所述冷端能储换热器出口与压缩机之间设有冷端制冷剂温度探头和冷端制冷剂压力探头，所述热端介质温度探头、冷端介质温度探头、冷端制冷剂温度探头和冷端制冷剂压力探头、半导体制冷片分别与控制装置电性连接。

优选的，所述箱式或壳-盘管式热端冷凝器的两个散热平面分别贴合有半导体制冷片，两个半导体制冷片与热端冷凝器不接触的一面的外部设置有两个盛有储能介质的热端介质腔。

优选的，所述两个盛有储能介质的热端介质腔通过管路进行连接。

优选的，所述热端冷凝器为两组或三组或四组，多组热端冷凝器的制冷介质进口与压缩机出口并接，多组热端冷凝器的制冷介质出口并接后与储液器的进口连接。

优选的，所述箱式或壳-盘管式冷端蒸发器的两个散热平面分别贴合有半导体制冷片，两个半导体制冷片与冷端蒸发器不接触的一面的外部设置有两个盛有储能介质的冷端介质腔。

优选的，所述两个冷端介质腔通过管路进行连接。

优选的，所述热端介质腔为冷却腔体，可通风或冷却介质，当大量使用冷量，热量存储超出设定温度时，进行通风散热。

优选的，所述冷端蒸发器为两组或三组或四组，多组冷端蒸发器的制冷介质进口并接后与节流阀出口并接，或多组冷端蒸发器的制冷介质进口分别串接节流阀再并接后与储液器的出口连接；多组冷端蒸发器的制冷介质出口并接后与压缩机的进口连接。

本发明还公开了一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置的工作方法，能够包括如下几个工作步骤：

⑴、储能方法：

热端储能：

压缩机开启后，热端半导体制冷片向热端冷凝器内部制冷，向热端介质腔中的介质制热，热端介质腔中的介质热量可通过循环泵输送至其他地方使用；当热端介质温度探头探测到介质温度达到设定温度时，控制装置控制压缩机停止工作，制冷装置进行超温保护；

冷端储能：

冷端半导体制冷片向冷端蒸发器内部蒸发器制热，向冷端介质腔中的介质制冷，

制冷剂带走热量，介质存储冷量，当介质达到设定温度时，控制装置控制压缩机停机；

⑵、制冷及保护方法：

冷端制冷剂温度探头实时检测冷端蒸发器制冷剂出口温度数据和冷端制冷剂压力探头压力数据，通过制冷剂的压焓性质换算成温度数值，得出制冷剂的理论饱和温度，并与冷端介质温度探头所测得的温度数据进行对比，

若冷端介质温度探头所测得的温度数据比冷端制冷剂压力探头所测饱和理论值高，可判定此时制冷剂为过热状态，控制装置按比例降低冷端半导体制冷片的制冷开启度，即，降低冷端半导体制冷片的制冷量；

若冷端介质温度探头所测得的温度数据比冷端制冷剂压力探头所测饱和理论值低，可判定此时制冷剂为过冷状态，容易对压缩机造成液击情况，控制装置按比例调高冷端半导体制冷片的制冷开启度，即，增大冷端半导体制冷片的制冷量；

⑴、化霜储能方法：

由于冷端和热端介质是一样的，可通过热端能储换热器中的介质对冷端能储换热器进行化霜或者溶解，此过程为冷量回收存储过程；

优选的，通过把低温的储能换热器内部的介质循环至欲作用物件中，可实现迅速降温功能，为了快速提高降温及快速升温能力，可根据系统大小，对热端能储换热器和冷端能储换热器进行多组组合。

本发明的优异效果：

本发明，提出一种与半导体制冷片(波尔贴)与压缩机相结合的能储装置。在蒸发端使用时，可降低其制冷温度，并且提高了换热及制冷效率；在冷凝器端使用时，通过换热媒介存储热量，半导体制冷片(波尔贴)增加其换热效率，并且在能量存储过量时，快速散出，保证系统的高效及稳定。

由于制冷剂的气液态是非常不稳定，压焓变化转换很容易受到外部条件影响，所以对制冷系统稳定性有极大的影响。因此，存储媒介介质，不但起到存储平衡作用，并且减少了外部条件波动对系统造成的影响。

根据所需温度条件以及外部温度条件，对帕尔贴进行相应的覆叠，不但提高了系统内部稳定性，并且大大提高换热效率，相应降低能耗比。

具体如下：

1、半导体可根据不同的温度要求，进行多层覆叠，满足更高要求的工况，并且提高换热效率。

2、介质充当一种缓冲剂，比热容大，避免系统频繁启动。同时起到了缓冲剂的作用，制冷剂压焓变化极大，导致很多不可控的因素，能储介质可使制冷剂条件相对稳定。

3、提高制冷效率：

由于制冷剂蒸发温度有一定的限制，并且压缩机能力也有一定的限制，随着温度下降，其制冷效率迅速下降，半导体制冷片的覆叠使用可使其在额定工作范围内，保证整个系统的稳定效率。

4、能存装置配置灵活，可根据系统大小，进行组合，可多个组合一起。

5、快速降温及快速升温能力

通过把低温的储能换热器内部的介质循环至作用物件中，可实现迅速降温功能。

6、由于采用了半导体进行冷量调节，节流阀采用普通的节流阀或者毛细管即可，简化系统，降低安装和控制难度，同时降低了系统成本。

附图说明

此处所说明的附图用以提供对本发明的进一步理解，构成本发明申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明制冷循环的一种实施例的制冷循环流程图；

图2是本发明能储换热器的一种实施例的结构示意图。

图中；

1、压缩机，2热端能储换热器，3储液器，4、节流阀，5、冷端能储换热器，6、冷端制冷剂温度探头，7、冷端制冷剂压力探头，8、冷端介质温度探头，9、热端介质温度探头，101、固态继电器，102、固态继电器，

11、热端冷凝器，12a、冷端介质腔，12b、热端介质腔，13a、半导体制冷片，13b、半导体制冷片，14、冷端蒸发器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的技术内容，本领域的技术人员可由本说明书揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点和功效。本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同的观点和应用，在不违背本发明的精神下进行各种修饰和变更。

以下结合附图对本发明作进一步详细的说明。本发明的详细描述基于以上的示意图，不同的细节在不同的图中有所不同。

本发明的半导体覆叠低温能量存储制冷装置，包括传统上按制冷介质流程依次连通的压缩机1、热端能储换热器2、储液器3、节流阀4、冷端能储换热器5，上述几个部件构成制冷循环的基础。

参见图1，本发明创新的思路在于：所述热端能储换热器2包括至少一组箱式或壳-盘管式热端冷凝器11，所述热端冷凝器11至少一个散热平面贴合有半导体制冷片13b，半导体制冷片13b与热端冷凝器11不接触的一面的外部设置有盛有储能介质的热端介质腔12b，所述热端介质腔12b中设有热端介质温度探头9。

所述冷端能储换热器5包括至少一组箱式或壳-盘管式冷端蒸发器14，所述冷端蒸发器14至少一个散热平面贴合有半导体制冷片13a，半导体制冷片13a与冷端蒸发器14不接触的一面的外部设置有盛有储能介质的冷端介质腔12a，所述冷端介质腔12a设有冷端介质温度探头8，所述冷端能储换热器5出口与压缩机1之间设有冷端制冷剂温度探头6和冷端制冷剂压力探头7，所述热端介质温度探头9、冷端介质温度探头8、冷端制冷剂温度探头6和冷端制冷剂压力探头7、半导体制冷片13a、13b分别与控制装置电性连接。

所述冷端介质腔12a、热端介质腔12b中的储能介质为比热容大的硅油、乙二醇溶液等。中间介质的使用，作为缓冲、存储使用，并且在液态状态稳定，解决了制冷剂压焓变化复杂对系统的设计和安装要求高的问题，使得系统稳定并且简单。

由于介质比热容较大，在突然停电后，其冷量和热量的的存储，可应对一定时间的断电，因此其具有断电保护功能，亦即高度储能效果。

本发明利用半导体制冷片(波尔贴)欲压缩机相结合的能储装置，能够提高换热及制冷效率，保证系统的高效及稳定，通过把低温的储能换热器内部的介质循环至作用物件中，利用存储媒介介质，可实现迅速降温功能。不但起到冷热量存储平衡作用，并且减少了外部条件波动对系统造成的影响。

以上为基础，所述箱式或壳-盘管式热端冷凝器11的两个散热平面分别贴合有半导体制冷片13b，两个半导体制冷片13b与热端冷凝器11不接触的一面的外部设置有两个盛有储能介质的热端介质腔12b。可以提高制冷和制热效率。

所述两个盛有储能介质的热端介质腔12b通过管路进行连接，既可以在两个热端介质腔12b之间循环，也可以在热端介质腔12b之外循环。

根据所需温度条件以及外部温度条件，将帕尔贴与热端冷凝器11进行相应数量的覆叠，如：所述热端冷凝器11为两组或三组或四组，多组热端冷凝器11的制冷介质进口与压缩机1出口并接，多组热端冷凝器11的制冷介质出口并接后与储液器3的进口连接。这样，不但提高了系统内部稳定性，并且大大提高换热效率，相应降低能耗比。

同理，根据所需温度条件以及外部温度条件，将帕尔贴与冷端蒸发器14进行相应数量的覆叠，所述箱式或壳-盘管式冷端蒸发器14的两个散热平面分别贴合有半导体制冷片13a，两个半导体制冷片13a与冷端蒸发器14不接触的一面的外部设置有两个盛有储能介质的冷端介质腔12a。

所述两个盛有储能介质的冷端介质腔12a通过管路进行连接，既可以在两个冷端介质腔12a之间循环，也可以在冷端介质腔12a之外循环。

考虑到制冷量较大和散热不良的影响，所述热端介质腔12b为冷却腔体，可通风或冷却介质，当大量使用冷量，热量存储超出设定温度时，进行通风散热。由于系统换热效率高，因此风量减少，降低能耗，并且降低噪音。

对于更大制冷量的设计，所述冷端蒸发器14为两组或三组或四组，多组冷端蒸发器14的制冷介质进口并接后与节流阀4出口并接，或多组冷端蒸发器14的制冷介质进口分别串接节流阀4再并接后与储液器3的出口连接；多组冷端蒸发器14的制冷介质出口并接后与压缩机1的进口连接。

由于采用了半导体进行冷量调节，压缩机作为一个基础运行部件，因此，节流阀采用普通的节流阀或者毛细管即可，简化系统，降低安装和控制难度，同时降低了系统成本。

图1示出了利用固态继电器101、102对半导体制冷片13a、13b的开关控制，固态继电器与半导体制冷片，通过冷端温度传感器及冷端压力传感器形成一个闭环PID控制系统，实现对温度进行精确控制。

固态继电器与传统继电器对比，固态继电器响应快，运行无噪音，寿命长，能够适应温度、湿度、大气压力(海拔高度)、砂尘污染、化学气体和电磁干扰等要素影响中。固态继电器在控制大电流、大功率、控制动作濒繁的场合，寿命更长。固态继电器因其工作可靠，无触点、无火花、寿命长、无噪声，无电磁干扰，开关速度快，越来越受到欢迎。

基于以上所述的制冷循环构成，本发明还公开了一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置的工作方法，能够包括如下几个工作步骤：

⑴、储能方法：

热端储能：

压缩机1开启后，热端半导体制冷片向热端冷凝器11内部制冷，向热端介质腔12b中的介质制热，热端介质腔12b中的介质热量可通过循环泵输送至其他地方使用；当热端介质温度探头9探测到介质温度达到设定温度时，控制装置控制压缩机1停止工作，制冷装置进行超温保护。

冷端储能：

冷端半导体制冷片向冷端蒸发器14内部蒸发器制热，向冷端介质腔12a中的介质制冷，制冷剂带走热量，介质存储冷量，当介质达到设定温度时，控制装置控制压缩机1停机。半导体制冷片使用，提高了换热率，增加制冷效率，尤其在低温工况时。

⑵、制冷及保护方法：

冷端制冷剂温度探头6实时检测冷端蒸发器14制冷剂出口温度数据和冷端制冷剂压力探头7压力数据，通过制冷剂的压焓性质换算成温度数值，得出制冷剂的理论饱和温度，并与冷端介质温度探头8所测得的温度数据进行对比。

若冷端介质温度探头8所测得的温度数据比冷端制冷剂压力探头7所测饱和理论值高，可判定此时制冷剂为过热状态，控制装置按比例降低冷端半导体制冷片的制冷开启度，即，降低冷端半导体制冷片的制冷量。

若冷端介质温度探头8所测得的温度数据比冷端制冷剂压力探头7所测饱和理论值低，可判定此时制冷剂为过冷状态，容易对压缩机1造成液击情况，控制装置按比例调高冷端半导体制冷片的制冷开启度，即，增大冷端半导体制冷片的制冷量。

⑶、化霜储能方法：

由于冷端和热端介质是一样的，可通过热端能储换热器2中的介质对冷端能储换热器5进行化霜或者溶解，此过程为冷量回收存储过程。由于冷热端储能换热器使用同一种介质，可实现对能量的相互转换利用。

优选的，通过把低温的储能换热器内部的介质循环至欲作用物件中，可实现迅速降温功能，为了快速提高降温及快速升温能力，可根据系统大小，对热端能储换热器2和冷端能储换热器5进行多组组合。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法，相关之处参见实施例部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

虽然本专利已参照较佳的实施例及附图予以说明，然而上述的说明应视为举例性而非限制性，熟悉此项技术者根据本发明的精神所做的变化及修改，均应属于本专利的保护范围。

Claims (10)

1.半导体覆叠低温能量存储制冷装置，其特征在于：

包括按制冷介质流程依次连通的压缩机、热端能储换热器、储液器、节流阀、冷端能储换热器，

所述热端能储换热器包括至少一组箱式或壳-盘管式热端冷凝器，所述热端冷凝器至少一个散热平面贴合有半导体制冷片，

半导体制冷片与热端冷凝器不接触的一面的外部设置有盛有储能介质的热端介质腔，

所述热端介质腔中设有热端介质温度探头；

所述冷端能储换热器包括至少一组箱式或壳-盘管式冷端蒸发器，所述冷端蒸发器至少一个散热平面贴合有半导体制冷片，

半导体制冷片与冷端蒸发器不接触的一面的外部设置有盛有储能介质的冷端介质腔，

所述冷端介质腔设有冷端介质温度探头，所述冷端能储换热器出口与压缩机之间设有冷端制冷剂温度探头和冷端制冷剂压力探头，

所述热端介质温度探头、冷端介质温度探头、冷端制冷剂温度探头和冷端制冷剂压力探头、半导体制冷片分别与控制装置电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置，其特征在于：

所述箱式或壳-盘管式热端冷凝器的两个散热平面分别贴合有半导体制冷片，两个半导体制冷片与热端冷凝器不接触的一面的外部设置有两个盛有储能介质的热端介质腔。

3.根据权利要求2所述的一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置，其特征在于：

所述两个盛有储能介质的热端介质腔通过管路进行连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置，其特征在于：

所述热端冷凝器为两组或三组或四组，多组热端冷凝器的制冷介质进口与压缩机出口并接，多组热端冷凝器的制冷介质出口并接后与储液器的进口连接。

5.根据权利要求1所述的一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置，其特征在于：

所述箱式或壳-盘管式冷端蒸发器的两个散热平面分别贴合有半导体制冷片，两个半导体制冷片与冷端蒸发器不接触的一面的外部设置有两个盛有储能介质的冷端介质腔。

6.根据权利要求5所述的一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置，其特征在于：

所述两个冷端介质腔通过管路进行连接。

7.根据权利要求1所述的一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置，其特征在于：

所述热端介质腔为冷却腔体，可通风或冷却介质，当大量使用冷量，热量存储超出设定温度时，进行通风散热。

8.根据权利要求1或5所述的一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置，其特征在于：

所述冷端蒸发器为两组或三组或四组，多组冷端蒸发器的制冷介质进口并接后与节流阀出口并接，或多组冷端蒸发器的制冷介质进口分别串接节流阀再并接后与储液器的出口连接；

多组冷端蒸发器的制冷介质出口并接后与压缩机的进口连接。

9.根据权利要求1所述的一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置的工作方法，其特征在于：

包括如下几个工作步骤

⑴、储能方法：

热端储能：

压缩机开启后，热端半导体制冷片向热端冷凝器内部制冷，向热端介质腔中的介质制热，热端介质腔中的介质热量可通过循环泵输送至其他地方使用；当热端介质温度探头探测到介质温度达到设定温度时，控制装置控制压缩机停止工作，制冷装置进行超温保护；

冷端储能：

冷端半导体制冷片向冷端蒸发器内部蒸发器制热，向冷端介质腔中的介质制冷，制冷剂带走热量，介质存储冷量，当介质达到设定温度时，控制装置控制压缩机停机；

⑵、制冷及保护方法：

冷端制冷剂温度探头实时检测冷端蒸发器制冷剂出口温度数据和冷端制冷剂压力探头压力数据，通过制冷剂的压焓性质换算成温度数值，得出制冷剂的理论饱和温度，并与冷端介质温度探头所测得的温度数据进行对比，

若冷端介质温度探头所测得的温度数据比冷端制冷剂压力探头所测饱和理论值高，可判定此时制冷剂为过热状态，控制装置按比例降低冷端半导体制冷片的制冷开启度，即，降低冷端半导体制冷片的制冷量；

若冷端介质温度探头所测得的温度数据比冷端制冷剂压力探头所测饱和理论值低，可判定此时制冷剂为过冷状态，容易对压缩机造成液击情况，控制装置按比例调高冷端半导体制冷片的制冷开启度，即，增大冷端半导体制冷片的制冷量；

⑵、化霜储能方法：

由于冷端和热端介质是一样的，可通过热端能储换热器中的介质对冷端能储换热器进行化霜或者溶解，此过程为冷量回收存储过程。

10.根据权利要求9所述的一种半导体覆叠低温能量存储制冷装置的工作方法，其特征在于：

通过把低温的储能换热器内部的介质循环至欲作用物件中，可实现迅速降温功能，为了快速提高降温及快速升温能力，可根据系统大小，对热端能储换热器和冷端能储换热器进行多组组合。