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一种基于半导体制冷片的迷你型空调 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半导体制冷片的迷你型空调，包括：保温箱体单元、及均设于保温箱体内的主电路单元、散热单元、对流单元、出风单元；该空调利用半导体制冷片极性换向即可实现冷热端反转的特性，通过设计简单的电路使其同时拥有制冷与制热功能，不仅如此，该空调使用半导体制冷片相比于压缩机还大大减少所必须的设备体积，从而实现了可携带功能；这是使用压缩机难以实现，此外，本发明的空调具有制冷制热以及物品存贮等多种功能的优势，具有实用价值。

Description

一种基于半导体制冷片的迷你型空调
技术领域
本发明属于电力电子产品领域，具体涉及一种基于半导体制冷片的迷你型空调，该空调可提供多种功能模式。
背景技术
半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。此外，如果反转半导体制冷片的正负极，其冷热端也会相应的发生反转。
在原理上，半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。但是热端温度应保证不超过80℃，否则就有过热损坏的危险。
半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：1、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。7、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于半导体制冷片的迷你型空调。通过选择合适的散热方案，尽量提高冷端的制冷效率，且可以大大减少迷你型空调的设备体积，并可实现长时间工作，通过此方案的制热效率并不比压缩机低多少，而且通过简单地电路调整使得其同时拥有制冷与制热功能，这是使用压缩机所不具备的。
一种基于半导体制冷片的迷你型空调，包括：
保温箱体单元、及均设于保温箱体内的主电路单元、散热单元、对流单元、出风单元；
所述的保温箱体单元一侧开有进风口，另一侧开有出风口，进风口处设有用于控制进风口开闭的舵机；
所述的主电路单元包括半导体制冷片；
所述的散热单元包括第一散热片、第二散热片、散热风扇；散热采用风冷的形式，用于使半导体制冷片的外侧温度与环境温度接近；在半导体制冷片TEC1的外侧的散热片上安装风扇在制冷模式下实现散热，制热模式下实现保温，同时也防止半导体制冷片因过热而损毁；
所述的对流单元包括对流风扇；采用风扇进行加强热对流，用于使半导体制冷片内侧温度能够更快的扩散到箱体结构中；
所述的出风单元设置于出风口处，包括出风风扇；
半导体制冷片嵌于保温箱体单元的侧壁上，第一散热片紧贴于半导体制冷片的外侧面、第二散热片紧贴于半导体制冷片内侧面，散热风扇设置于第一散热片外，对流风扇设置于第二散热片内侧，所述的散热风扇、对流风扇、出风风扇各由一只电机驱动。
上述技术方案中，进一步的，所述的第一散热片面积大于第二散热片。
进一步的，所述的第一散热片及第二散热片与半导体制冷片之间均涂有导热胶。
进一步的，所述的半导体制冷片采用TEC1-127系列。
更进一步的，所述的主电路单元还包括开关K0、开关K2、双刀双掷开关K1；开关K0用于控制半导体制冷片、散热风扇的电机、对流风扇的电机的供电通断，双刀双掷开关K1与半导体制冷片连接，K1开关通过控制电流的流动方向，控制半导体制冷片的高低温面，用于选择制冷或制热模式，开关K2用于控制出风风扇的电机的工作状态。其中散热单元的电机、对流单元的电机和半导体制冷片必须同时接通或是断电，以免半导体制冷片因过热而损坏；出风单元的电机可以单独运行。
更进一步的，所述的主电路单元还包括可变电阻器R，所述的可变电阻器R与出风风扇的电机串联，改变电阻器R的大小，相应的风机的转速随着改变。
进一步的，在保温箱体单元表面包裹有隔热材料。
上述的基于半导体制冷片的迷你型空调，使用包括如下模式：
（1）吹风模式：
仅启动主电路中的开关K2，保温箱体单元上的进风口被舵机打开，出风单元运转，此时向外吹常温风，散热模块无风无温度。
（2）制冷冰箱模式：
启动主电路的开关K0，K1选择制冷模式，K2关闭，在保温箱体中放入待制冷的物品，即可对物品进行制冷，此时不向外吹风，散热模块有风有温升。
（3）制冷空调模式：
启动主电路的开关K0，K1选择制冷模式，预制冷结束后启动K2，此时向外吹冷风，散热模块有风有温升。
（4）制热暖箱模式：
启动主电路的开关K0，K1选择制热模式，K2关闭，在保温箱体中放入待制热的物品，即可对物品进行制热，此时不向外吹风，散热模块有风有温降。
（5）制热空调模式：
启动主电路的开关K0，K1选择制热模式，预热结束后启动K2，此时向外吹热风，散热模块有风有温降。
本发明利用当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端的半导体制冷片的原理，以制冷模式下为例，通过降低其热端温度使得冷端温度尽量低以提高半导体制冷片的制冷效率，再用热对流的方式使冷端能够尽快与箱体内的空气或是从入风口进来的空气进行热交换，再由空气与需制冷的物体做热交换，或是直接将温度降低后的空气通过风机吹出，以达到迷你型空调的效果。本发明的优势在于该空调体积小便于携带，功能多样，可以满足各式各样的需求。
附图说明
图1为本发明迷你型空调的结构示意图。
图2为主电路单元的结构示意图。
图3为保温箱体单元的结构示意图。
图4为出风单元的结构示意图。
图5为半导体制冷片的工作原理示意图。
图6为本发明系统计算理论效果的模型示意图。
其中，1、保温箱体单元，2、主电路单元，3、散热单元，4、对流单元，5、出风单元，6、舵机，7、半导体制冷片，8、电池组，9、盖，10、螺纹，11、隔离铁丝网，12、隔热材料，13、金属导体，14、绝缘陶瓷片，15、进风口。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图1所示了本发明的迷你型空调的整机结构示意图。包括主电路单元，所述的主电路单元包括直流电压源V、普通开关K0、双刀双掷开关K1、普通开关K2、半导体制冷片TEC1-127系列、散热对流电机各一台、出风电机一台、可变电阻器R；其中，普通开关K0为总电源开关，双刀双掷开关K1用来选择制冷或是制热模式，普通开关K2用于控制出风电机；半导体制冷片TEC1的两面都涂有导热胶，与两块散热片相黏，外侧面的散热片较大，内侧面的散热片较小；可变电阻器R与出风电机相连。主电路单元的电路原理图如图2所示：电源模块，用于为主电路供电，由普通开关K0控制；温差模块，用于实现制冷制热；其中，半导体制冷片TEC1的两面都涂有导热胶，与两块散热片相黏，外侧面的散热片较大，内侧面的散热片较小；电机模块，用于驱动各个电机，其散热单元的电机、对流单元的电机和半导体制冷片必须同时接通或是断电，以免半导体制冷片因过热而损坏；出风单元的电机可以单独运行。控制模块，K1开关通过控制电流的流动方向，控制半导体制冷片的高低温面，K2开关用于保证出风电机可以单独控制运行或不运行。
此时，若仅打开K2则进入吹风模式；打开K0，K1选择制冷模式，则进入制冷冰箱模式；打开K0，K1选择制冷模式，预制冷约5min后打开K2，则进入制冷空调模式；打开K0，K1选择制热模式，则进入制热暖箱模式；打开K0，K1选择制热模式，预热约5min后打开K2，则进入制热空调模式。
散热单元，用于使半导体制冷片的外侧温度与环境温度接近；散热采用风冷的形式；在半导体制冷片TEC1的外侧的散热片上安装风扇在制冷模式下实现散热，制热模式下实现保温，同时也防止半导体制冷片因过热而损毁。
对流单元，由扇热片现将半导体制冷片TEC1内侧与空气的接触面积增大，再采用风扇进行加强热对流，用于使半导体制冷片内侧温度能够更快的扩散到箱体结构中。
保温箱体单元，设有进风口，在结构体距半导体制冷片TEC1约6-9cm的距离处设有可承受重量2kg重物的隔离铁丝网。其功能有二，一方面可用于物品的存储，另一方面也用于设备启动前的预制冷和预热。图3有对保温箱体更为详细地结构示意图：包括外层隔热材料12、进风口及舵机6、出风口、为半导体片及散热对流模块准备的接口和内部的隔离铁丝网11，其大小设计要能够同时冰镇至少两瓶饮料，但是其大小设计又不能过大导致不便携带，如图迷你冰箱的直径D为100-180mm,长度L为250-300mm。
出风单元，图4所示，通过可变电阻R的改变来调整电机两端所加的电压，进而改变电机内流过的电流，以影响风扇的转速。用于对外吹出冷风或者热风，风速可调。
图5展示的是半导体制冷片的工作原理示意图，珀尔帖（PELTIER）效应，在1834年由法国人珀尔帖发现，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。
Qπ=π*Iπ=a*Tc
式中：Qπ为放热或吸热功率，π为比例系数，称为珀尔帖系数，I为工作电流，a为温差电动势率，Tc为冷接点温度
根据图6的示意图，我们可以计算大概吹风时的制冷制热效果：记外侧的散热片稳定温度为T1，外侧的环境温度为T1θ；内侧的散热片稳定温度为T2，内侧的环境温度为T2θ。热交换主要考虑两方面：一是辐射散热，计算公式为：
其中，σ为辐射系数对于绝对黑体，S是散热面积，T为 散热片温度，Tθ为环境温度。
二是强迫对流散热，计算公式为：
其中，α1为对流散热系数；Nu为努谢尔特准则数；λ为空气的导热系数，当气温为20℃时λ=2.52*10-2W/(m·℃)；V为风速；𝜈为表面空气的运动黏度系数，当空气温度为20℃时𝜈=15.7*10-6m2/s；D为圆管外径，但本实验所用散热片并非为圆柱体，可以用s/(πL)（式中L为散热片长度）近似代替。
取外侧的风机所提供的风速V1=2.5m/s，取内侧低功耗电机的功率为0.8W，风速取V2=2m/s；半导体制冷片使用40*40的TEC1-1206，其参数如下：制冷量70.3W，功耗量=12X4=48W，最大温差67℃；图中的L1=6cm，L2=9.5cm，D1=D2=2cm，由图可得，S1=895cm2，S2=144cm2；计算散热片时近似认为𝜎、λ和λ为常数；箱体尺寸取D14cm*25cm的圆柱体，认为箱体近似绝热；出风口和入风口的尺寸为4cm*4cm，出风口风速取2m/s；空气密度取1.293kg/m3, 空气定压比热容为1.004kJ/(kg K)。
对于制冷模式，取Tθ1=35℃：
在冰箱模式下计算得到：
稳定时T1≈63℃，此时T2min=-4℃,Tθ2min=-1℃
在冷空调模式下计算得到：
稳定时T1≈79℃，此时T2min=12℃,Tθ2min=28℃
对于制热模式，取Tθ1=5℃，此时不能把箱体看做绝热：
在暖箱模式下计算得到：
稳定时T1≈2℃，此时T2max=69℃，Tθ2min=69℃
在热空调模式下计算得到：
稳定时T1≈2℃，此时T2min=69℃，Tθ2min=15℃。

Claims (7)

1.一种基于半导体制冷片的迷你型空调，其特征在于，包括：
保温箱体单元、及均设于保温箱体内的主电路单元、散热单元、对流单元、出风单元；
所述的保温箱体单元一侧开有进风口，另一侧开有出风口，进风口处设有用于控制进风口开闭的舵机；
所述的主电路单元包括半导体制冷片；
所述的散热单元包括第一散热片、第二散热片、散热风扇；
所述的对流单元包括对流风扇；
所述的出风单元设置于出风口处，包括出风风扇；
半导体制冷片嵌于保温箱体单元开有进风口一侧的侧壁上，第一散热片紧贴于半导体制冷片的外侧面、第二散热片紧贴于半导体制冷片内侧面，散热风扇设置于第一散热片外，对流风扇设置于第二散热片内侧，所述的散热风扇、对流风扇、出风风扇各由一只电机驱动。
2.根据权利要求1所述的基于半导体制冷片的迷你型空调，其特征在于，所述的第一散热片面积大于第二散热片。
3.根据权利要求1所述的基于半导体制冷片的迷你型空调，其特征在于，所述的第一散热片及第二散热片与半导体制冷片之间均涂有导热胶。
4.根据权利要求1所述的基于半导体制冷片的迷你型空调，其特征在于，所述的半导体制冷片采用TEC1-127系列。
5.根据权利要求2所述的基于半导体制冷片的迷你型空调，其特征在于，所述的主电路单元还包括开关K0、开关K2、双刀双掷开关K1；开关K0用于控制半导体制冷片、散热风扇的电机、对流风扇的电机的供电通断，双刀双掷开关K1与半导体制冷片连接用于选择制冷或制热模式，开关K2用于控制出风风扇的电机的工作状态。
6.根据权利要求5所述的基于半导体制冷片的迷你型空调，其特征在于，所述的主电路单元还包括可变电阻器R，所述的可变电阻器R与出风风扇的电机串联。
7.根据权利要求1所述的基于半导体制冷片的迷你型空调，其特征在于，
在保温箱体单元表面包裹有隔热材料。
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