CN108426387B - 半导体冷热灶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体冷热灶，其结构包括锅体、半导体制冷片、灶架、隔热填充层、隔热外套、内层散热水管、外层散热水管、电源控制器、第一温度传感器以及第二温度传感器。本发明将半导体制冷片的制热高效率的特点应用于制作高效烹饪锅中，可替代常规的民用燃气灶、电饭锅、电磁灶、微波炉等炊事加热设备，具有清洁卫生、有利环保的特点，适于推广应用。本发明半导体冷热灶不仅具有制冷、制热的多用途，而且还具有显著的节能效果，其热损耗极小，加热速度很快，比电磁灶可节约电能50%以上，比电饭锅节能55%。

Description

半导体冷热灶

技术领域

本发明涉及一种民用灶具，具体地说是一种半导体冷热灶。

背景技术

半导体制冷技术已逐步成熟，其主要是利用了半导体制冷片（碲化铋）的帕尔贴制冷原理，就是在通电后发生热的转移，可同时实现制冷和制热。如果在半导体制冷片的两端面提供冷源和热源，当两端面达到一定的温差时，就可以发电（称为“温差发电”），因此，这种半导体材料一般多在海洋区域用作温差发电。

目前，半导体制冷片已广泛应用在冰箱、空调、饮水机及恒温控制等领域，并以其体积小、重量轻、无噪音等优点而备受业界的青睐，在军事及航天领域也有应用。其不足之处，一是由于冷却方式的局限性，使得制冷温度难以突破到0℃以下，即便采用最好的水循环冷却方式，也会因为水温的逐步升高而难以产生0℃以下的温度。二是由于存在温差限制，使得制热方面的应用难以做到持续高效的升温。究其原因，主要是当半导体的冷端温度超过环境温度时，就没有足够的热量被半导体制冷片吸收和转移，从而使得制热效率明显下降，升温逐步变得艰难，最终导致难以生成超过100℃的实用温度。将半导体制冷片应用在饮水机中作为加热源时，其对水的加热温度一般只能到达70℃左右。

半导体制冷片的制冷效率是60%，而其制热效率则大于100%。其原理是，制热的同时也同时在制冷，而制冷的本质就是将冷端的热量转移到热端，并与热端热量相叠加，如果冷端温度低于外部环境温度，就相当于原始的99%的制热效率再叠加60%的制冷效率，其制热效率就高达159%。但是，这个制热高效率会因为温差的限制而在实际应用中有大幅降低，从而限制了超过100℃以上的较高温度的产生。

发明内容

本发明的目的就是提供一种半导体冷热灶，以突破半导体制冷片在制冷、制热方面的温度局限，实现制冷制热的实际应用。

本发明是这样实现的：一种半导体冷热灶，包括：

锅体，为平底锅，锅体外壁的下段为棱台形的棱台段；

半导体制冷片，分别附着在锅体的底面以及锅体外壁棱台段的各平面上；

灶架，包覆在锅体的底部、锅体外壁棱台段和棱台段上的半导体制冷片的外部，用于支撑锅体，并兼做半导体制冷片的外散热器；

散热片，附着在半导体制冷片的外侧表面，并与灶架的内壁相贴合，作为半导体制冷片的内散热器；

隔热填充层，填充在锅体与灶架之间的缝隙中，用于降低内外散热器之间的互传损耗；

隔热外套，包覆在灶架的外部，用以减少能量散失；

内层散热水管，分布在隔热填充层中，用以通过水循环对锅体进行散热；

外层散热水管，分布在隔热外套中，用以通过水循环对灶架进行散热；

电源控制器，通过接线端子与半导体制冷片电连接，用于控制半导体制冷片的制冷、制热，以实现半导体冷热灶的烹饪、制冷饮或制冰操作；

第一温度传感器，贴附在锅体上，用以向电源控制器传递检测锅体的温度；以及

第二温度传感器，贴附在灶架上，用以向电源控制器传递检测灶架的温度。

在所述电源控制器的面板上设置有烹饪按钮、冷饮按钮和制冰按钮，用以选择和调用相应的控制程序，实现半导体冷热灶的烹饪、制冷饮或制冰操作。

所述电源控制器包括：

温度检测电路，分别与程序选择与控制电路、锅体温度信号比较器、灶架温度信号比较器、第一温度传感器和第二温度传感器相接，用于检测制热时的锅体温度和制冷时的灶架温度；

程序选择与控制电路，分别与温度检测电路和双向触发电路相接，用于烹饪、制冷饮和制冰三种操作的选择和运行，并自动调整工作电流的脉冲占空比，以提高制冷片两端温差；

锅体温度信号比较器，分别与温度检测电路和双向触发电路相接，用于检测制热时的锅体温度；

灶架温度信号比较器，分别与温度检测电路和双向触发电路相接，用于检测制冷时的灶架温度；

双向触发电路，分别与锅体温度信号比较器、灶架温度信号比较器、程序选择与控制电路和全桥式电子开关电路相接，用于提供制冷制热转换时半导体制冷片工作电流极性转换的触发信号；

全桥式电子开关电路，分别与双向触发电路和半导体制冷片相接，用于切换半导体制冷片的电压极性，以满足制冷、制热的供电需求。

半导体制冷片的放热功率（制热）及吸热功率（制冷）是由通过半导体制冷片的电流的大小来决定的，但实际上，由于连续加热时半导体器件自身的温度限制，使得通电工作时的温差一般为40~60℃。本发明半导体冷热灶采用自适应可调占空比脉冲供电的方式进行电流控制，即脉冲的峰值电流增大一倍以上、而平均值保持不变，这样，既不用增大电能消耗，又可以使温差提高到90~100℃以上。其理由有二：一是半导体材料具有很高的耐电流冲击特性，对器件无损伤；二是半导体制冷片的升温极快、而降温则较为缓慢，这就可以用高峰值电流拉大温差，从而可有效提高半导体制冷片冷-热端的温差。而提高温差的好处，一是可以使加热温度提高到150~250℃；二是可以使加热过程（如：煮粥、烧水等操作）始终保持150%以上的高效率；三是可以配合不同的散热方式，实现制冷温度突破0℃以下，直至结冰。

本发明半导体冷热灶在制冷工作时，采用冷热端双重水循环的工作方式和结构，冷端循环水可储存到一个保温桶里，先启动制热模式，使冷端水温达到10~20℃（保温水可采用纯净水，一次性灌注）；热端循环水可储存到容器里备用，经温度缓冲后，再将工作模式转换为制冷模式（即切换半导体制冷片正负电源极性），这样，就可以在50℃左右的温差条件下，使半导体冷热灶获得－5℃到－10℃的制冷效果。

本发明采用耐高温（最高可达360℃）的半导体制冷片，所制成的半导体冷热灶基本可满足烹、炒、炖、煮等一般炊事用途，并可以制作冷饮，甚至还可用作制冰。

本发明半导体冷热灶不仅具有制冷、制热的多用途，而且还具有显著的节能效果，其热损耗极小，加热速度很快，比电磁灶可节约电能50%以上（因为电磁灶的热转换效率是80%，而本灶具可接近160%），比电饭锅节能55%；另外，本发明半导体冷热灶还带有保温功能，可明显降低热量损耗（电饭锅的热转换效率可达95%，但是它的热传导结构又会导致热传输效率降低，故电饭锅的总效率只有70%，且保温能力较差）。本发明半导体冷热灶由于上述的这些节能优势明显，因此更适合应用在太阳能供电的场合。

本发明将半导体制冷片的制热高效率的特点应用于制作高效烹饪锅中，可替代常规的民用燃气灶、电饭锅、电磁灶、微波炉等炊事加热设备，具有清洁卫生、有利环保的特点，适于推广应用。

附图说明

图1是本发明半导体冷热灶的结构示意图。

图2是图1所示半导体冷热灶的底面结构示意图。

图3是半导体冷热灶的电源控制器的电路框图。

图4是半导体冷热灶的电源控制器中控制部分的电路原理图。

图5是半导体冷热灶的电源控制器中主电路的电路原理图。

图中：1、锅体，2、隔热套管，3、散热片，4、外层散热水管，5、紧固螺钉，6、半导体制冷片，7、灶架，8、第二温度传感器，9、隔热外套，10、隔热填充层，11、第一温度传感器，12、内层散热水管。

具体实施方式

如图1、图2所示，锅体1为平底锅，其内壁为球面形，外壁的下段为棱台平底造型，可用铝合金（航空铝）铸造成型。在锅体1的底部平面上通过优质导热硅脂贴附一块矩形的半导体制冷片6，在对应锅体1下部棱台段的各个梯形平面上分别贴附一个矩形半导体制冷片6，每片半导体制冷片与锅体1之间均涂覆有优质导热硅脂，以保证冷、热能量的无损耗传导。如果锅体1选定是六棱台造型，则在锅体1上共设置有七片半导体制冷片，并且该七片半导体制冷片为并联连接。半导体制冷片6的规格为40×40mm，12V 6A，其型号为TEP1-142T300。其制热功率为72W，制冷功率43.2W。在环境温度高于30℃时，半导体制冷片6的温差自动控制在70℃以上时，单片总制热功率在90—110W之间，则锅体1上的七片半导体制冷片的总制热功率可达630—770W。在每个半导体制冷片6的外侧附着一片散热片3，用以传导热量。

灶架7与锅体1的底部形状相合，并兜接在锅体1的底部，散热片3的外侧与灶架7相贴合，在接触面上涂覆有优质导热硅脂，以保证散热片上的冷、热能量的无损耗传导。散热片3是用金属铝制作，是作为半导体制冷片的内散热器。灶架7是用铝合金材料铸造成型，其兼做半导体制冷片的外散热器。在灶架7与锅体1的底部之间的缝隙中填充有用陶瓷纤维隔热棉制作的隔热填充层10。陶瓷纤维隔热棉具有绝热、抗腐蚀、耐高温等特点，可基本避免内外散热器之间的互传损耗。灶架1可通过若干紧固螺钉5固定在锅体1上。为防止螺钉对锅体产生热桥短路，可在紧固螺钉5的一端安装隔热套管2。在灶架7的外侧设置有隔热外套9，以减少能量散失。隔热外套9的形状与灶架7的外形相合。

在锅体1底部的隔热填充层10中还分布有内层散热水管12，在隔热外套9中还分布有外层散热水管4。内层散热水管12与锅体1的底面紧邻，以对锅体1进行散热。外层散热水管4与灶架7的底面紧邻，以对灶架7进行散热。在隔热外套9上固定有两组水嘴接头（未图示），一组连接内层散热水管12，另一组连接外层散热水管4。内层散热水管12通过水嘴接头外接一台内循环水泵，外层散热水管4通过水嘴接头外接一台外循环水泵，以分别进行水循环操作。

在锅体1的外壁上贴附有第一温度传感器11，在灶架7的外壁上贴附有第二温度传感器8，温度传感器用以向电源控制器传递检测的温度数据。在灶架7和隔热外套9上还设置有接线端子，用以将并联连接的半导体制冷片6与电源控制器电连接，在电源控制器的控制下进行烹饪、冷饮和制冰三种选择操作。

在电源控制器的面板上对应设置有烹饪按钮、冷饮按钮和制冰按钮，用于选择和调用相应的控制程序，以分别实现半导体冷热灶的烹饪、制冷饮或制冰操作。

如图3所示，电源控制器包括温度检测电路、程序选择与控制电路、锅体温度信号比较器、灶架温度信号比较器、双向触发电路和全桥式电子开关电路。

温度检测电路分别与程序选择与控制电路、锅体温度信号比较器、灶架温度信号比较器、第一温度传感器和第二温度传感器相接，用于检测制热时的锅体温度和制冷时的灶架温度。温度检测电路分别连接两路温度传感器，第一温度传感器可为锅体温度信号比较器电路提供加热时上限及下限的温度控制指令，同时还为灶架温度信号比较器提供制冷时的上限及下限温度控制指令。

程序选择与控制电路分别与温度检测电路和双向触发电路相接，用于烹饪、制冷饮和制冰三种操作的选择和运行，并自动调整工作电流的脉冲占空比。程序选择与控制电路包含自适应脉宽调制电路，它担负烹饪、制冷饮和制冰三项功能的运行程序，并通过其内部的自适应脉宽调制电路自动调整工作电流的脉冲占空比，用以提高制冷片两端温差。锅体温度信号比较器为制热时的温度信号检测电路，在加热过程中，当安装于锅体上的第一温度传感器的周围温度达到或超过280℃时，输出占空比递减触发信号；当温度降低至下限温度250℃时，输出占空比递增触发信号。

锅体温度信号比较器分别与温度检测电路和双向触发电路相接，用于检测制热时的锅体温度。灶架温度信号比较器分别与温度检测电路和双向触发电路相接，用于检测制冷时的灶架温度。双向触发电路分别与锅体温度信号比较器、灶架温度信号比较器、程序选择与控制电路和全桥式电子开关电路相接，用于提供制冷制热转换时半导体制冷片工作电流极性转换的触发信号。全桥式电子开关电路分别与双向触发电路和半导体制冷片相接，用于切换半导体制冷片的电压极性，以满足制冷、制热的供电需求。

在制冷过程中，当制冷时灶架7上安装的第二温度传感器8的周围温度达到上限50℃时，输出断电信号，或输出占空比递减触发信号；当温度下降至下限温度30℃时，输出恢复供电信号，或输出占空比递增触发信号。

外循环水泵和内循环水泵分别与程序选择与控制电路电连接，以接收程序选择与控制电路的指令，对应进行灶架的水循环（下部水循环系统）和锅体的水循环（上部水循环系统）。

电源控制器的工作原理如下：

如图4所示，单片机IC2（AT89C1051）是程序的选择和控制器件，设为三种工作模式：烹饪、制冷饮、制冰。

按下“烹饪”按钮，启动加热程序，烹饪指示灯LED2点亮，单片机IC2的P1.3脚输出低电平，光耦GO1输入端的负极与地线连通、正极经电阻R9与5V电源的正极连接，光耦GO1导通，其输出端ZP1、ZP2分别与图5中的端子ZP1、ZP2连接，等同于ZP1、ZP2短路，运放IC3-1的第6脚（反相输入端）电位由高变低，输出端7脚呈高电平输出，并经电阻R18为开关管Q7（IGBT）的栅极提供触发电压，使开关管Q7导通、半导体制冷片的下端与地线连通，同时单片机IC2的P1.1脚输出由高电平变为低电平，光耦GO3导通、输出端ZP5与15V电源正极连通，图4中的端子ZP5还与图5中的端子ZP5连接，再经电阻R17，为三极管Q2提供基极电流，使三极管Q2导通，并经电阻R22为开关管Q4提供负极性栅极电流，开关管Q4（IGBT）导通，等同于15V正电源与半导体制冷片的上端连通，半导体制冷片开始工作，而开关管的导通关断受控于单片机的占空比自动调整程序。

按下“冷饮”按钮，启动制冷饮程序，冷饮指示灯LED3点亮；单片机IC2的P3.7脚由高电平变为低电平，光耦GO2导通，其输出端ZP3、ZP4与图5中的端子ZP3、ZP4连接，运放IC3-2的第2脚由高电平变为低电平；1脚输出端输出高电平并经电阻R19为开关管Q5提供栅极电流，使开关管Q5导通，将半导体制冷片的上端接地。单片机IC2的P1.0脚由高电平变为低电平，使光耦GO4导通，输出端ZP6等同于15V电源正极连接，同时还连接到图5中的端子ZP6，再经电阻R20为三极管Q3提供基极电流，三极管Q3导通，经电阻R23为开关管Q6提供负极性栅极电流。开关管Q6导通，将15V电源正极连接到半导体制冷片6的下端，使半导体制冷片因连接反向电压而开始制冷（冷饮）；制冷温度可由单片机脉宽调整程序（改变半导体制冷片冷热端的温差）在一定范围内调整，在未加水循环的条件下可产生15℃以下的冷饮饮品。

按下“制冰”按钮，启动制冰程序，制冰指示灯LED4点亮；单片机IC2的P1.3脚由高电平变为低电平，使光耦GO1导通，图5中的端子ZP1、ZP2连通，电阻RM1与R13组成分压器，运放IC3-1的第6脚电位由高变低，第7脚输出高电平；电路工作状态与烹饪程序相同，半导体制冷片接通上正、下负的15V可调宽脉冲电压，同时单片机IC2的P1.2脚和P3.5脚均由低电平变为高电平，两个继电器J1、J2均导通，上循环水泵、下循环水泵都开始运行。当上循环水温达到60℃以上时停止供电（上循环水量应不少于15升），上循环水温由第一温度传感器MR1提供。当水温高于60℃时，第一温度传感器MR1两端的电阻减小，运放IC3-1第6脚电压上升，输出端7脚电位由高变低，并连接到二极管D3的负极、二极管D3的正极连接到单片机IC2的P3.0脚，经单片机判别后输出断电指令，下循环水泵停止工作，程序运行至等待状态，时间设定为5分钟，上循环水泵也停止运行，此时可将制冰用料放入锅体1内并盖好锅盖，自动重启半导体制冷片的电源（此时电源极性为上负下正）。

图4中，热敏电阻MR1、MR2作为第一温度传感器和第二温度传感器。当程序运行后，端子ZP1与ZP2或ZP3、ZP4连通，并与电阻R13或电阻R14串联，组成分压器。当温度上升时，热敏电阻的阻值下降，分压器中点的分压值上升；当温度降低时，分压器中点的分压值下降。

图5中，电阻R16、R15与电位器W1串联组成基准电压分压器，为运放IC3提供初始基准比较电压，电位器W1的阻值可改变基准电压值，初始值应调整到同相端电压高于反相电压，而运放IC3的输出端为高电平，此值应当在端子ZP1、ZP2或端子ZP3、ZP4对应连通后进行；未连接时，则两运放的输出均为低电平。

当热敏电阻MR1、MR2的阻值随着温度的升高而下降（负温度系数）时，那么连接到运放IC3-1的6脚反相端的电压值高于5脚同相端的电压时，或运放IC3-2的2脚反相端的电压高于3脚同相端的电压时，运放IC3-1的7脚输出端或运放IC3-2的1脚输出端便输出低电平，并关闭后边的电子开关，停止向半导体制冷片供电。当在断电状态下温度逐步下降至下限值时，反相端电压值低于同相端电压值，则电路翻转，恢复供电。两个温度传感器的工作原理相同，只是在制热时使用热敏电阻RM1，在制冷时使用热敏电阻RM2。这是因为，制热时锅体1处于高温状态，而制冷时则是灶架（即外散热器）处于高温状态。

三极管Q1、Q2是触发信号放大器，当端子ZP1、ZP2连通时，运放IC3-1的7脚输出高电平，经二极管D1和电阻R5，为三极管Q1提供基极电流，三极管Q1导通，再经电阻R10为开关管Q3的栅极提供反相触发电压，使开关管Q3导通，等同于半导体制冷片上端与电源正极连通。另一路运放IC3-1的7脚输出的高电平经电阻R6为开关管Q6提供栅极电压，开关管Q6导通，等同于半导体制冷片下端与电源负极联通，半导体制冷片得电开始工作。当端子ZP3、ZP4连通时，运放IC3-2的1脚输出高电平，经二极管D2和电阻R8，为三极管Q2提供基极电流，使三极管Q2导通，三极管Q2的集电极经电阻R13为开关管Q4提供反相栅极电压，使开关管Q4导通，并连接到半导体制冷片的下端，等同于半导体制冷片的下端与电源正极连通。另一路运放IC3-2的1脚输出高电平，经电阻R7，为开关管Q5提供栅极电压，使开关管Q5导通，其漏极连接到半导体制冷片的上端，等同于半导体制冷片的上端与电源负极连通，半导体制冷片得电后开始工作。但因其电压是反向的，所以半导体制冷片的工作状态翻转，锅体1连接的是冷面，而灶架7连接的是热面，因而，此时即可在锅体1内进行制作冷饮等的操作。

Claims (3)

1.一种半导体冷热灶，其特征是，包括：

锅体，为平底锅，锅体外壁的下段为棱台段；

半导体制冷片，分别附着在锅体的底面以及锅体外壁棱台段的各平面上；

灶架，包覆在锅体的底部、锅体外壁棱台段和棱台段上的半导体制冷片的外部，用于支撑锅体；

散热片，附着在半导体制冷片的外侧表面，并与灶架的内壁相贴合；

隔热填充层，填充在锅体与灶架之间的缝隙中；

隔热外套，包覆在灶架的外部，用以减少能量散失；

内层散热水管，分布在隔热填充层中；内层散热水管通过固定在隔热外套上的水嘴接头外接内循环水泵，用以通过水循环对锅体进行散热；

外层散热水管，分布在隔热外套中；外层散热水管通过固定在隔热外套上的水嘴接头外接外循环水泵，用以通过水循环对灶架进行散热；

电源控制器，通过接线端子与半导体制冷片电连接，用于控制半导体制冷片的制冷、制热，以实现半导体冷热灶的烹饪、制冷饮或制冰操作；

第一温度传感器，贴附在锅体上，用以向电源控制器传递检测锅体的温度；以及

第二温度传感器，贴附在灶架上，用以向电源控制器传递检测灶架的温度。

2.根据权利要求1所述的半导体冷热灶，其特征是，在所述电源控制器的面板上设置有烹饪按钮、冷饮按钮和制冰按钮，用以选择和调用相应的控制程序，实现半导体冷热灶的烹饪、制冷饮或制冰操作。

3.根据权利要求1所述的半导体冷热灶，其特征是，所述电源控制器包括：

温度检测电路，分别与程序选择与控制电路、锅体温度信号比较器、灶架温度信号比较器、第一温度传感器和第二温度传感器相接，用于检测制热时的锅体温度和制冷时的灶架温度；

程序选择与控制电路，分别与温度检测电路和双向触发电路相接，用于烹饪、制冷饮和制冰三种操作的选择和运行，并自动调整工作电流的脉冲占空比，以提高制冷片两端温差；

锅体温度信号比较器，分别与温度检测电路和双向触发电路相接，用于检测制热时的锅体温度；

灶架温度信号比较器，分别与温度检测电路和双向触发电路相接，用于检测制冷时的灶架温度；

双向触发电路，分别与锅体温度信号比较器、灶架温度信号比较器、程序选择与控制电路和全桥式电子开关电路相接，用于提供制冷制热转换时半导体制冷片工作电流极性转换的触发信号；

全桥式电子开关电路，分别与双向触发电路和半导体制冷片相接，用于切换半导体制冷片的电压极性，以满足制冷、制热的供电需求。