CN109282519A - 热传递可逆的小型热电制冷器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了热传递可逆的小型热电制冷器,包括壳体和半导体制冷片,所述半导体制冷片设置于所述壳体的顶部,所述壳体的顶端嵌套设置在所述半导体制冷片上,并与所述半导体制冷片贴合固定,所述半导体制冷片包括顶部绝缘陶瓷片、底部绝缘陶瓷片、第一半导体组件、第二半导体组件和导热铜块,所述顶部绝缘陶瓷片和所述底部绝缘陶瓷片呈平行设置,所述第一半导体组件设置于所述顶部绝缘陶瓷片和所述底部绝缘陶瓷片中间区域的一侧,该种热传递可逆的小型热电制冷器,能够实现该热电制冷器的高效准确的自动调温能力,非常适合对制冷温度有较高精确性要求的领域,具有广阔的市场前景和应用前景。

Description

热传递可逆的小型热电制冷器
技术领域
本发明涉及制冷器技术领域,具体为热传递可逆的小型热电制冷器。
背景技术
热电制冷的机理完全不同于蒸汽压缩式制冷、吸收式制冷。它是以温差电现象为基础的制冷方法,实际上是一种热传递工具,用两种不同的金属丝相互连接在一起,形成一个闭合电路,把两个连接点分别放在温度不同的两处,就会在两个连接点之间产生一个电势差——接触电动势。同时闭合电路中就有电流通过。反过来,将两种不同的金属线相互连接形成的闭合线路已通直流电,会产生两个不同温度的连接点。只要通以直流电,就会使其中一个连接点变热,另一个连接点变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时,两个接头处分别发生了吸放热现象。这就是热电制冷的依据,亦称温差电现象。生产冷端就是我们需要的制冷。它的灵活性强,简单方便,且制冷方式直接,无任何制冷制剂污染,非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所,经检索,专利号为CN1395073N的发明公开了一种高效热电制冷器,其结构包括:电偶臂由热电元件和强导电导热件组成,其中采取措施使热电元件的导热面积小于其导电面积。热电堆中制冷电偶的电路采用串联连接,吸(或放)热端采用并联。本发明具有成本低,耗电少,热电元件优值系数高的特点,其优值系数可以达到或超过13×10<SUP>-3</SUP>K<SUP>-1</SUP>,最大温差提高一倍以上。所组成的热电制冷器件结合牢固,工作可靠,使用寿命长。适用于冷冻、冷藏及冰箱、空调、饮水机等作制冷器件,也可用于温差发电、热泵及热电仪器、仪表制造等。
然而分析发现,现有的热电制冷器在应用中其冷端以及热电堆的热传递方向是固定的,即在单一的热电制冷器上热电堆持续放热,冷端持续吸热,这样的话对制冷器的温度调节就比较困难,缺乏高效精确的温度调节方式,导致热电制冷器的应用场景受到限制,存在待改进的方面。
所以,如何设计热传递可逆的小型热电制冷器,成为我们当前要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供热传递可逆的小型热电制冷器,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:热传递可逆的小型热电制冷器,包括壳体和半导体制冷片,所述半导体制冷片设置于所述壳体的顶部,所述壳体的顶端嵌套设置在所述半导体制冷片上,并与所述半导体制冷片贴合固定,所述半导体制冷片包括顶部绝缘陶瓷片、底部绝缘陶瓷片、第一半导体组件、第二半导体组件和导热铜块,所述顶部绝缘陶瓷片和所述底部绝缘陶瓷片呈平行设置,所述第一半导体组件设置于所述顶部绝缘陶瓷片和所述底部绝缘陶瓷片中间区域的一侧,所述第二半导体组件设置于所述第一半导体组件的对侧,且所述导热铜块设置于所述第一半导体组件和所述第二半导体组件的中间位置,所述第一半导体组件由多个第一N型半导体和多个第一P型半导体构成,所述第一N型半导体和第一P型半导体之间呈交叉间隔设置,且所述第一N型半导体和第一P型半导体侧面的两端均设有第一接电金属片,所述第二半导体组件由多个第二N型半导体和多个第二P型半导体构成,所述第二N型半导体和第二P型半导体之间呈交叉间隔设置,且第二N型半导体和第二P型半导体侧面的两端均设有第二接电金属片,且所述第一接电金属片和所述第二接电金属片的一端均设有通电线,所述壳体的一侧安装有MFT温度传感器,所述壳体的内部设有STC89C52单片机,所述STC89C52单片机的端部分别连接第一电源开关和第二电源开关,所述第一电源开关的一端连接第一电源,所述第二电源开关的一端接入第二电源,且所述第一电源与所述第一半导体组件电性连接,所述第二电源与所述第二半导体组件电性连接,所述MFT温度传感器与所述STC89C52单片机信号连接。
进一步的,所述壳体的侧面设有显示模组,所述显示模组的一侧嵌入设置在所述壳体中,并与所述壳体卡合,且所述显示模组与所述STC89C52单片机信号连接。
进一步的,所述第一半导体组件和第二半导体组件在所述顶部绝缘陶瓷片和底部绝缘陶瓷片中间位置的两侧呈中心对称设置。
进一步的,所述第一N型半导体、第一P型半导体、第二N型半导体和第二P型半导体的端部均设有桥接金属片,且所述第一N型半导体与第一P型半导体在所述桥接金属片上呈“几”字形排列,所述第二N型半导体与第二P型半导体在所述桥接金属片上呈“几”字形排列。
进一步的,所述第一半导体组件的顶部形成第一半导体组件冷端,所述第一半导体组件冷端的对侧形成第一半导体组件热电堆,所述第二半导体组件的顶端形成第二半导体组件热电堆,所述第二半导体组件热电堆的对侧形成第二半导体组件冷端。
进一步的,所述壳体一侧的底端设有散热口,所述散热口与所述壳体连通。
进一步的,所述第一N型半导体和第二N型半导体具体为电子型半导体,所述第一P型半导体和第二P型半导体具体为空穴型半导体。
进一步的,所述壳体的底部设有电源适配器,所述第一电源和所述第二电源均与所述电源适配器电性连接,所述电源适配器(21)的工作电压为5.5-3.3V,本发明优选5.0V。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:该种热传递可逆的小型热电制冷器,在半导体制冷片的设计中,分别置入两组热传递方向相反的半导体结构,而且在电路中将这两组半导体结构分别接入两个独立电源,采用单片机结合温度传感器控制电源开关,利用其中一组半导体结构通电后形成的冷端吸热制冷,另外一组半导体结构通电后形成的热电堆放热调节温度,能够实现该热电制冷器的高效准确的自动调温能力,非常适合对制冷温度有较高精确性要求的领域,具有广阔的市场前景和应用前景。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图;
图2是本发明的N-N剖视图;
图3是本发明的半导体制冷片局部结构示意图之一;
图4是本发明的半导体制冷片A-A左视图;
图5是本发明的半导体制冷片B-B右视图;
图6是本发明的半导体制冷片局部结构示意图之二;
图7是本发明的模块示意图;
图8是本发明的电路原理图;
图中:1-壳体;2-显示模组;3-MFT温度传感器;4-散热口;5-半导体制冷片;6-顶部绝缘陶瓷片;7-底部绝缘陶瓷片;8-第一接电金属片;9-第二接电金属片;10-通电线;11-第二N型半导体;12-第二P型半导体;13-第二桥接金属片;14-第一N型半导体;15-第一P型半导体;16-第一半导体组件冷端;17-第一半导体组件热电堆;18-第二半导体组件冷端;19-第二半导体组件热电堆;20-导热铜块;21-电源适配器;22-STC89C52单片机;23-第一半导体组件;24-第一电源开关;25-第二电源开关;26-第一电源;27-第二电源;28-第二半导体组件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8,本发明提供一种技术方案:热传递可逆的小型热电制冷器,包括壳体1和半导体制冷片5,所述半导体制冷片5设置于所述壳体1的顶部,所述壳体1的顶端嵌套设置在所述半导体制冷片5上,并与所述半导体制冷片5贴合固定,所述半导体制冷片5包括顶部绝缘陶瓷片6、底部绝缘陶瓷片7、第一半导体组件23、第二半导体组件28和导热铜块20,所述顶部绝缘陶瓷片6和所述底部绝缘陶瓷片7呈平行设置,所述第一半导体组件23设置于所述顶部绝缘陶瓷片6和所述底部绝缘陶瓷片7中间区域的一侧,所述第二半导体组件28设置于所述第一半导体组件23的对侧,且所述导热铜块20设置于所述第一半导体组件23和所述第二半导体组件28的中间位置,所述第一半导体组件23由多个第一N型半导体14和多个第一P型半导体15构成,所述第一N型半导体14和第一P型半导体15之间呈交叉间隔设置,且所述第一N型半导体14和第一P型半导体15侧面的两端均设有第一接电金属片8,所述第二半导体组件28由多个第二N型半导体11和多个第二P型半导体12构成,所述第二N型半导体11和第二P型半导体12之间呈交叉间隔设置,且第二N型半导体11和第二P型半导体12侧面的两端均设有第二接电金属片9,且所述第一接电金属片8和所述第二接电金属片9的一端均设有通电线10,所述壳体1的一侧安装有MFT温度传感器3,所述壳体1的内部设有STC89C52单片机22,所述STC89C52单片机22的端部分别连接第一电源开关24和第二电源开关25,所述第一电源开关24的一端连接第一电源26,所述第二电源开关25的一端接入第二电源27,且所述第一电源26与所述第一半导体组件23电性连接,所述第二电源27与所述第二半导体组件28电性连接,所述MFT温度传感器3与所述STC89C52单片机22信号连接。
更具体而言,所述壳体1的侧面设有显示模组2,所述显示模组2的一侧嵌入设置在所述壳体1中,并与所述壳体1卡合,且所述显示模组2与所述STC89C52单片机22信号连接,所述显示模组2用于提供直观温度显示,方便观察温度情况。
更具体而言,所述第一半导体组件23和第二半导体组件28在所述顶部绝缘陶瓷片6和底部绝缘陶瓷片7中间位置的两侧呈中心对称设置,所述第一半导体组件23和第二半导体组件28之间呈中心对称设置,在相对位置上第一半导体组件冷端16位置以及第二半导体组件热电堆19处于同一平面,利用第一半导体组件冷端16进行吸热制冷,第二半导体组件热电堆19放热进行温度调节。
更具体而言,所述第一N型半导体14、第一P型半导体15、第二N型半导体11和第二P型半导体12的端部均设有桥接金属片13,且所述第一N型半导体14与第一P型半导体15在所述桥接金属片13上呈“几”字形排列,所述第二N型半导体11与第二P型半导体12在所述桥接金属片13上呈“几”字形排列,所述第一N型半导体14与第一P型半导体15以及第二N型半导体11与第二P型半导体12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。
更具体而言,所述第一半导体组件23的顶部形成第一半导体组件冷端16,所述第一半导体组件冷端16的对侧形成第一半导体组件热电堆17,所述第二半导体组件28的顶端形成第二半导体组件热电堆19,所述第二半导体组件热电堆19的对侧形成第二半导体组件冷端18,通过所述第一半导体组件冷端16和第二半导体组件热电堆19之间的配合进行制冷温度的调节。
更具体而言,所述壳体1一侧的底端设有散热口4,所述散热口4与所述壳体1连通,所述散热口4可连接散热器等设备,通过主动散热的方式来降低第一半导体组件热电堆17温度,第一半导体组件冷端16温度也会相应的下降,从而达到更好的制冷效果。
更具体而言,所述第一N型半导体14和第二N型半导体11具体为电子型半导体,所述第一P型半导体15和第二P型半导体12具体为空穴型半导体,外加电场作用下,电子在第一N型半导体14和第一P型半导体15以及第二N型半导体11和第二P型半导体12发生定向运动,分别出现吸热、放热现象。
更具体而言,所述壳体1的底部设有电源适配器21,所述第一电源26和所述第二电源27均与所述电源适配器21电性连接,所述电源适配器(21)的工作电压为5.5-3.3V,本发明优选5.0V,所述电源适配器21进行交流输入转换为直流输出。
实施例一:第一N型半导体14和第二N型半导体11为电子型半导体,即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体,第一P型半导体15和第二P型半导体12为空穴型半导体,即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体,当有电流通过不同的导体组成的回路时,除产生不可逆的焦耳热外,在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象,即外加电场作用下,电子在第一N型半导体14和第一P型半导体15以及第二N型半导体11和第二P型半导体12发生定向运动,将一部分电流产生的内能带到电场另一端。
实施例二:第一半导体组件23和第二半导体组件28在半导体制冷片5上中心对称,第一半导体组件23的第一半导体组件冷端16以及第二半导体组件28的第二半导体组件热电堆19朝向制冷方向,即第一半导体组件冷端16与第二半导体组件热电堆19处于同一水平面,装置通电后沿电流从正极到负极方向,第一半导体组件冷端16和第二半导体组件冷端18吸热,第一半导体组件热电堆17和第二半导体组件热电堆19放热,因此处于同一平面的第一半导体组件冷端16能够起到制冷效果,第二半导体组件28 利用MFT温度传感器3探测温度,根据MFT温度传感器3所感知温度情况采用STC89C52单片机22控制第二电源开关25,制冷温度低于既定阈值时连接第二电源开关25使第二半导体组件28上的第二半导体组件热电堆19放热调节温度。
工作原理:在半导体制冷片5上有分别有两组中心对称的第一半导体组件23和第二半导体组件28,二者端部上下位置相反,第一半导体组件23通电后在其顶部形成第一半导体组件冷端16吸热用于制冷,第二半导体组件28通电后其顶部形成第二半导体组件热电堆19用于放热调温,并且第一半导体组件23和第二半导体组件28分别连接单独的第一电源26和第二电源27,与第一电源26和第二电源27相应的第一电源开关24和第二电源开关25采用STC89C52单片机22控制,在进行制冷时,第一半导体组件23通电,电子在第一N型半导体14和第一P型半导体15发生定向运动,将内能带到电场另一端出现第一半导体组件冷端16吸热、第一半导体组件热电堆17放热现象,其中第一半导体组件冷端16降温进行制冷,这一过程中导热铜块20进行导热以达到更好的制冷效果,MFT温度传感器3对制冷温度进行监测,当制冷温度到达一定阈值时,断开第一电源开关24并接通第二电源开关25,此时第二半导体组件28通电,由于第一半导体组件23和第二半导体组件28之间呈中心对称,二者端部上下位置相反,在第二半导体组件28顶部所形成的第二半导体组件热电堆19开始放热进行温度调节,实现该热电制冷器的自动化调温能力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.热传递可逆的小型热电制冷器,包括壳体(1)和半导体制冷片(5),其特征在于:所述半导体制冷片(5)设置于所述壳体(1)的顶部,所述壳体(1)的顶端嵌套设置在所述半导体制冷片(5)上,并与所述半导体制冷片(5)贴合固定,所述半导体制冷片(5)包括顶部绝缘陶瓷片(6)、底部绝缘陶瓷片(7)、第一半导体组件(23)、第二半导体组件(28)和导热铜块(20),所述顶部绝缘陶瓷片(6)和所述底部绝缘陶瓷片(7)呈平行设置,所述第一半导体组件(23)设置于所述顶部绝缘陶瓷片(6)和所述底部绝缘陶瓷片(7)中间区域的一侧,所述第二半导体组件(28)设置于所述第一半导体组件(23)的对侧,且所述导热铜块(20)设置于所述第一半导体组件(23)和所述第二半导体组件(28)的中间位置,所述第一半导体组件(23)由多个第一N型半导体(14)和多个第一P型半导体(15)构成,所述第一N型半导体(14)和第一P型半导体(15)之间呈交叉间隔设置,且所述第一N型半导体(14)和第一P型半导体(15)侧面的两端均设有第一接电金属片(8),所述第二半导体组件(28)由多个第二N型半导体(11)和多个第二P型半导体(12)构成,所述第二N型半导体(11)和第二P型半导体(12)之间呈交叉间隔设置,且第二N型半导体(11)和第二P型半导体(12)侧面的两端均设有第二接电金属片(9),且所述第一接电金属片(8)和所述第二接电金属片(9)的一端均设有通电线(10),所述壳体(1)的一侧安装有MFT温度传感器(3),所述壳体(1)的内部设有STC89C52单片机(22),所述STC89C52单片机(22)的端部分别连接第一电源开关(24)和第二电源开关(25),所述第一电源开关(24)的一端连接第一电源(26),所述第二电源开关(25)的一端接入第二电源(27),且所述第一电源(26)与所述第一半导体组件(23)电性连接,所述第二电源(27)与所述第二半导体组件(28)电性连接,所述MFT温度传感器(3)与所述STC89C52单片机(22)信号连接。
2.根据权利要求1所述的热传递可逆的小型热电制冷器,其特征在于:所述壳体(1)的侧面设有显示模组(2),所述显示模组(2)的一侧嵌入设置在所述壳体(1)中,并与所述壳体(1)卡合,且所述显示模组(2)与所述STC89C52单片机(22)信号连接。
3.根据权利要求1所述的热传递可逆的小型热电制冷器,其特征在于:所述第一半导体组件(23)和第二半导体组件(28)在所述顶部绝缘陶瓷片(6)和底部绝缘陶瓷片(7)中间位置的两侧呈中心对称设置。
4.根据权利要求1所述的热传递可逆的小型热电制冷器,其特征在于:所述第一N型半导体(14)、第一P型半导体(15)、第二N型半导体(11)和第二P型半导体(12)的端部均设有桥接金属片(13),且所述第一N型半导体(14)与第一P型半导体(15)在所述桥接金属片(13)上呈“几”字形排列,所述第二N型半导体(11)与第二P型半导体(12)在所述桥接金属片(13)上呈“几”字形排列。
5.根据权利要求3所述的热传递可逆的小型热电制冷器,其特征在于:所述第一半导体组件(23)的顶部形成第一半导体组件冷端(16),所述第一半导体组件冷端(16)的对侧形成第一半导体组件热电堆(17),所述第二半导体组件(28)的顶端形成第二半导体组件热电堆(19),所述第二半导体组件热电堆(19)的对侧形成第二半导体组件冷端(18)。
6.根据权利要求1所述的热传递可逆的小型热电制冷器,其特征在于:所述壳体(1)一侧的底端设有散热口(4),所述散热口(4)与所述壳体(1)连通。
7.根据权利要求1所述的热传递可逆的小型热电制冷器,其特征在于:所述第一N型半导体(14)和第二N型半导体(11)具体为电子型半导体,所述第一P型半导体(15)和第二P型半导体(12)具体为空穴型半导体。
8.根据权利要求1所述的热传递可逆的小型热电制冷器,其特征在于:所述壳体(1)的底部设有电源适配器(21),所述第一电源(26)和所述第二电源(27)均与所述电源适配器(21)电性连接,所述电源适配器(21)的工作电压为5.5-3.3V,本发明优选5.0V。
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