CN110056684B - 一种阻断半导体热电制冷热量与冷量回流的阀门 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阻断半导体热电制冷热量与冷量回流的阀门，包括：半导体制冷制热器本体，所述制冷制热器本体包括：冷端和热端，所述制冷制热器本体的内冷端设有石墨烯石蜡蓄冷片，所述制冷制热器本体的外热端设置有石墨烯石蜡蓄热片和散热器，在蓄热片与半导体之间安装有阀门；阀门包括：前后推拉式直流电阀门、左右移动式交流电阀门、前后抖动式电动阀门、前后推拉式膨胀阀门及左右移动式磁阀门。本发明当冰箱各测点的均方温度达到设定温度时，机组停机，热阀门断开导热回路的接触面，阻止热量回流；当冰箱各测点的均方温度上升时，机组启动，微动阀门打开导热回路，继续制冷工况；采用均方温度能够避免局部温度波动造成冰箱的频繁起停。

Description

一种阻断半导体热电制冷热量与冷量回流的阀门

技术领域

本发明涉及一种阻断半导体热电制冷热量与冷量回流的阀门，属于制冷制热设备技术领域。

背景技术

制冷(制热)，通常是指根据热力学第一、第二定理在机械能、化学能或其它能源驱动下，从低于环境的物体中吸热(放热)，并转移至环境介质的热力过程。制冷(制热)已经广泛应用于移动空调、湿度控制、食品冷藏、饮料冷却、汤水保温、量子计算等诸多行业。现代人工作生活的各个方面，鲜有跟制冷(制热)设备毫无关系的，比如量子深度学习计算机与量子加密通信机的运行均在严格的超低温或者亚低温控制的条件下进行。石墨烯绝缘体的量子计算使得亚低温运算成为可能，这就带来了半导体制冷的新的巨大的市场需求。现在用于深度学习的GPU或者TPU必须运行在17度的室温状态，学习效率最高，飞机飞到万米高空，环境温度会降到零下55度，人工智能模块就启动不起来了，所以需要在爬升过程中加热模块的箱体。在食品冷藏的应用中，将食品温度降低至零下18℃以下的制冷过程，通常被称为冷冻，而维持食品温度在零下18℃以上，则称作冷却。冷却和冷冻使对肉类和肉制品的处理过程，比不使用机械制冷时要卫生得多，0℃以上活性物品的保鲜通常称为冷藏，低于零下65℃以下的制冷过程是超低温冰箱，可以用于常温超导量子计算。冰箱和空调都是采用制冷的原理。从化工的角度，一般都是采用一种临界点高的气体，加压液化，然后再使它汽化吸热，反复进行这个过程，液化时在其他地方放热，汽化时对需要的范围吸热。以前制冷剂一般使用氨，氨是最容易液化的气体，但氨泄露后有毒，所以后来改用无毒无嗅的氟氯烃，但在20世纪80年代发现氟氯烃是破坏地球臭氧层的主要罪魁祸首，因而引起气候变化，使用氟氯烃替代品的无氯冰箱和空调开始得到研究和应用。还有一种使用帕尔帖效应的，不需要制冷剂的制冷方式:在两种不同性质的导体或半导体的结合处通以电流，会在两端产生冷热两极。用这种原理制造的冰箱已经出现，但由于功率小，制造复杂，目前只能应用在小型冰箱或中等大小酒柜中。现有的半导体制冷冰柜中，为控制箱体内的温度，常规的做法是比较箱体内的平均温度和设定温度，利用PID调节器规则来确定半导体制冷片的工作启停时间，或者控制供电电压以及调节散热器的风扇转速，但在利用PID调节器对热电冰箱进行温度控制时，冰箱达到预定温度停机时段，由于导热效应，热端的热量会很快回流到冷端，造成冰箱箱体内温度回升，整个冰箱的制冷效果及制冷系数大幅度下降。制热也是同样的情形，由于导热效应，冷端的冷量会很快回流到热端，造成制热机组温度下降，整个机组的制热效果及制热系数大幅度下降。

在现有的改进半导体热电冰箱的温度控制技术中，大多数的技术路线是从改进PID调节规则出发，更改或完善温度计测点以及计算路径，以弥补热量或冷量的回流缺陷并获得较高的制冷制热效率，但是这些改进措施并不能消除热量或冷量的回流，而是利用大量的温度测点与频繁的设备启停来控制温度，不但增加了设备成本而且极有可能导致设备损坏。为此，需要设计出相应的技术方案给予一劳永逸的解决。

发明内容

本发明是针对现有技术存在的不足，提供一种阻断半导体热电制冷热量或热电制热冷量回流的阀门，解决了现有技术中存在的技术与成本的缺点，满足实际使用要求。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种阻断半导体热电制冷热量与冷量回流的阀门，包括：半导体制冷制热器本体，所述制冷制热器本体包括：内冷端和外热端，所述制冷制热器本体的内冷端设置有石墨烯石蜡蓄冷片，所述制冷制热器本体的外热端设有石墨烯石蜡蓄热片和散热器，在所述蓄热片与半导体之间安装有阀门；

所述阀门包括：前后推拉式直流电阀门、左右移动式交流电阀门、前后抖动式电动阀门、前后推拉式膨胀阀门及左右移动式磁阀门。

作为上述技术方案的改进，前后推拉式直流电阀门包括：叉指电路和软硅胶垫，所述前后推拉式直流电阀门是利用静态同性相斥异性相吸电场原理，将所述叉指电路按尖端对称平衡放电形式贴敷于所述软硅胶垫上，并排布置成2N个门，相接触的门输入的电荷相反时，阀门都贴在一起，处于导热开通状态；反之，阀门都互相排斥悬离，冷热传递阻断，阀门关闭。

作为上述技术方案的改进，所述左右移动式交流电阀门包括：叉指电路和软硅胶垫，所述前后推拉式直流电阀门是利用动态同性相斥异性相吸电场原理，将所述将叉指电路按动态平移形式贴敷于所述软硅胶垫上，并排布置成2N个门；所述门上设置有相间均匀排列导热条与隔热条，相接触的门输入的电流相位相差120度时，阀门开始运动，直到相邻门的导热条与导热条重叠，隔热条与隔热条重叠，处于导热开通状态；反之，相位相差-120度，阀门反向运动，回到原位，导热条与隔热条重叠，冷热传递阻断，阀门关闭。

作为上述技术方案的改进，所述前后抖动式电动阀门包括：软硅胶垫和微动陶瓷片，所述前后抖动式电动阀门是利用电震动原理，将所述微动陶瓷片贴敷于所述软硅胶垫中心，并排布置成2N个门，在石墨烯片上安装有压电陶瓷，当阀门片上导通的频率与相位相同时，阀片的抖动步伐一致，阀门都贴在一起，处于导热开通状态，阀门接通；反之，阀片上接通的频率不同，阀片抖动不一致，互相碰撞排斥，冷热传递阻力变大，等效于阀门关闭。

作为上述技术方案的改进，所述前后推拉式膨胀阀门包括：软硅胶垫和聚苯乙烯茂铁衍生物型电子肌肉，所述前后推拉式膨胀阀门是利用电膨胀胶体晶体原理，将所述聚苯乙烯茂铁衍生物型电子肌肉按对称平衡起伏形式贴敷于所述软硅胶垫上，并排布置成2N个门，相接触的门通电时，阀门都膨胀而贴在一起，处于导热开通状态；反之，断电时候，阀门都收缩悬离，冷热传递阻断，阀门关闭。

作为上述技术方案的改进，所述左右移动式磁阀门包括：软硅胶垫和动圈电路，所述左右移动式磁阀门是利用同性相斥异性相吸磁场原理，将类似无线充电的动圈电路按动态平移形式贴敷于所述软硅胶垫上，并排布置成2N个门，在门上相间均匀排列有导热条与隔热条，相接触的门输入的电流方向相反时，阀门开始运动，直到相邻门的导热条与导热条重叠，隔热条与隔热条重叠，处于导热开通状态；反之，阀门反向运动，回到原位，导热条与隔热条重叠，冷热传递阻断，阀门关闭。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本发明所述阻断半导体热电制冷热量回流与制热冷量回流的阀门，当冰箱各测点的均方温度达到设定温度时，机组停机，热阀门断开导热回路的接触面(或者获得尽可能小的导热系数)，阻止冷热量回流；当冰箱各测点的均方温度上升时，机组启动，微动阀门打开导热回路，继续制冷或制热工况；采用均方温度能够避免局部温度波动造成冰箱的频繁起停。

附图说明

图1为本发明所述半导体制冷制热器本体立体结构示意图；

图2为本发明所述前后推拉式直流电阀门结构示意图；

图3为本发明所述左右移动式交流电阀门结构示意图；

图4为本发明所述前后抖动式电动阀门结构示意图；

图5为本发明所述前后推拉式膨胀阀门结构示意图；

图6为本发明所述左右移动式磁阀门结构示意图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1至图6所示：为本发明所述的阻断半导体热电制冷热量回流与制热冷量回流的阀门结构示意图。

如图1所示：一种阻断半导体热电制冷热量与冷量回流的阀门，包括半导体制冷制热器本体，制冷制热器内冷端设置石墨烯石蜡蓄冷片1，制冷制热器外热端设置石墨烯石蜡蓄热片2和散热器，在蓄热片2与半导体4之间安装有阀门3。

具体地，阀门的具体技术方案：

前后推拉式直流电阀门，如图2所示：这个阀门利用静态同性相斥异性相吸电场原理，将叉指电路按尖端对称平衡放电形式贴敷于软硅胶垫上，并排布置成2N个门(N对应2，3，4，5，6...)，相接触的门输入的电荷相反时，阀门都贴在一起，处于导热开通状态，反之，阀门都互相排斥悬离，冷热传递阻断，阀门关闭。

左右移动式交流电阀门，如图3所示：这个阀门利用动态同性相斥异性相吸电场原理，将叉指电路按动态平移形式贴敷于软硅胶垫上，并排布置成2N个门(N对应2，3，4，5，6...)，导热条与隔热条相间均匀排列，相接触的门输入的电流相位相相差120度时，阀门开始运动，直到相邻门的导热条与导热条重叠，隔热条与隔热条重叠，处于导热开通状态，反之相位相相差-120度，阀门反向运动，回到原位，导热条与隔热条重叠，冷热传递阻断，阀门关闭。

前后抖动式电动阀门，如图4所示：这个阀门利用电震动原理，将微动陶瓷片贴敷于软硅胶垫中心，并排布置成2N个门(N对应2，3，4，5，6...)，石墨烯片上安装的压电陶瓷，当阀门片上导通的频率与相位相同时，阀片的抖动步伐一致，阀门都贴在一起，处于导热开通状态，阀门接通；反之阀片上接通的频率不同，阀片抖动不一致，互相碰撞排斥，冷热传递阻力变大，等效于阀门关闭。

前后推拉式膨胀阀门，如图5所示：这个阀门利用电膨胀胶体晶体原理，将聚苯乙烯茂铁衍生物型电子肌肉按对称平衡起伏形式贴敷于软硅胶垫上，并排布置成2N个门(N对应2，3，4，5，6...)，相接触的门通电时，阀门都膨胀而贴在一起，处于导热开通状态，反之断电时候，阀门都收缩悬离，冷热传递阻断，阀门关闭。

左右移动式磁阀门，如图6所示：这个阀门利用同性相斥异性相吸磁场原理，将类似无线充电的动圈电路按动态平移形式贴敷于软硅胶垫上，并排布置成2N个门(N对应2，3，4，5...)，导热条与隔热条相间均匀排列，相接触的门输入的电流方向相反时，阀门开始运动，直到相邻门的导热条与导热条重叠，隔热条与隔热条重叠，处于导热开通状态；反之，阀门反向运动，回到原位，导热条与隔热条重叠，冷热传递阻断，阀门关闭。

具体量产采用哪一种方案看成本决定，除了以上五种方案以外，还可以采用传统微电机拉动隔离门，成本可能会便宜一些，但是可靠性会降低，所以量产过程必须考虑最小的滑动动件，添加少许滑石粉，减少频繁切换，延长使用寿命。为此，我们建议采用至少两个以上温度测点，一个为近测点，离开半导体中心0.1L的距离，L为箱体的长宽高三个值的均方值，一个为远测点，离开半导体中心0.9L的距离，需要添加中测点的话，离开半导体中心0.5L的距离。各测点温度的均方值用来供给PID调节器输入。如果为了降低成本只用一个测点的话，离开半导体中心0.3L的距离，取间隔T＝15秒(或30秒)的两次采用温度的均方值。因为热空气向上，冷空气向下，近测点应该垂直布置，其它辅助测点可以对角线布置。

冷藏可以考虑采用一级制冷，冷却可以考虑采用二级制冷，冷冻可以考虑采用三级制冷，超冷可以考虑采用四级制冷。保温状态可以采用一级或二级制热，加热状态可以采用三级或四级制热。一级制冷的气密性设计至关重要，需要精致的埋线槽。二级制冷接触性设计至关重要，需要精致的酒瓶槽。三级制冷的内外协调设计至关重要，需要精准的环中环PID。四级制冷以上三点都必须同时到位缺一不可，同时所有箱体材料必须耐低温不开裂，制热状态箱体本身的材料全部需要耐高温防火。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种阻断半导体热电制冷热量与冷量回流的阀门，其特征在于：包括：半导体制冷制热器本体，所述制冷制热器本体包括：内冷端和外热端，所述制冷制热器本体的内冷端设置有石墨烯石蜡蓄冷片（1），所述制冷制热器本体的外热端设置有石墨烯石蜡蓄热片（2）和散热器，在石墨烯石蜡蓄热片（2）与半导体（4）之间安装有阀门（3）；

所述石墨烯石蜡蓄热片（2）与半导体（4）之间的阀门（3）为：前后推拉式直流电阀门、左右移动式交流电阀门、前后推拉式膨胀阀门及左右移动式磁阀门中的一种；

所述前后推拉式直流电阀门包括：第一叉指电路和软硅胶垫，将所述第一叉指电路按尖端对称平衡放电形式贴敷于所述软硅胶垫上，并排布置成2N个门，相接触的2N个门输入的电荷相反时，2N个门都贴在一起，处于导热开通状态；反之，2N个门都互相排斥悬离，冷热传递阻断，前后推拉式直流电阀门关闭；

所述左右移动式交流电阀门包括：第二叉指电路和软硅胶垫，将所述第二叉指电路按动态平移形式贴敷于所述软硅胶垫上，并排布置成2N个门；所述2N个门上设置有相间均匀排列导热条与隔热条，相接触的2N个门输入的电流相位相差120度时，左右移动式交流电阀门开始运动，直到2N个门中相邻的门的导热条与导热条重叠，隔热条与隔热条重叠，处于导热开通状态；反之，相位相差-120度，左右移动式交流电阀门反向运动，回到原位，导热条与隔热条重叠，冷热传递阻断，左右移动式交流电阀门关闭；

所述前后推拉式膨胀阀门包括：软硅胶垫和聚苯乙烯茂铁衍生物型电子肌肉，将所述聚苯乙烯茂铁衍生物型电子肌肉按对称平衡起伏形式贴敷于所述软硅胶垫上，并排布置成2N个门，相接触的2N个门通电时，2N个门都膨胀而贴在一起，处于导热开通状态；反之，断电时候，2N个门都收缩悬离，冷热传递阻断，前后推拉式膨胀阀门关闭；

所述左右移动式磁阀门包括：软硅胶垫和动圈电路，将动圈电路按动态平移形式贴敷于所述软硅胶垫上，并排布置成2N个门，在2N个门上相间均匀排列有导热条与隔热条，相接触的2N个门输入的电流方向相反时，2N个门开始运动，直到将2N个门中的相邻门的导热条与导热条重叠，隔热条与隔热条重叠，处于导热开通状态；反之，2N个门反向运动，回到原位，导热条与隔热条重叠，冷热传递阻断，左右移动式磁阀门关闭。

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