CN1122159A - 装有热电器件的超绝热板及安装方法 - Google Patents

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Abstract

一种超绝热板和热电组件,用来将一个冰箱或其他类型的封闭结构中的温度保持在某一要求值。热电组件包括一个具有热散热器和冷散热器的热电器件。超绝热板最好设置在热散热器和冷散热器之间。在超绝热板中配置一个冷通道,以将热量从冷散热器传导至热散热器,后者又将热量传导至热散热器。在超绝热板中也可设置多个支柱,用来将热电组件安装在超绝热板上。

Description

装有热电器件的超绝热板及安装方法
本发明涉及热电器件,更详细地说是装有热电器件的超绝热板。
热电器件的基本原理和操作已发展多年。现代的热电器件典型地包括利用帕尔帖效应来操作的热电偶矩阵。热电器件实质上是小热泵,它同机械热泵、冰箱或任何其他用于传导热量的器械一样,遵循热力学定律。与更传统的机械/液体加热和冷却器件比较,其主要差别在于,热电器件是靠固态电子器件(热电偶)来工作的。
当向具有热电偶矩阵的热电器件提供直流(DC)电源以后,热电偶的冷侧吸收热量,热量传过热电偶并在热电偶的热侧消失。在热电器件的热侧最好装配上散热器(有对称作“热穴”)以帮助热电偶向毗连环境中散热。同样,在热电器件的冷侧最好装配上散热器(有时称作“冷穴”)以帮助热电偶从毗连环境中吸热。有时热电器件称作热电冷却器;但是,由于它们是一种热源,热电器件既可作冷却器也可作加热器使用。
有许多类型的容器和封闭结构设计成保持某一选定的温度范围。这类容器和封闭结构的例子包括,冰箱、野餐冰箱、敏感电子设备柜和器官移植容器,但也不仅限于此。众所周知的是,在冰箱及便携式冷冻器中使用了靠直流电系统操作的热电器件来保持所需之操作温度。在发明名称为“温控野餐冰箱”的美国专利US4726193中展示了一例具热电冷却器的容器。靠热电器件操作的冰箱的例子可见于:发明名称为“热电冰箱”的美国专利US2837899;发明名称为“热电冰箱”的美国专利US3177670;及发明名称为“冰箱—组装布置”的美国专利US3280573。在发明名称为“真空中具除气多孔结构之热电半导体及使用P型和N型热电半导体之热电板”的美国专利US5168339中,公布了一个电冷冻控制板。
典型的传统冰箱包括一个绝热的封闭体并且具有一个基于氟代烃(氟里昂FREONR)或其他种类烃类蒸气压缩循环的中央制冷系统。制冷系统通常具有比实际热负荷高的制冷能力,这就导致制冷系统在二元工作周期中间歇地工作—不是处于接通就是在断开状态。这个二元工作周期导致了温度的变化,因为当压缩机关闭时冰箱升温而在压缩机工作中温度下降。因此,典型冰箱中的温度并不稳定,而是在上限和下限中循环着的。
现在可得到的制冷系统常常包括一个空气/蒸发器界面,它要求相对较高的空气流动速度以得到最佳的制冷效率并防止在蒸发器上形成霜或冰。这个空气流速通常要大于制冷冰箱内表面所要求之空气速度,这就进一步导致系统的效率降低。
蒸气压缩制冷系统常常使用CFC(含氯氟烃)例如氟里昂FRE-ONR来作为工作液体。CFC对环境的负面影响是众所周知的,而且已有国家和国际法规要求禁止使用此类CFC。其他氟代烃例如HCFC和HFC对于在冰箱系统中使用来说有其自身的局限性和问题。
按照本发明,过去用在这类冰箱中保持设定温度之热电冰箱所固有的缺点和问题得到了大幅度的降低或消除。本发明提供了一个既对环境无害又节能的高效、无氟代烃的制冷系统。
本发明提供了一个超绝热板以安装在例如冰箱的容器或封闭结构中,超绝热板包括一个具有热电器件及两个相连的散热器(有时称作热穴和冷穴)的热电组件。热电器件和热散热器最好设置在超绝热板的一侧。冷散热器最好设置在超绝热板的相对一侧。冷通道安装在超绝缘板内,位于超绝缘板一侧的热电器件及所连的热散热器与位于超绝缘板相对另一侧的冷散热器之间。在超绝热板中可以设置一个或多个支柱以用来将热散热器、冷散热器及相连热电器件安装到超绝热板的外表面上,并且将冷通道配置在二者之间。
本发明的一个显著的技术上的优点包括超绝热板及其所附热电组件可用来为多种类型的容器、盒子及其他种类的封闭结构提供制冷。
本发明的又一个显著的技术上的优点包括,它消除或大幅度减小了在封闭结构上安装制冷系统并从封闭结构中吸热所要求的大量开口。如有要求,在超绝热板中可以设置一个冷通道从而允许热量经过超绝热板传导而无需在超绝热板中设置任何开口。
参照附图及下面的说明可对本发明及其优点得到一个更完全的理解,附图中:
图1为一个按照本发明一个方面的装有具热电组件的超绝热板的冰箱或封闭结构的轴测透视图;
图2为图1中超绝热板的示意图,其中热电组件部分已剖去;以及
图3为沿图2中线3—3之放大的剖面图,部分已剖去。
参照图1至图3可很好地理解本发明之各实施例及其优点。各图中的类似的标号用于不同图中的相同或相应部分。
如图1所示,冰箱或封闭结构20包括超绝热板30,其上装有热电组件50。为便于图示,具热电组件50的超绝热板30如图所示装在冰箱20的顶部22中。如有要求,具热电组件50之超绝热板30也可安装在冰箱20的侧面,背面,冰箱的门或底部。可以改变超绝热板30及其相连的热电组件50的位置以对应冰箱20的具体用途提供最佳的性能。超绝热板30及热电阻件50也可用于多种类型之封闭容器,如电子设备柜、药品柜、器官移植容器等。本发明中之具热电组件的超绝热板也不仅限于冰箱或冷冻箱中使用。
在本专利申请中,“超绝热板”一词一般用来指具有大于20左右(R20/英寸、R20/2.54cm)的R值/英寸(R值/2.54cm)(热能传导阻值)的绝热材料。“R”值常用来量度绝热性能,式中R值是一热阻值,且R值愈高,绝热性能愈好。R值/英寸(R值/2.54cm)用来比较不同绝热材料的热性能。例如,纤维玻璃的R值/英寸(R值2.5cm)约为3.2hr—ft2—°F/BTU(0.56m2k/w),而苯乙烯泡沫的R值/英寸(R值/2.54cm)约为5hr—ft2—°F/BTU(.088m2k/w)。
多种类型的超绝热板都可满意地用于本发明。这种具高R值的超绝热板的例子可见于发明名称为“制造高R超绝缘热板之方法”的美国专利US5090981和发明名称为“高R超绝热板”的美国专利US5094899。在尚未批准的于1992年12月23日申请的美国专利申请系列号07/993883中提出了一优选超绝热板。所有上述这些专利都在本申请中引入以作为涉及本申请的各种用途时的参考。这类超绝热板可以从位于俄亥俄州多伦多市的欧文斯—考宁纤维玻璃公司(Owens—Coming Fiberglass Corp)得到。欧文斯—考宁公司用于这些超绝热板的商标为“AURA”。超绝热板可用于制造冰箱20的侧壁、底壁、箱门组件、及/或顶壁或部分箱顶。
由图1和图2示出的超绝热板30的形状一般为方形。但是,具有长方形、椭圆形、圆形或任何几何形状的超绝热板都可以令人满意地用于本发明。超绝热板30最好包括具有第一壁34和第二壁36的密封套32。密封套32在壁34和36之间可以装备多种类型的填充料或绝热物38和支撑结构40。密封套32通常在壁34和36的边缘密封以使密封套32内保持真空。对于某些用途来讲,超绝热板30的密封套32可抽成10-4Torr至10Torr的真空。密封套32最好由不透气材料制成。
多种材料可作为绝热料或填充料38。美国专利US5090981和5094899提出以使用矿物纤维板和填充在纤维板间隙中的颗粒物质来实现填充料38和支撑结构40的功能。一个发明名称为“密实的真空绝热”的美国专利US5157983提出使用球状玻璃或瓷珠作为填充料38并使用连续金属片作为支撑结构40。一个发明名称为“真空绝热板及制造真空绝热板之方法”的美国专利US5252408提出使用碳颗粒、活性碳黑、硅胶或其他适当混合的的压制块来实现填充料38和支撑结构40的功能。一个发明名称为“绝缘冰柜真空绝热系统”的美国专利US5082335提出使用具有填充了微孔填充绝缘材料之多个密封室的真空绝热板。上述各个专利都结合作为本申请的参考文件。
参照图3,在超绝热板30组件中,块状物80是位于密封套32中壁34和36之间。块状物80最好由具高热传导性的金属如铜制成。块状物80超起着热短路的作用以允许热能在超绝热板30中的传导,下文对此还会作具体描述。块状物80亦可称为“冷通道”(cold finger)。
多个柱或支柱82可用来安装热电组件50并最好配置于密封套32中在壁34和36间。在每个柱82的每端上都设有螺纹孔84以提供安装热电组件50到超绝热板30上去的一种方法。最好在各个柱82的末端与壁34和36的相毗连的部分之间安装上真空密封(图中未示出),以有助于在超绝热板30中形成所要求的真空。
对某些用途来说,最好在分别与壁34和36相毗连的垫片92和94之间安装超绝热板30。热片92和94可由玻璃纤维增强塑料或其他合适材料制成以为毗连的超绝热板30提供尺寸稳定性和强度。对于由图1、图2示出的本发明之实施例来说,壁34和垫片94代表冰箱之外表面,壁36和垫片92代表冰箱之内表面。
热电组件50包括在其相对两侧配置有第一散热器60和第二散热器70的热电器件52。热电器件52最好包括在导热板56和58之间配置的许多热电偶或热电偶元件54。对某些用途来说,导热板56和58可由陶瓷及/或所要求之复合材料制成。热电元件54可选用例如碲化铋之材料以提供具有所要求之热电特性的P—N结矩阵,从而使热电器件52起到热泵的作用。
热电元件54的连接最好是串联且在导热上并联。导线或电源线24(图1)用来提供电能,如来自12V直流电源(图中未示出)之电能。电源可为电池、直流发电机、交/直流变流器、或者其他任何合适的直流电源。当直流电提供给热电器件52以后,热为导热板58所代表之冷侧吸收、并经过热电元件或热电偶54、且在导热板56之热侧消失。
在热板56上装上第一散热器60,可以大大提高热电器件52的效率。冷通道80配置在超绝热板30中以便把散热器70及冷板58进行热传导上的连接。为将第一散热器60和热电器件52安装到超绝热板30的壁34上,可使用多种粘接技术和安装方法。同样,为将第二散热器70安装到超绝热板30的壁36上,也可采用多种粘接技术和安装方法。对某些用途来说,为将热电组件50安装至超绝热板30上,可使用可导热的环氧树脂化合物和粘合剂。对其他用途来说,为将热电组件50安装到超绝热板30上,可以使用热脂或铟箔。
散热器60和70图中所示为由合适材料如铝或铜模压成一个整体的翅片式热交换器。散热器60和70可由具有所要求之导热性和强度特性的其它类型材料制成。此外,其他热交换器的设计如刺状翅片,带槽的翅片或翅片焊接式散热器可以用来代替图1和3中所示之整体模压散热器60和70。
如图2和3所示,本发明之一个实施例包括,通过将多个螺钉86分别与各自的柱82相啮合,以将热电组件50安装到超绝热板30上。柱82最好由对热传导具较高热阻的材料制成。各个柱82的各端最好分别与壁34和36的毗连部分相粘接。要求上述这种粘接是为了实现密封(图中未示出)以在密封套32中保持真空。为了更好地图示本发明,在图2中略去了散热器60。
在各个壁34和36上都制有多个孔88,以对应相连的柱82及其螺纹孔84的位置。孔88和螺纹孔84相互配合以便使用螺钉86将热电组件50安装到超绝热板30上。螺钉86可分别插入壁34和36中的孔88中,以将散热器60和热电器件52安装到超绝热板30的一侧上,而将第二散热器70安装到超绝热板30的另一侧上,而使冷通道80夹在其中。
当直流电提供给热电器件52后,热能将自冰箱20之内表面经散热器70和冷通道80流动到热传导板58。在热导板58上的热能由热电元件54传导至热导柱56,并由散热器60散失或扩散至冰箱20的外表面。如有要求,通风装置如装有螺旋浆片及/或叶轮(图中示示出)的电动机(图中未示出)可配置在与散热器60及/或散热器70相毗连的地方,以帮助疏通空气以及将热能经热电组件50自冰箱20内表面传导到冰箱20外表面。发明名称为“温控野餐冰箱”的美国专利US4726193展示了与热电器件配合使用通风装置的一些例子,为了本申请的目的将其结合作参考文献。
也可以使用多种类型的粘接、焊接工艺及/或用夹子作为螺钉86和柱82的代用品,将热电组件50安装到超绝热板30的外表面上。将热电组件50安装到超绝热板30上的基本要求是,确保热电阻件52的热传导板58和冷通道80被安装在壁34的相对两侧并相互毗连。同样,散热器70和冷通道80最好配置在壁36的相对两侧并相互毗连。只要在热电器件52、冷通道80和散热器60及70间实现了上述关系,可以成功地采用多种类型之安装工艺。
尽管已详尽地描述了本发明及其优点,应该理解的是,可以实现多种改变、替代和代用而不背离以下权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一个超绝热板,上面装有热电组件以控制封闭结构之中的温度,包括:
一超绝热板,它的一部分由一个具有第一壁和第二壁的密封套形成;
一个热电器件,其一侧装有第一散热器且其另一侧与密封套第一壁之外表面相接触;
一第二散热器,它与第二壁之外表面相接触;及
一冷通道,它夹在第一壁与第二壁之间安装在密封套中,用来从第二散热器向热电器件传导热能。
2.按照权利要求1之超绝热板,其特征在于还包括:
多个支柱,它们由对热传导呈较高热阻的材料制成,夹在第一壁与第二壁之间装配在密封套中;及
多个螺钉,它们分别穿过散热器出去延伸且与相连支柱中之螺纹孔相啮合,是将第一散热器和第二散热器安装到超绝缘板上用的。
3.按照权利要求1之超绝热板,其特征在于还包括一个填充有绝热材料的真空板,绝热材料是从矿物纤维板、玻璃珠、及微孔填充材料中选出的材料。
4.按照权利要求1之超绝热板,其特征在于所述的封闭结构还包括一个冰箱。
5.按照权利要求1之超绝热板,其持征在于所述的封闭结构包括一个顶端装有超绝缘板的冰箱。
6.按照权利要求1之超绝热板,其特征在于它的热能传导阻值,R值/英寸(2.54cm)应大于20,即R20/英寸或R20/2.54cm。
7.按照权利要求1之超绝热板,其特征在于还包括由不透气材料制成的密封套以及在密封套中密封制成的真空。
8.按照权利要求1之超绝热板,其特征在于还包括在密封套中密封而成的10-4Torr至104Torr的真空和矿物纤维板设置在第一壁和第二壁之间。
9.按照权利要求1之超绝热板,其特征在于所述的热电器件用环氧树脂化合物安装在第一壁上,所述的第二散热器用环氧树脂化合物安装在第二壁上。
10.一种安装在超绝热板上用来控制一个封闭结构之中的温度的热电组件,包括:
一超绝热板,它的一部分由一个具第一壁和第二壁的密封套形成;
一热电器件,其一侧安装有第一散热器且其另一侧与密封套第一壁之外表面相接触;
一第二散热器,它与第二壁之外表面相接触;及
一冷通道,它夹在第一壁与第二壁之间安装在密封套中,用来从第二散热器向热电器件传导热能。
11.按照权利要求10之热电组件,其特征在于还包括:
多个支柱,它们由不导热材料制成,且夹在第一壁与第二壁之间、装配在密封套中;以及
多个螺钉,它们分别穿过散热器延伸出去且与相连支柱中之螺纹孔相啮合,用来将第一散热器和第二散热器安装到超绝热板上去。
12.按照权利要求10之热电组件,其特征在于超绝热板进一步包括一个其中填充有绝热材料的真空板;绝缘材料是从矿物纤维板、玻璃珠、及微孔填充材料中选出的材料。
13.按照权利要求10之热电组件,其特征在于还包括与第一壁相邻配置的第一垫片和与第二壁相邻配置的第二垫片。
14.按照权利要求10之热电组件,其特征在于,所述的封闭结构还包括一个在其顶端装有超绝热板的冰箱。
15.按照权利要求10之热电组件,其特征在于所述的超绝缘板具有热能传导组值,R值/英寸(2.54cm)大于20即R20/英寸或R/20/2.54cm。
16.按照权利要求10之热电阻件,其特征在于还包括由不透气材料制成的密封套以及在密封套中密封制成的真空。
17.按照权利要求10之热电组件,其特征在于还包括在密封套中密封而成的10-4Torr至104Torr的真空和矿物纤维板设置在第一壁和第二壁之间的。
18.将热电组件安装到超绝热板上去的方法,包括下述步骤:
用一个具有第一壁和第二壁的不透气密封套制成超绝热板;
将一个冷通道装在密封套中夹在第一壁与第二壁之间;
在毗连冷通道的第一壁之外表面上安装一个热电器件,在热电器件上面对冷通道安装第一散热器;及
在毗连冷通道的第二壁上安装第二散热器。
19.按照权利要求18之方法,其特征在于还包括下述步骤:
在超绝热板上第一壁与第二壁之间,安装多个支柱;以及
从第一散热器和第二散热器穿过多个螺钉以与相连系的支柱中的螺纹孔相啮合,以将热电组件装在超绝热板上。
20.按照权利要求18之方法,其特征在于还包括下述步骤:
在毗连冷通道的地方配置热电组件并使第一壁充置在二者中间,且第一散热器自热电器件延伸出去并与冷通道相面对;及
在毗连冷通道的地方安装第二热交换器并使第二壁设置在二者之间。
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