CN1128329C - 半导体致冷器件冷热交换式制热、制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于热水器、空调制热等家电产品上或空调、冰箱等制冷电器上的以半导体致冷器件为冷热交换元件的制热、制冷器。制热器是将多块半导体致冷器件镶嵌在框架式绝缘绝热中间基板上，各半导体致冷器件的制热面和制冷面分别位于中间基板的两面，对应中间基板各半导体致冷器件制冷面的一面紧贴设有热介质通道或散热片，对应中间基板各半导体致冷器件制热面的一面紧贴设有冷介质通道。制冷器是将多个半导体致冷器件镶嵌在框架式绝缘绝热中间基板上，各半导体致冷器件的制冷面和制热面分别位于中间基板的两面，对应中间基板的各半导体致冷器件制冷面的一面紧贴设有防冻介质通道，且该防冻介质通道的进、出口与冷冻器排管连通构成循环通道，对应中间基板的各半导体致冷器件制热面的一面紧贴设有冷介质通道。

Description

半导体致冷器件冷热交换式制热、制冷器

本发明涉及一种用于热水器、空调制热等家电产品上或空调、冰箱等制冷电器上的冷热交换式制热、制冷器及其制作方法，特别是以半导体致冷器件为热交换元件的冷热交换式制热、制冷器及其制作方法。

目前，半导体致冷器件在电子制冷、制热等设备上已有应用，如医用冰箱、饮水机等。但到现在为止，其半导体致冷器件使用时均只利用其一个工作面(或利用其制冷面，或利用其制热面)，没有充分利用半导体致冷器件本身所具有的温差特性，使得目前的电子制冷制热设备的制冷制热效率较低，无法再提高到更高的高度。

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种制热、制冷效率极高的具有双面互鉴能量传递交换效应的半导体致冷器件冷热交换式制热、制冷器及其制作方法。

本发明的技术解决方案：

一种具有双面互鉴能量传递交换效应的半导体致冷器件冷热交换式制热器，其特征在于它将多块半导体致冷器件镶嵌在框架式绝缘绝热中间基板上，且各半导体致冷器件的电源线沿中间基板的导线槽布置并有序串接为一体，其共用两端接外部电源，各半导体致冷器件的制热面和制冷面分别位于中间基板的两面，对应中间基板各半导体致冷器件制制冷面的一面紧贴设有热介质通道或散热片，对应中间基板各半导体致冷器件制热面的一面紧贴设有冷介质通道。

一种具有双面互鉴能量传递交换效应的半导体致冷器件冷热交换式制冷器，其特征在于它将多个半导体致冷器件镶嵌设置在框架式绝缘绝热中间基板上，且各半导体致冷器件的电源线沿中间基板的导线槽布置并有序串接为一体，其共用两端接外部电源，各半导体致冷器件的制冷面和制热面分别位于中间基板的两面，对应中间基板的各半导体致冷器件制冷面的一面紧贴设有防冻介质通道，且该防冻介质通道的进、出口与冷冻器排管连通构成循环通道，对应中间基板的各半导体致冷器件制制热面的一面紧贴设有冷介质通道。

一种具有双面互鉴能量传递交换效应的半导体致冷器件冷热交换式制热、制冷器的制作方法，其特征在于对于半导体致冷器件冷热交换式制热器，通过控制将半导体致冷器件制冷端面的工作环境温度提高而迫使其制热端面的工作点温度上升；对于半导体致冷器件冷热交换式制冷器，通过控制将半导体致冷器件制热端的工作环境温度降低而迫使其制冷端面的工作点温度下降，从而获得另一端传递交换来的巨大能量，得到超出其半导体致冷器件电功率的转换效率。

本发明首次利用了半导体致冷器件“温差元件”工作时冷端与热端两个工作端面的双向互鉴双效传递能量的特点，打破以往仅仅是单向一端的应用(其要么是制冷端面的冷源单一利用，要么是制热端面的热源单一利用)，而疏忽了半导体致冷器件直流导通时一端制冷，其另一端制热的双向工作特性。这一工作特性明显的表现在其制冷端面与制热端面存在着一个特定的温差函数。本发明充分地利用这一特定的温差函数，人为地提高或降低其一个端面的工作环境温度，利用半导体致冷器件这一温差特性，通过控制其一个端面的工作环境温度使之提高或降低，得到其另一个端面的工作点温度上升或降低。本发明利用这一效应并把它推广应用到中低温电热转换场所、电制冷场所，其双面互鉴利用产生的电热转换效率，或电制冷效率均大大超过传统以半导体致冷器件为热交换元件的冷热交换式制热、制冷器的制热、制冷效率。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明制热器的结构示意图。

图2是本发明制冷器的结构示意图。

本发明的方法是，对于半导体致冷器件冷热交换式制热器，通过控制将半导体致冷器件制冷端面的工作环境温度提高而追使其制热端面的工作点温度上升；对于半导体致冷器件冷热交换式制冷器，通过控制将半导体致冷器件制热端的工作环境温度降低而迫使其制冷端面的工作点温度下降，从而获得另一端传递交换来的巨大能量，得到超出其半导体致冷器件电功率的转换效率。

本发明的半导体致冷器件冷热交换式制热器结构如图1所示，它将多块半导体致冷器件1镶嵌在框架式绝缘绝热中间基板2上，且各半导体致冷器件1的电源线沿中间基板2的导线槽布置并有序串接为一体，其共用两端接外部电源，使得各半导体致冷器件1的制热面和制冷面分别位于中间基板2的两面，对应中间基板2各半导体致冷器件1制冷面的一面紧贴设有热介质通道3或散热片，对应中间基板2各半导体致冷器件1制热面的一面紧贴设有冷介质通道4。

本发明中，中间基板2的对应各半导体致冷器件1制冷面的一面所紧贴设置的热介质通道3应为曲线式通道，以增加介质进行交换的时间，它可以是金属盘管构成(如紫铜盘管)，也可是内曲线通道封闭金属板构成，若采用金属盘管，最好将其两面压平，使其与各半导体致冷器件1的制冷面接触面最大，在金属盘管或内曲线通道封闭金属板的外端面可设有盖板5，该盖板5与中间基板2对应面通过螺栓连为一体，将热介质通道3紧固在半导体致冷器件1的制冷面上。该热介质通道3或者通空气介质，或者通热水(可采用民用或工业用废热水)，还可通工业废烟气等热介质，以使这些热介质的热量被各半导体致冷器件1的制冷面所吸收，使它们的制热面工作点温度上升，提高制热效率。

为了充分利用现有热介质能量，可在上述热介质通道3的外端紧贴设有附加冷介质通道6，并亦用盖板5压住与中间基板2连为一体，且本发明的各结构件竖直安置，使热介质通道3的进口在上，出口在下，而附加冷介质通道6的进口在下，出口在上，且该附加冷介质通道6的出口与各半导体致冷器件1制热面的冷介质通道4的下部进口连通连接，这样，附加冷介质通道6内的介质(如水)首先吸收热介质通道3内的热介质热量，使其预先预热，然后进入半导体致冷器件1制热面的冷介质通道4进一步加热，使介质温度进一步上升。

或者，各半导体致冷器件1的制冷面上不设置热介质通道3，而直接设置多个散热翼片，并用风机强制散冷，同样可提高各半导体致冷器件1制冷面的工作环境温度，使其制热面工作点温度上升，热效率倍增。此时，可省去热介质通道3及其盖板5，结构更为紧凑。

本发明的各半导体致冷器件1制热面的冷介质通道4亦可采用金属盘管，最好为两面压扁式盘管，也可采用内曲线通道封闭金属板，它们亦可通过盖板7及其螺栓压固在中间基板2上。

本发明的冷热交换式制热器可直接用于热水器、空调制热等家电产品上，效果非常理想。下面是致冷半导体器件的双面互鉴利用产生的能量传递交换效应，应用于半导体电热系统如半导体电热水器的实施例。工作原理如下，将多组半导体致冷器件1的制热端面排列装配在特制的板式铝模中间基板2一侧的方格模块上，基块状半导体器件1的制热端面上涂有硅脂，紧密地贴附在板式铝模中间基板2预留的方格模块上。板式铝模中间基板2的一侧铸有肋片构成的通道和盖板7结合形成的密封冷介质通道4。为了保证接触面不渗漏，在盖板7和中间基板2之间垫有密封胶垫，以保证水流畅通又不渗漏。盖板7、密封胶垫，板式铝模中间基板2、半导体器件1组合构成盛液热交换器。其板式铝模中间基板2的下端设有进水嘴a2，其进水嘴a2与板式中间基板2另一侧模板上端引出预热过的自来水出水嘴c1用硅胶管连通。板式中间基板2的上端设有热水出口a1，出口a1与热水器外壳下端的水口用硅胶管相连通。在工作时，其半导体致冷器件1的制热端面所发出的热量，通过板式盛液交换器，把热量直接传递交换给板式盛液交换器内流动着的低温自来水，使自来水水温上升，达到一个热平衡状态。

为了防止半导体致冷器件1工作时的热量散失及保护元件在装配紧固时免遭损坏，半导体器件1之间用绝缘、绝热高强度的聚脂板或胶木板做衬垫，衬垫内设有与半导体器件1连接的联接插孔和内埋线路，它可巧妙地将半导体器件1与外面的电控制部份隐蔽连接，并起到间隔绝热固定作用。

半导体致冷器件制冷端面的应用是，各半导体冷致器件1的制冷端面涂上硅脂，紧密贴合附着在紫铜板上，紫铜板的另一侧面涂有密封胶紧密贴合在板式双向交换器的一侧(板式双向交换器为铝铸件，两面均设有对称的肋片构成的通道，中间的肋片把两面分隔互不相通)。板式双向交换器的内侧通道即为热介质通道3，其外侧通道即为附加冷介质通道6，板式双向交换器的外侧垫有密封胶垫，并盖有高强度的平面盖板5(盖板可选用合金铝板以减轻重量)，为了使各接触面间紧密接触，工作时水道能承受一定的水压，盖板、衬垫、铜板等模板上均设有紧固件的预留孔，用多个紧固件对称上紧连接。

为了提高并控制半导体致冷器件1的制冷端面工作环境温度，将淋浴下来的废热水收集，通过自吸水泵，迫使废热水回流到板式双向交换器内靠近半导体器件1制冷端侧的模腔中，见图1，b1为废热水的进水嘴，b2为冷热交换过后的废冷水的出水口，用软管连接直接排到下水道。其工作时流动着的废热水的热量，一部分直接交换给双向交换器一侧的冷自来水中，另一部分通过紫铜板不断地将热量传递给了半导体致冷器件1的制冷端面，将制冷端面的冷量带走，强迫提高了制冷端面的工作环境温度。正是利用其半导体器件工作时的温差特性，迫使制热端面的工作点温度随着制冷端面的环境温度提高而被迫上升，制热端面的工作温度上升后，原来的热平衡状态失去平衡，增加了的热量通过制热端面传递给板式盛液交换器内，将热量传递交换给了流动着的自来水，使自来水出水口的温度进一步上升，直到达到一个新的热平衡状态。

此时，热水器中的自来水的流量与出水口的水温，和热水器进水口自来水的流量与水温的差值，叫吸收的热量，其热量通过反复实测计算，已大大超过了热水器中所消耗的所有电能全部转换成热能所发出的热量。利用废热水中的热量，通过半导体能量传递交换器的作用，将热能传递交换给所需要利用的自来水中，使自来水水温上升到一个更高值。这个原理就形同水涨船高一样。就像我们在冬天利用自来水的温度低于废热水的温度，由于存在着较大的温差，可以利用冷热交换器将废热水中的热量传递交换到自来水中使自来水水温上升，而废热水水温下降。

本实施例一的制冷端面的应用也可选用散热肋片用风机将空气中的热能(熵值)传递交换给制热端面，效果也很理想。

实施例一为借废热水中的热量提高半导体致冷器件1制冷端面的工作环境温度，通过半导体致冷器件的能量传递交换效应控制和提高制热端面的工作点的温度，节约了能源，提高了效率。

本发明的半导体致冷器件冷热交换式制冷器结构如图2所示，它是将多个半导体致冷器件1镶嵌设置在框架式绝缘绝热中间基板2上，且各半导体致冷器件1的电源线沿中间基板2的导线槽布置并有序串接为一体，其共用两端接外部电源，使得各半导体致冷器件1的制冷面和制热面分别位于中间基板2的两面，对应中间基板2的各半导体致冷器件1制冷面的一面紧贴设有防冻介质通道8，且该防冻介质通道8的进、出口c3、c4与冷冻器排管9连通构成循环通道，对应中间基板2的各半导体致冷器件1制热面的一面紧贴设有冷介质通道10。

本发明中，与各半导体致冷器件1制冷面和制热面紧贴设置的防冻介质通道8和冷介质通道10应为曲线式通道，以增加介质进行交换的时间，它可以是金属盘管构成(如紫铜管)，也可是内曲线通道封闭金属板构成，若采用金属盘管，最好将其两面压平，使其与各半导体致冷器件1的制冷面、制热面接触面积最大，在金属盘管或内曲线通道封闭金属板的外端均可设有盖板11，它们通过螺栓与中间基板2连为一体，将防冻介质通道8和冷介质通道10紧固在半导体致冷器件1的制冷面和制热面上。

本发明中，防冻介质通道8内的介质可采用盐水、酒精等，该通道的出口c4通过压力泵12与冷冻器排管9的进口连通连接，冷冻器排管9的出口与防冻介质通道8的进口c3连通连接，形成循环封闭通道。在防冻介质通道8及其冷冻器排管9的外围应设有保温层，以防止冷量散失。

本发明在各半导体致冷器件1制热面的冷介质通道10中，可通入冷水等冷介质，它最好通过水泵使用循环水，如冷介质通道10的进、出口b4、b3通过管道与储水箱16连通连接形成循环水系统。在冷介质通道10的外端整体连有伸出的环形金属板13，并用盖板11封盖，构成蒸发腔14，蒸发腔14的上端出口a3与冷凝器排管15的上端进口连通连接，冷凝器排管15的下端出口与蒸发腔14下端进口a4连通连接，蒸发腔14内充有丙酮等低温蒸发工质，形成外连蒸发器。

本发明工作时，冷介质通道10中的冷水将各半导体致冷器件1制热面的热量带走，同时外接蒸发器进一步吸收并蒸发热量，使各半导体致冷器件1制热面的工作环境温度大大下降，从而使它们的制冷面工作点温度大大降低，制冷效率倍增。

本发明可应用于空调、冰箱等制冷电器中，效果十分理想。

下面是将半导体致冷器件的双面互鉴应用而产生的能量传递交换效应，用于制造降低制热端面的工作环境温度，迫使制冷端面工作时工作点温度下降，从而获得巨大制冷量，提高了半导体致冷器件的制冷端端面的制冷效率的实施例二。

本实施例二如图2所示，可广泛应用于现有的所有的制冷设备中，其结构简单，工作时无噪音，无环境污染，使用寿命长，制冷效率有了极大的提高，可谓绿色换代产品。其应用与现有的电子制冷设备不同之处，在于克服了以往仅仅采用单独风冷解决热端的散热而造成的散热效果欠佳，使得制热端面工作点温度降不下来，而产生制冷量不足使实际应用受到限制。

本实施例二的双面互鉴应用在制热端面是采用了一种强制循环水冷却散热与外联蒸发器、冷凝器双重并用的双重散热冷却方式，一方面其制热端面所发出的热量被冷却水低温交换带走，热量并予以回收储存到储水箱16中，为节约用水，回收并储存的温水可应用到日常生活中的洗涤、洗菜、洗澡等方面。另一方面为了保证散热充分，还设置了一个外联蒸发、冷凝循环系统，使其制热端面散热冷却更充分，处于一个较低的工作环境温度中，从而导致了制冷端面的工作点温度进一步下降，由于存在着温差特性半导体器件1在制热端获得的冷量通过温差特性传递到制冷端面，从而获得了一个更大的制冷量，极大的提高了电制冷效率。本实施例二是通过以下方式来实现的。

各半导体致冷器件1之间用胶木垫片间隔，各器件1的制热端面涂有硅脂与紫铜板紧密贴合，紫铜板的另一侧涂有密封胶与合金铝铸模板铸有循环肋片的一面紧密结合构成密闭的循环冷却水道即冷介质通道10，合金铝铸模板的另一侧设有蒸发腔14与盖板11结合，为保证密封中间垫有硅胶垫片构成密闭的外散热蒸发器，其盖板11上设有阀口a3用紫铜管与冷凝器排管15上端相接，排管15下端与蒸发腔14的a4接口相接，构成一循环蒸发冷凝系统，工作原理与热管原理相同，其中间抽真空并充有适量的工质(工质采用低温蒸发的丙酮为工质)构成外联蒸发器与冷凝器，当制热端工作时外联蒸发器内的低压丙酮受热蒸发，丙酮蒸汽进入冷凝器排管15后，散热冷却成液体又经a4回流到蒸发腔14内形成一工作循环将热量散发到外界，保证了制热端面处于一个较低的工作环境温度。

半导体致冷器件1的制冷端面中间涂有硅酯，与合金铝中间基板2的平面紧密贴合，合金铝中间基板2的另一侧铸有肋片构成的通道即防冻介质通道8，并和盖板11结合中间垫有密封胶垫以保证接触端面不泄漏。

半导体致冷器件1、中间基板2和盖板11等构成低温冷冻交换器。交换器内充满耐负35摄氏度低温而不结冻且能保证流动性好的液体工质(一般选用零下35度低温不凝固的防冻液体作工质)。防冻介质通道8两端设有进液口c3和出液口c4与冷冻器排管9、压力泵12构成低温冷冻储冷循环系统，低温的工质在系统中强制循环将冷量释放到所应用的场所。

本实施例二结构紧凑，生产工艺简单，散热冷却效果好，制冷效率高，储冷冻能量大，可对现有的制冷设备进行改造。为高效节能绿色环保设备。

实施例二为巧借自来水控制降低制热端面的工作环境温度，迫使制冷端面的工作点温度下降用以提高制冷效果。

当然实施例一、二也可采用多级半导体致冷器件，控制提高制冷端面的工作环境温度而迫使制热端面的工作点温度上升，或控制降低制热端面的工作环境温度下降而使制冷端面的工作温度更低。形成多级制形式。

Claims (14)

1、一种半导体致冷器件冷热交换式制热器，其特征在于它将多块半导体致冷器件镶嵌在框架式绝缘绝热中间基板上，且各半导体致冷器件的电源线沿中间基板的导线槽布置并有序串接为一体，其共用两端接外部电源，各半导体致冷器件的制热面和制冷面分别位于中间基板的两面，对应中间基板各半导体致冷器件制冷面的一面紧贴设有热介质通道或散热片，对应中间基板各半导体致冷器件制热面的一面紧贴设有冷介质通道。

2、按权利要求1所述的半导体致冷器件冷热交换式制热器，其特征在于所述中间基板的对应各半导体致冷器件制冷面的一面所紧贴设置的热介质通道应为曲线式通道，它或是金属盘管构成，或是内曲线通道封闭金属板构成，在金属盘管或内曲线通道封闭金属板的外端面设有盖板，该盖板与中间基板对应面通过螺栓连为一体，将热介质通道紧固在半导体致冷器件的制冷面上。

3、按权利要求2所述的半导体致冷器件冷热交换式制热器，其特征在于由金属盘管构成的热介质通道，将其两面压平。

4、按权利要求1所述的半导体致冷器件冷热交换式制热器，其特征在于所述热介质通道的外端紧贴设有附加冷介质通道，并亦用盖板压住与中间基板连为一休，且各结构件竖直安置，热介质通道的进口在上，出口在下，附加冷介质通道的进口在下，出口在上，且该附加冷介质通道的出口与各半导体致冷器件制热面的冷介质通道的下部进口连通连接。

5、按权利要求1所述的半导体致冷器件冷热交换式制热器，其特征在于各半导体致冷器件的制冷面上直接设置多个散热翼片，并用风机强制散冷。

6、按权利要求1所述的半导体致冷器件冷热交换式制热器，其特征在于所述各半导体致冷器件制热面的冷介质通道或采用金属盘管，或采用内曲线通道封闭金属板，它们亦通过盖板及其螺栓压固在中间基板上。

7、按权利要求6所述的半导体致冷器件冷热交换式制热器，其特征在于由金属盘管构成的冷介质通道，采用两面压扁式盘管构成。

8、按权利要求1所述的半导体致冷器件冷热交换式制热器，其特征在于通过控制将半导体致冷器件制冷端面的工作环境温度提高而迫使其制热端面的工作点温度上升。

9、一种半导体致冷器件冷热交换式制冷器，其特征在于它将多个半导体致冷器件镶嵌在框架式绝缘绝热中间基板上，且各半导体致冷器件的电源线沿中间基板的导线槽布置并有序串接为一体，其共用两端接外部电源，各半导体致冷器件的制冷面和制热面分别位于中间基板的两面，对应中间基板的各半导体致冷器件制冷面的一面紧贴设有防冻介质通道，且该防冻介质通道的进、出口与冷冻器排管连通构成循环通道，对应中间基板的各半导体致冷器件制热面的一面紧贴设有冷介质通道。

10、按权利要求9所述的半导体致冷器件冷热交换式制冷器，其特征在于所述与各半导体致冷器件制冷面和制热面紧贴设置的防冻介质通道和冷介质通道应为曲线式通道，它们或是金属盘管构成，或是内曲线通道封闭金属板构成，在金属盘管或内曲线通道封闭金属板的外端均设有盖板，它们通过螺栓与中间基板连为一体，将防冻介质通道和冷介质通道紧固在半导体致冷器件的制冷面制热面上。

11、按权利要求10所述的半导体致冷器件冷热交换式制冷器，其特征在于由金属盘管构成的防冻介质通道和冷介质通道，将金属盘管两面压平。

12、按权利要求9所述的半导体致冷器件冷热交换式制冷器，其特征在于所述防冻介质通道内的介质采用盐水、酒精，该通道的出口通过压力泵与冷冻器排管的进口连通连接，冷冻器排管的出口与防冻介质通道的进口连通连接，形成循环封闭通道；在防冻介质通道及其冷冻器排管的外围应设有保温层。

13、按权利要求9所述的半导体致冷器件冷热交换式制冷器，其特征在于在各半导体致冷器件制热面的冷介质通道中，通入冷水冷介质，通过水泵使用循环水，在冷介质通道的外端整体连有伸出的环形金属板，并用盖板封盖，构成蒸发腔，蒸发腔的上端出口与冷凝器排管的上端进口连通连接，冷凝器排管的下端出口与蒸发腔下端进进口连通连接，蒸发腔内充有丙酮低温蒸发工质，形成外接蒸发器。

14、按权利要求9所述的半导体致冷器件冷热交换式制冷器，其特征在于通过控制将半导体致冷器件制热端的工作环境温度降低而迫使其制冷端面的工作点温度下降，从而获得另一端传递交换来的巨大能量，得到超出其半导体致冷器件电功率的转换效率。

Images