CN113531947B - 一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，包括热电制冷机构、旋转机构、热电发电机构和安装壳体，热电制冷机构包含多组热电制冷单元，将热电制冷单元分别安装在旋转机构上，在安装壳体一侧安装冷介质传导块，当热电制冷单元旋转至与冷介质传导块上的外部脉冲电流连通时会出现常态制冷基础上的瞬态超冷，后热电制冷单元会伴随报复性热反馈，旋转机构将发生报复性热反馈的热电制冷单元移至热导热介质块对接电发电机构，同时下一组热电制冷单元会接着与冷介质传导块上的外部脉冲电流连通持续进行热电制冷单元常态制冷基础上的瞬态超冷，如此循环，实现增强热电制冷的制冷能力、持续高效制冷和对热电制冷所产生热量的回收利用。
Description
技术领域
本发明涉及热电制冷技术领域，具体涉及一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置。
背景技术
目前市面上的制冷器主要分为蒸汽压缩冷却和半导体制冷器，蒸汽压缩冷却需使用制冷剂作为介质，会对环境产生一定的破坏和影响；半导体制冷器是指利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，又称热电制冷器，具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，操作简便，易于进行冷量调节。原理为用导体连接两块不同的金属，接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。
所谓热电发电就是将热能直接转变成电能，通过高温与低温的温差产生的热将移动的热能转变成电能，使用P型和N型结合的半导体元件发电。如将器件的一侧维持在低温，另一侧维持在高温，这样，器件高温侧就会向低温侧传导热能并产生热流。
现有的半导体制冷器仍存在以下问题待解决：1.直流半导体制冷器制冷系数较小，制冷温度有限；2.传统的半导体制冷器用导体连接两块不同的金属，接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高，能耗较高；3、对于半导体制冷器所产生的热量不能予以回收利用，耗费了大量的资源。
发明内容
针对上述技术背景中的问题，本发明目的是提供一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，实现采用脉冲热电制冷解决了传统低温制冷所带来的环境破坏的基础之上，利用脉冲电流作用下的热电制冷会产生的过冷现象达到比普通热电制冷更低的温度；将超冷间隔短之后产生的报复性热反馈加以回收利用以降低本身功耗；装置可以实现持续高效制冷，在适应大多数场景的前提下，相对于使用制冷剂的蒸汽压缩冷却技术等等拥有一定的节能减排效益。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，包括热电制冷机构、旋转机构、热电发电机构和安装壳体，所述热电制冷机构包含多组热电制冷单元，多组所述热电制冷单元分别均匀的安装在所述旋转机构的侧面上，当其中一组所述热电制冷单元经过所述安装壳体一侧所安装的冷介质传导块时连通外部脉冲电流，同时在外部脉冲电流调控下能实现常态制冷基础上的瞬态超冷且超冷间隔段之后会伴随报复性热反馈，通过外部转动系统带动旋转机构将发生报复性热反馈的所述热电制冷单元由对接所述冷介质传导块转动至对接导热介质块位置上，所述导热介质块外侧位于所述安装壳体上安装有所述热电发电机构，所述热电发电机构将所述导热介质块上的热能转化为电能接入外部供电系统，在所述热电制冷单元转至对接导热介质块上的同时下一组所述热电制冷单元对接所述冷介质传导块连通外部脉冲电流实现再次常态制冷基础上的瞬态超冷，如此循环。
进一步的，所述旋转机构包含旋转轴、正多边柱形绝缘导热块、制冷块安装框架、弧形导热介质块和锥形绝缘导热限位块。
更进一步的，所述制冷块安装框架内同轴安装有所述正多边柱形绝缘导热块，所述制冷块安装框架侧边与所述正多边柱形绝缘导热块侧边一一对应且间隔缝隙为制冷模块内侧安装间隙，所述制冷块安装框架每个侧面大小和所占圆周角相同，且所述制冷块安装框架外侧面一一对应安装有所述弧形导热介质块，所述正多边柱形绝缘导热块顶部固定连接有锥形绝缘导热限位块，所述正多边柱形绝缘导热块底部固定连接有旋转轴，所述旋转轴贯穿安装在所述安装壳体底部的旋转轴安装孔上。
更进一步的，所述热电制冷单元由多个半导体制冷模块、半导体制冷块充电线及串接线组成，所述多个所述半导体制冷模块安装在所述制冷模块安装槽与所述制冷模块内侧安装间隙中。
更进一步的，所述制冷模块安装槽底部两侧设有制冷模块正负串接极预留槽，通过串接导线将所述制冷模块正负串接极预留槽内的所述半导体制冷模块同层串接、多层并联接入半导体制冷块充电线内侧一端，所述半导体制冷块充电线另一端贯穿安装在所述弧形导热介质块下方外侧，所述冷介质传导块内侧为弧形与所述弧形导热介质块吻合，所述冷介质传导块内侧下方设有连接外部的电刷接头，当所述热电制冷单元连接外部外部脉冲电流时，所述电刷接头与所述半导体制冷块充电线外侧端连通。
进一步的，所述导热介质块安装在所述旋转机构与安装壳体间所形成的导热介质块安装槽内，且除去所述旋转机构与所述冷介质传导块吻合处及所述冷介质传导块上方未覆盖其余位置均覆盖布设。
进一步的，所述热电发电机构包含多组热电发电器模块及串接导线，多组所述热电发电器模块安装在安装壳体三侧面上的发电器模块安装槽内，所述发电器模块安装槽底部设有发电模块正负串接极预留槽，通过串接导线将所述发电模块正负串接极预留槽将所述发电器模块安装槽内所述热电发电器模块同层串接、多层并联接入外部供电系统。
进一步的，所述安装壳体一侧对称安装有绝热角形板，2个所述绝热角形板中间内侧连接安装有所述冷介质传导块的两边，所述冷介质传导块外侧与两侧所述绝热角形板形成区域为过冷区。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明中解决了传统低温制冷所带来的环境破坏的基础之上，通过对半导体制冷器模块加以脉冲电流，在脉冲电流调控下能实现常态制冷基础上的瞬态超冷，利用脉冲电流作用下的热电制冷会产生的过冷现象达到比普通热电制冷更低的温度。
(2)本发明中通过将由多组P/N型半导体串接安装成半导体制冷模块，将多组半导体制冷模块组成的热电制冷单元安装在制冷块安装框架侧面的制冷模块安装槽和制冷块安装框架与正多边柱形绝缘导热块所形成的制冷模块内侧安装间隙中，形成热电制冷单元制冷端朝向外侧和制热端朝向内侧，通过在制冷块安装框架上设置多个侧面且每个侧面安装1组热电制冷单元，热电制冷单元外侧安装弧形导热介质块且半导体制冷模块同层串接、多层并联接到位于弧形导热介质块下方的半导体制冷块充电线上，半导体制冷块充电线贯穿安装在弧形导热介质块下方同时在弧形导热介质块下方外侧伸出接电接头，当旋转结构旋转使得弧形导热介质块的外侧与冷介质传导块内侧吻合时，半导体制冷块充电线外侧端与冷介质传导块内侧下方预留的外部脉冲电流连接的电刷接头接通，实现热电制冷单元的短暂的瞬态超冷，在瞬态超冷结束时通过旋转结构将热电制冷单元转至与导热介质块对接，同时下一热电制冷单元所对应的弧形导热介质块转至与冷介质传导块吻合并连通电刷接头进行瞬态超冷，如此循环，使得位于冷介质传导块位置一直处于瞬态超冷。
(3)本发明中通过将进行报复性热反馈的热电制冷单元转至对接导热介质块，又通过在导热介质块外侧设置3面多组热电发电器模块，由于热电发电器模块与导热介质块接触一侧维持高温，导致热电发电器模块内外两端存在较大温差，通过将由P型和N型结合的半导体元件组成的热电发电器模块串接导线实现同层串接、多层并联接入外部供电系统，实现热能回收利用，以降低本身功耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的立体视图；
图2为本发明实施例提供的去除导热介质块立体图；
图3为本发明实施例提供的旋转结构立体图；
图4为本发明实施例提供的制冷块安装框架上部分半导体制冷模块拆除的立体图；
图5为本发明实施例提供的安装壳体立体图。
图中：1、安装壳体；2、热电发电器模块；201、发电器模块安装槽；202、发电模块正负串接极预留槽；3、导热介质块；301、导热介质块安装槽；4、冷介质传导块；5、绝热角形板；6、电刷接头；7、过冷区；8、弧形导热介质块；9、半导体制冷块充电线；10、制冷块安装框架；11、制冷模块安装槽；1101、制冷模块正负串接极预留槽；12、制冷模块内侧安装间隙；13、半导体制冷模块；14、正多边柱形绝缘导热块；15、锥形绝缘导热限位块；16、旋转轴；17、旋转轴安装孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1-5所示，一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，包括热电制冷机构、旋转机构、热电发电机构和安装壳体1，热电制冷机构包含多组热电制冷单元，多组热电制冷单元分别均匀的安装在旋转机构的侧面上，当其中一组热电制冷单元经过安装壳体1一侧所安装的冷介质传导块4时连通外部脉冲电流，同时在外部脉冲电流调控下能实现常态制冷基础上的瞬态超冷且超冷间隔段之后会伴随报复性热反馈，通过外部转动系统带动旋转机构将发生报复性热反馈的热电制冷单元由对接冷介质传导块4转动至对接导热介质块3位置上，导热介质块3外侧位于安装壳体1上安装有热电发电机构，热电发电机构将导热介质块3上的热能转化为电能接入外部供电系统，在热电制冷单元转至对接导热介质块3上的同时下一组热电制冷单元对接冷介质传导块4连通外部脉冲电流实现再次常态制冷基础上的瞬态超冷，如此循环。
半导体制冷模块13由多组P和N型半导体串接安装成，串接P和N型半导体外侧端为制冷端，内侧端为制热端，将多组半导体制冷模块13组成的热电制冷单元安装在制冷块安装框架10侧面的制冷模块安装槽11和制冷块安装框架10与正多边柱形绝缘导热块14所形成的制冷模块内侧安装间隙12中，形成热电制冷单元制冷端朝向外侧和制热端朝向内侧，通过在制冷块安装框架10上设置多个侧面且每个侧面安装1组热电制冷单元，且制冷块安装框架10多个侧面大小相同和所占圆周角相同，热电制冷单元外侧安装弧形导热介质块8且半导体制冷模块13同层串接、多层并联接到位于弧形导热介质块8下方的半导体制冷块充电线9上，半导体制冷块充电线9贯穿安装在弧形导热介质块8下方同时在弧形导热介质块8下方外侧伸出接电接头，当旋转结构旋转使得弧形导热介质块8外侧与冷介质传导块4内侧吻合时，半导体制冷块充电线9外侧端与冷介质传导块4内侧下方预留的外部脉冲电流连接的电刷接头6接通，实现热电制冷单元的短暂的瞬态超冷，在瞬态超冷结束时通过旋转结构将热电制冷单元转至与导热介质块3对接，同时下一热电制冷单元所对应的弧形导热介质块8转至与冷介质传导块4吻合并连通电刷接头6进行瞬态超冷，如此循环，使得位于冷介质传导块位置一直处于瞬态超冷状态，通过对外部脉冲电流周期和连接旋转机构的外部旋转系统的控制，实现固定区间一直处于瞬态超冷的状态，一方面通过脉冲电流增加了半导体制冷单元的制冷能力，同时另一方面实现控制同一区间持续瞬态超冷的效果。
如图3、4所示，旋转机构包含旋转轴16、正多边柱形绝缘导热块14、制冷块安装框架10、弧形导热介质块8和锥形绝缘导热限位块15，正多边柱形绝缘导热块14每一个侧边与制冷块安装框架10侧边一一对应。
如图2-5所示，制冷块安装框架10内同轴安装有正多边柱形绝缘导热块14，制冷块安装框架10侧边与正多边柱形绝缘导热块14侧边一一对应且间隔缝隙为制冷模块内侧安装间隙12，制冷块安装框架10每个侧面大小和所占圆周角相同，且制冷块安装框架10外侧面一一对应安装有弧形导热介质块8，正多边柱形绝缘导热块14顶部固定连接有锥形绝缘导热限位块15，正多边柱形绝缘导热块14底部固定连接有旋转轴16，旋转轴16贯穿安装在所述安装壳体1底部的旋转轴安装孔17上，旋转机构外侧由多组弧形导热介质块8围成圆形，旋转机构除了与冷介质传导块4接触的弧形导热介质块8未安装在导热介质块3内部，其余均安装在导热介质块3内部，导热介质块3内部设有旋转机构安装的转孔，通过外部旋转系统带动旋转轴16转动，从而带动整个旋转机构转动。
如图4所示，热电制冷单元由多个半导体制冷模块13、半导体制冷块充电线9及串接线组成，多个所述半导体制冷模块13安装在制冷模块安装槽11与制冷模块内侧安装间隙12中。
如图2、4和5所示，制冷模块安装槽11底部两侧设有制冷模块正负串接极预留槽1101，通过串接导线将制冷模块正负串接极预留槽1101内的半导体制冷模块13同层串接、多层并联接入半导体制冷块充电线9内侧一端，半导体制冷块充电线9另一端贯穿安装在弧形导热介质块8下方外侧，冷介质传导块4内侧为弧形与弧形导热介质块8吻合，冷介质传导块4内侧下方设有连接外部的电刷接头6，当热电制冷单元连接外部外部脉冲电流时，电刷接头6与半导体制冷块充电线外侧端9连通。
如图1、2所示，导热介质块3安装在旋转机构与安装壳体1间所形成的导热介质块安装槽301内，且除去旋转机构与冷介质传导块4吻合处及冷介质传导块4上方未覆盖其余位置均覆盖布设，将导热介质块3设置为整体不规则结构是为了避免使用介质连通所造成的热量传递流失。
如图1、2所示，热电发电机构包含多组热电发电器模块2及串接导线，多组热电发电器模块2安装在安装壳体1三侧面上的发电器模块安装槽201内，发电器模块安装槽201底部设有发电模块正负串接极预留槽202，通过串接导线将发电模块正负串接极预留槽202将发电器模块安装槽201内热电发电器模块2同层串接、多层并联接入外部供电系统，通过将进行报复性热反馈的热电制冷单元转至对接导热介质块3，又通过在导热介质块3外侧设置3面多组热电发电器模块2，由于热电发电器模块2与导热介质块3接触一侧维持高温，导致热电发电器模块内外两端存在较大温差，通过将由P型和N型结合的半导体元件组成的热电发电器模块串接导线实现同层串接、多层并联接入外部供电系统，实现热能回收利用，以降低本身功耗。
如图2、5所示，安装壳体1一侧对称安装有绝热角形板5，2个绝热角形板5中间内侧连接安装有冷介质传导块4的两边，冷介质传导块4外侧与两侧绝热角形板5形成区域为过冷区7，由于上述所控制位于冷介质传导块4内侧的热电制冷单元不断地转动更换，使得冷介质传导块4对应的热电制冷单元一直处于瞬态超冷状态，冷介质传导块4外侧为持续过冷区7。
通过以上步骤可以整个装置应用于需要较小冷却功率的场景中，例如携带医疗用品和储存食物的便携式冰箱；冷却激光二极管和红外、x射线和伽马射线探测器；用于DNA合成的热循环器；汽车座椅的温度精确控制。
实施例2
将热电制冷机构设置包含4组热电制冷单元，并使用lg-6等静压石墨、隔热板、6061铝、半导体制冷器(TEC)、半导体热电发电器(TEG)等材料在进一步完善模型的基础上，搭建了实物，并在实物基础上进行了一些实验，实验初步验证了本项目原理设计的可行性。
能耗计算预估：
电能回收率：α＝TEG输出功率/外部输入脉冲电流功率＝66.29/1040.70*100％＝6.37％；
过冷度＝(直流最佳稳态温度-瞬态超冷温度)/最佳稳态温度＝(260K-249.41K)260K*100％＝4.07％(摄氏度计算)；
原制冷效率＝(其余零件制冷对象温度-稳态制冷最低温度)/制冷对象温度＝(293.15K-260K)/293.15K*100％＝11.3％；
本装置制冷效率＝(制冷对象温度-超冷温度)/制冷对象温度＝(293.15K-249.41K)/293.15K*100％＝14.9％；
制冷效益＝14.9％-11.3％＝3.6％。
经实例2计算得出本装置制冷效益提升3.6％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，包括热电制冷机构、旋转机构、热电发电机构和安装壳体(1)，其特征在于：所述热电制冷机构包含多组热电制冷单元，多组所述热电制冷单元分别均匀的安装在所述旋转机构的侧面上，当其中一组所述热电制冷单元经过所述安装壳体(1)一侧所安装的冷介质传导块(4)时连通外部脉冲电流，同时在外部脉冲电流调控下能实现常态制冷基础上的瞬态超冷且超冷间隔段之后会伴随报复性热反馈，通过外部转动系统带动旋转机构将发生报复性热反馈的所述热电制冷单元由对接所述冷介质传导块(4)转动至对接导热介质块(3)位置上，所述导热介质块(3)外侧位于所述安装壳体(1)上安装有所述热电发电机构，所述热电发电机构将所述导热介质块(3)上的热能转化为电能接入外部供电系统，在所述热电制冷单元转至对接导热介质块(3)上的同时下一组所述热电制冷单元对接所述冷介质传导块(4)连通外部脉冲电流实现再次常态制冷基础上的瞬态超冷，如此循环。
2.根据权利要求1所述的一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，其特征在于，所述旋转机构包含旋转轴(16)、正多边柱形绝缘导热块(14)、制冷块安装框架(10)、弧形导热介质块(8)和锥形绝缘导热限位块(15)。
3.根据权利要求2所述的一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，其特征在于，所述制冷块安装框架(10)内同轴安装有所述正多边柱形绝缘导热块(14)，所述制冷块安装框架(10)侧边与所述正多边柱形绝缘导热块(14)侧边一一对应且间隔缝隙为制冷模块内侧安装间隙(12)，所述制冷块安装框架(10)每个侧面大小和所占圆周角相同，且所述制冷块安装框架(10)外侧面一一对应安装有所述弧形导热介质块(8)，所述正多边柱形绝缘导热块(14)顶部固定连接有锥形绝缘导热限位块(15)，所述正多边柱形绝缘导热块(14)底部固定连接有旋转轴(16)，所述旋转轴(16)贯穿安装在所述安装壳体(1)底部的旋转轴安装孔(17)上。
4.根据权利要求3所述的一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，其特征在于，所述热电制冷单元由多个半导体制冷模块(13)、半导体制冷块充电线(9)及串接线组成，所述多个所述半导体制冷模块(13)安装在所述制冷模块安装槽(11)与所述制冷模块内侧安装间隙(12)中。
5.根据权利要求4所述的一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，其特征在于，所述制冷模块安装槽(11)底部两侧设有制冷模块正负串接极预留槽(1101)，通过串接导线将所述制冷模块正负串接极预留槽(1101)内的所述半导体制冷模块(13)同层串接、多层并联接入半导体制冷块充电线(9)内侧一端，所述半导体制冷块充电线(9)另一端贯穿安装在所述弧形导热介质块(8)下方外侧，所述冷介质传导块(4)内侧为弧形与所述弧形导热介质块(8)吻合，所述冷介质传导块(4)内侧下方设有连接外部的电刷接头(6)，当所述热电制冷单元连接外部外部脉冲电流时，所述电刷接头(6)与所述半导体制冷块充电线外侧端(9)连通。
6.根据权利要求1所述的一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，其特征在于，所述导热介质块(3)安装在所述旋转机构与安装壳体(1)间所形成的导热介质块安装槽(301)内，且除去所述旋转机构与所述冷介质传导块(4)吻合处及所述冷介质传导块(4)上方未覆盖其余位置均覆盖布设。
7.根据权利要求1所述的一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，其特征在于，所述热电发电机构包含多组热电发电器模块(2)及串接导线，多组所述热电发电器模块(2)安装在安装壳体(1)三侧面上的发电器模块安装槽(201)内，所述发电器模块安装槽(201)底部设有发电模块正负串接极预留槽(202)，通过串接导线将所述发电模块正负串接极预留槽(202)将所述发电器模块安装槽(201)内所述热电发电器模块(2)同层串接、多层并联接入外部供电系统。
8.根据权利要求1所述的一种能够热回收的脉冲热电制冷的过冷维持装置，其特征在于，所述安装壳体(1)一侧对称安装有绝热角形板(5)，2个所述绝热角形板(5)中间内侧连接安装有所述冷介质传导块(4)的两边，所述冷介质传导块(4)外侧与两侧所述绝热角形板(5)形成区域为过冷区(7)。
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