CN114847790A - 一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈,包括垫圈本体、控制模块、半导体制冷片、换热器和冷却组件，控制模块控制半导体制冷片的工作状态，并将垫圈温度控制在设定温度，换热器对半导体制冷片非工作面的热量进行补偿或转移，本发明以半导体制冷片为主要加热和制冷的元件，同时采用微通道换热器作为换热设备，半导体制冷片一面紧贴微通道换热器，通过微通道换热器对半导体制冷片非工作面热量进行转移或补偿，半导体制冷片另一面通过金属框架均匀快速地将热量传导到与人体接触的垫层，充分利用了半导体制冷片热泵的特性，提高了加热效率，并通过设置微通道换热器，提高了换热效率，并且让马桶垫圈的厚度减小，更加轻薄。
Description
技术领域
本发明属于智能家居领域，涉及一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈。
背景技术
现有的智能马桶配备具有加热功能的垫圈，考虑到智能马桶用于加热垫圈的电能消耗以及加热热水等的电能消耗，因而存在长期运行能耗与费用大的问题，偏离当今社会节能减排的工作目标。
公布号为CN107550384A的专利文献提出了将半导体制冷片应用于马桶坐垫的技术方案，但该专利对水槽盖板进行换热，换热速度慢且换热损失大，同一方向的串联水路设计，靠近进水处和靠近出水处的制冷片换热效果差异大，影响温度均匀性，该专利的多层的结构设计加大导体制冷垫圈厚度，使导体制冷垫圈趋向于笨重的设计，加工成本高，运输的便携性差且占地空间大单次运输效率不高，过重的导体制冷垫圈加大了安装难度。
以公布号为CN204146943U的专利文献公开利用半导体制冷片对马桶垫圈进行温度控制，但该专利缺乏了必要的换热设备，半导体制冷片的冷热面难以构建合适温差，系统运行效率低，严重影响冷面的制冷效果，本发明有效地解决了这种问题。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈,包括垫圈本体、半导体制冷片、换热器、冷却组件和框架，半导体制冷片的非工作面与换热器的上表面固设连接，半导体制冷片的工作面与框架的下表面固设连接，换热器对半导体制冷片非工作面的热量进行补偿或转移。
进一步的，所述垫圈本体设置第一铰接杆和第二铰接杆，垫圈本体通过第一铰接杆和第二铰接杆与设备铰接设置。
进一步的，所述垫圈本体包括底座和端盖，底座包括前端和后端，避空位位于后端，端盖固设在底座的后端。
进一步的，所述底座固设有内凹的腔室，位于底座后端的腔室的两端与外部连通，腔室的任一端设置为导管进水口，腔室的另一端设置为导管出水口，第一铰接杆和第二铰接杆与位于后端的腔室连通，位于前端的腔室端面固设有若干凹槽，凹槽与换热器一一对应，通过凹槽为换热器的安装进行定位。
进一步的，所述底座固设有嵌槽组件，嵌槽组件用于安装框架，框架采用金属材料，框架固设有若干温度传感器，温度传感器采用接触式的温度传感器，温度传感器固设在框架的下表面，框架与底座相对的面设为下表面。
进一步的，所述框架与底座的前端之间形成安装腔，安装腔包括层叠设置的第一层、第二层、第三层和第四层，第一层为底座，第二层为器件层，包括半导体制冷片、换热器以及冷却组件，第三层为框架，第四层为垫层。
进一步的，所述换热器固设在凹槽，半导体制冷片位于换热器和框架之间，半导体制冷片的非工作面与换热器的上表面通过粘剂固设连接，以便于换热器充分补偿或转移非工作面的吸放热，半导体制冷片的工作面与框架的下表面通过粘剂固设连接，以便于工作面向柔性材料垫层的传热。
进一步的，所述冷却组件包括进水箱、出水箱、导管和微型水泵，微型水泵安装在进水箱或出水箱，导管安装在腔室，换热器通过导管导管连接以便于换热介质的传输，导管通过导管进水口以及导管进水口和导管出水口，分别连接进水箱和出水箱，进水箱、出水箱和导管构成水循环管路。
进一步的，所述垫层包覆在框架外部，垫层的边缘与底座、端盖的连接位置采用粘粘胶剂固设连接。
进一步的，所述第一铰接杆和第二铰接杆设置为中空结构，用于走线，第一铰接杆和第二铰接杆固设在底座的后端或/和端盖。
综上所述，本发明的有益之处在于：
1)本发明的半导体热泵热效率大于1，半导体热泵加热时能耗更低，节能效果更好。
2)本发明半导体热泵通过切换电流方向可以实现制冷制热两种状态，相比普通电加热马桶垫圈，其制冷功能在炎热的夏季亦能给用户良好的体验。
3)本发明中采用了隔热棉对半导体制冷片的冷热面边缘部分进行隔热，有效减少了冷热面之间以空气为传导介质的间接热传导带来的热量损失。
4)本发明中的半导体热泵马桶垫圈采用微通道换热器，在保证换热效率的同时，使得马桶垫圈的厚度可以控制在1cm左右，半导体热泵马桶圈更加轻薄。
5)本发明对半导体热泵马桶垫圈中换热器结构、排布方式及其连接水路采用单组进出水口的换热器与串联水路，或采用二组进出水口的换热器与混联水路，提高马桶垫圈的温场分布均匀性。
6)本发明通过单片机调整半导体制冷片的工作状态，实现温度的准确控制。
7)本发明以半导体制冷片为主要加热和制冷的元件，同时采用微通道换热器作为换热设备，半导体制冷片一面紧贴微通道换热器，通过微通道换热器对半导体制冷片非工作面热量进行转移或补偿，半导体制冷片另一面通过金属框架均匀快速地将热量传导到与人体接触的垫层，充分利用了半导体制冷片热泵的特性，提高了加热效率，并通过设置微通道换热器，提高了换热效率，并且让马桶垫圈的厚度减小，更加轻薄。
附图说明
图1为本发明的垫圈正视图。
图2为本发明的垫圈本体侧视图。
图3为图1中A-A的剖切示意图。
图4为图2中B-B的剖切示意图。
图5为本发明的混联水路设计示意图。
图中标识：控制模块1、端盖3、换热器4、半导体制冷片5、温度传感器6、导管7、进水箱8、出水箱9、底座10、垫层11、隔热棉12、框架13、凹槽17、第一铰接杆21、第二铰接杆23、前端10-1、后端10-2、避空位10-3、腔室10-4、进水口10-5、出水口10-6、外嵌槽10-7、内嵌槽10-8、安装腔10-9。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、横向、纵向……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
因安装误差等原因，本发明实施例中所指的平行关系可能实际为近似平行关系，垂直关系可能实际为近似垂直关系。
实施例一：
如图1-5所示，一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈，包括垫圈本体、半导体制冷片5、换热器4、冷却组件和框架13，半导体制冷片5的非工作面与换热器4的上表面固设连接，半导体制冷片5的工作面与框架13的下表面固设连接，换热器对半导体制冷片非工作面的热量进行补偿或转移。
半导体热泵马桶垫圈的温度通过控制模块1控制，控制模块1安装在垫圈本体的避空位10-3，且与垫圈本体铰接，垫圈本体在位于x方向的避空位10-3的两端设置有第一铰接杆21和第二铰接杆23，垫圈本体通过第一铰接杆21和第二铰接杆23与控制模块1铰接设置，控制模块1与垫圈本体的连接方式可以保证控制盒与垫圈本体之间留有足够的接触热阻，从而避免发生因半导体制冷片产生的大幅度温度变动而影响到控制电路工作寿命的问题，优选的第一铰接杆21和第二铰接杆23设置为中空结构，用于走线。
垫圈本体包括底座10和端盖3，底座10包括前端10-1和后端10-2，避空位10-3位于后端10-2，第一铰接杆21和第二铰接杆23固设在底座10的后端10-2或/和端盖3，端盖3在y方向的截面与后端10-2在y方向的截面相同，端盖3固设在底座10的后端10-2，两者形成如图2所示的结构，可采用螺栓、螺钉等固定连接方式，但不限于此，只要能实现两者可拆卸连接即可，底座10和端盖3采用硬质马桶垫圈材料，如PP板、ABS板等材料。
本实施例中端盖3与马桶盖(图未显示)位于同侧，底座10与马桶座(图未显示)位于同侧。
底座10固设有内凹的腔室10-4，腔室10-4用于冷却组件的安装，腔室10-4的形状与底座10的形状相配，本实施例中，腔室10-4设置为弧形，且绕底座10均匀分布，尽量保证底座10各位置温度的均匀性，位于底座10后端10-2的腔室10-4的两端与外部连通，腔室10-4的任一端设置为导管进水口10-5，腔室10-4的另一端设置为导管出水口10-6，第一铰接杆21和第二铰接杆23与位于后端10-2的腔室10-4连通。
位于前端10-1的腔室10-4端面固设有若干凹槽17，若干凹槽17沿腔室10-4均匀分布，换热器4安装在凹槽17内，凹槽17的数量与换热器4的数量一一对应，且两者安装位置的形状和尺寸相配，避免在安装时发生偏移或滑动，保证换热器4安装位置的精准度，通过凹槽17可为换热器4的安装进行定位，提高了换热器4的安装效率。
前端10-1上固设有嵌槽组件，嵌槽组件包括外嵌槽10-7和内嵌槽10-8，外嵌槽10-7和内嵌槽10-8位于腔室10-4在y向的两侧，具体来说外嵌槽10-7位于腔室10-4的外侧，内嵌槽10-8位于腔室10-4的内侧，嵌槽组件用于安装框架13，框架13优选金属材料，具体可采用铝或铝合金材质，例如牌号1050、1060、6061、6063、7075等相关铝合金材料，但不限于此，也可采用其它密度较小、有一定支撑强度且导热性能良好的金属，框架13上固设有若干温度传感器6，优选采用接触式的温度传感器，温度传感器6优选使用不影响导热的绝缘胶固设在框架13的下表面，框架13与底座10相对的面设为下表面。
框架13与底座10的前端10-1之间形成安装腔10-9，根据图3的角度，安装腔10-9包括由下至上设置的第一层、第二层、第三层和第四层，第一层为底座10，第二层为器件层，包括半导体制冷片5、换热器4以及冷却组件，第三层为框架13，第四层为垫层11。
本实施例的换热器4设置为微通道换热器，在保证换热效率的同时，使得马桶垫圈的厚度可以控制在2cm-3cm之间，与普通的电加热马桶垫圈厚度相近，较之现有的半导体热泵马桶圈更加轻薄。
换热器4固设在凹槽17，优选以嵌套方式初步连接，再通过粘胶剂将换热器4固设在凹槽17，半导体制冷片5位于换热器4和框架13之间，半导体制冷片5的数量与换热器4的数量相配，且半导体制冷片5与换热器4一一对应安装，半导体制冷片5的非工作面与换热器4的上表面通过粘剂固设连接，以便于换热器4充分补偿或转移非工作面的吸放热，半导体制冷片5的工作面与框架13的下表面通过粘剂固设连接，以便于工作面向柔性材料垫层的传热，本实施例所述的工作面为半导体制冷片5实现制热功能时的放热面或实现制冷功能时的吸热面；所述的非工作面为半导体制冷片5实现制热功能时的吸热面或实现制冷功能时的放热面，若干半导体制冷片5彼此之间通过并联直流电路相连，粘剂采用导热硅脂，可以有效减小换热损失。
半导体制冷片5上套设有隔热棉12，隔热棉设为薄片结构，采用陶瓷纤维材质，隔热棉12紧贴环绕在半导体制冷片5，降低半导体制冷片冷热面之间的热传导。
冷却组件包括进水箱8、出水箱9、导管7和微型水泵(图未显示)，微型水泵安装在进水箱8或出水箱9，导管7安装在腔室10-4，换热器4通过导管7导管连接以便于换热介质的传输，导管7通过导管进水口10-5以及导管进水口10-5和导管出水口10-6，分别连接进水箱8和出水箱9，进水箱8、出水箱9和导管7构成水循环管路，微型水泵提供动力实现水的循环，加快对半导体制冷片5的散热速率。
本实施例中，如图5所示，相邻换热器4之间的水路连接采用并联连接与混联(部分并联、部分串联)连接，混联水路可以是单个换热器上配有两对进出水口且不同进出水口的水流流向不同，可以实现不同温度的水流混合，可以有效改善串联连接水路造成的温度不均匀性问题，达到均匀散热的目的。
垫层11包覆在框架13外部，垫层11的边缘与底座10、端盖3的连接位置采用粘粘胶剂固设连接，垫层11采用硅胶材质，或其它材质柔软、保温效果好且符合健康理念的材料。
如图1所示，若干温度传感器6均匀分布在相邻半导体制冷片5之间，以及对应人体与垫层11主要接触的位置，单片机能接收到合适的温度信息，以确保温场分布的均匀性，温度传感器6检测温度值的方法采用现有技术，如温度传感器6检测所在区域的温度值，并取均值，得到框架13下表面的平均温度，再通过传热学相关计算得到垫层11上表面温度，或可根据温度传感6得到的结果，对其位置周边的半导体制冷片5进行增大电流或减小电流的调整，即采取多温度传感器测点，通过上述方法可以有效提高垫圈温度的均匀性。
本申请中的导线通过腔室10-4、第一铰接杆21和第二铰接杆23的中空位置连入控制模块1。
控制模块1包括盒体、单片机、信息传输模块、驱动模块和信息输入终端，单片机、信息传输模块和驱动模块安装在盒体，单片机内置设定的程序，在单片机内置的程序中应用常规的PID算法，得到PI参数，信息传输模块优选采用WIFI模块，用于单片机与信息输入终端的数据传输，信息输入终端包括按键或/和遥控器或/和手机APP，信息输入终端与单片机以人机交互形式向控制部分的单片机传输数据。
本实施实施过程中，垫圈需要加热时，单片机调整半导体制冷片5的工作状态进行制热，垫圈通过半导体制冷片5进行制热时，半导体制冷片5的上表面设为热面，微型水泵开始转动，进水箱8中水的热量源源不断补偿给吸热的半导体制冷片5下表面，阻碍了下表面温度的降低，缩小了冷热面温差，因此降低了热面的热量向下方的传导速率，在PID的作用下，垫圈表面的温度会逐渐升高到设定温度附近，然后开始在设定温度附近震荡，达到制热效果；垫圈需要制冷时，单片机调整半导体制冷片5的工作状态进行制冷，垫圈通过半导体制冷片5进行制冷时，半导体制冷片5的上表面为冷面，微型水泵开始转动，进水箱8中水源源不断带走半导体制冷片5下表面即热面的热量，尽量减少热面的热量传导到冷面，维持冷面的制冷效果，在PID的作用下垫圈表面的温度会逐渐降低到设定温度附近，然后开始在设定温度附近震荡，达到制冷效果。
本实施例中半导体热泵的加热功率大于一，且采用了微通道换热器等一系列提高换热效率的措施，最大程度地减少了不必要的能量损失，同时多余的热量通过换热器4输送给水路，还可以用于加热冲洗功能用的水，真正实现温度高效控制和节能。
本申请还提供了一种智能半导体热泵马桶垫圈的使用方法，包括控制模块1和上述的半导体热泵马桶垫圈，控制模块1包括单片机、信息传输模块、驱动模块和信息输入终端，信息输入终端通过信息传输模块向单片机传输设定温度，单片机通过调整半导体制冷片5的工作状态控制半导体热泵马桶垫圈的温度，具体包括以下步骤：
步骤1、单片机设定PI参数；
测定PI参数包括以下步骤：
步骤1.1将积分参数(Ki)置零；
步骤1.2由小到大调节比例参数Kp，直至被控系统的温度出现最小的稳态误差；
步骤1.3得到被控系统的振荡周期Pc；
步骤1.4确定系统PI参数关联参数；
Ti＝0.85Pc，Ti为积分时间；
Kp＝0.45Pc，Kp为比例参数；
步骤1.5确定系统PI参数；
根据步骤1.4的Ti、Kp、T确定系统PI参数，确定系统PI参数的方法可采用现有的技术。
步骤2、设定垫圈的温度值；
信息输入终端输入设定垫圈的温度值，制热温度设定范围为20℃-40℃，制冷温度设定范围为15℃-30℃，满足不同人群需求；
步骤3、单片机控制垫圈的温度值；
步骤3.1、信息传输模块将信息输入终端输入的设定垫圈的温度值传输至单片机；
步骤3.2、单片机将温度传感器6检测的气温温度值与设定垫圈的温度值对比，将气温温度值与设定垫圈的温度值比较，若设定垫圈的温度值大于气温温度值，执行步骤3.2.1，若设定垫圈的温度值小于气温温度值，执行步骤3.2.3；
步骤3.2.1单片机调整半导体制冷片5的工作状态进行制热；
控制驱动模块输出不同方向和占空比的PWM波，输出正向电流，半导体制冷片5开始工作，将半导体制冷片5的上表面设为热面，执行步骤3.2.2；
步骤3.2.2冷却组件的微型水泵启动，进水箱8中水的热量补偿给吸热的半导体制冷片5的下表面，垫圈表面的温度升高到设定温度附近，在设定温度附近震荡，达到制热效果。
步骤3.2.3单片机调整半导体制冷片5的工作状态进行制冷；
控制驱动模块输出不同方向和占空比的PWM波，输出逆向电流，半导体制冷片5开始工作，将半导体制冷片5的上表面设为冷面，执行步骤3.2.4；
步骤3.2.4冷却组件的微型水泵启动，进水箱8中带走半导体制冷片5热面的热量，垫圈表面的温度降低到设定温度附近，在设定温度附近震荡，达到制冷效果。
本方法中以半导体制冷片为主要加热和制冷的元件，同时采用微通道换热器作为换热设备，半导体制冷片一面紧贴微通道换热器，通过微通道换热器对半导体制冷片非工作面热量进行转移或补偿，半导体制冷片另一面通过金属框架均匀快速地将热量传导到与人体接触的垫层，充分利用了半导体制冷片热泵的特性，提高了加热效率，并通过设置微通道换热器，提高了换热效率，并且让马桶垫圈的厚度减小，更加轻薄。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈,其特征在于：包括垫圈本体、半导体制冷片、换热器、冷却组件和框架，半导体制冷片的非工作面与换热器的上表面固设连接，半导体制冷片的工作面与框架的下表面固设连接，换热器对半导体制冷片非工作面的热量进行补偿或转移。
2.根据权利要求1所述的一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈，其特征在于：所述垫圈本体设置第一铰接杆和第二铰接杆，垫圈本体通过第一铰接杆和第二铰接杆与设备铰接设置。
3.根据权利要求2所述的一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈，其特征在于：所述垫圈本体包括底座和端盖，底座包括前端和后端，端盖固设在底座的后端。
4.根据权利要求3所述的一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈，其特征在于：所述底座固设有内凹的腔室，位于底座后端的腔室的两端与外部连通，腔室的任一端设置为导管进水口，腔室的另一端设置为导管出水口，第一铰接杆和第二铰接杆与位于后端的腔室连通，位于前端的腔室端面固设有若干凹槽，凹槽与换热器一一对应，通过凹槽为换热器的安装进行定位。
5.根据权利要求3所述的一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈，其特征在于：所述底座固设有嵌槽组件，嵌槽组件用于安装框架，框架采用金属材料，框架固设有若干温度传感器，温度传感器采用接触式的温度传感器，温度传感器固设在框架的下表面，框架与底座相对的面设为下表面。
6.根据权利要求5所述的一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈，其特征在于：所述框架与底座的前端之间形成安装腔，安装腔包括层叠设置的第一层、第二层、第三层和第四层，第一层为底座，第二层为器件层，包括半导体制冷片、换热器以及冷却组件，第三层为框架，第四层为垫层。
7.根据权利要求5所述的一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈，其特征在于：所述换热器固设在凹槽，半导体制冷片位于换热器和框架之间，半导体制冷片的非工作面与换热器的上表面通过粘剂固设连接，以便于换热器充分补偿或转移非工作面的吸放热，半导体制冷片的工作面与框架的下表面通过粘剂固设连接，以便于工作面向柔性材料垫层的传热。
8.根据权利要求4所述的一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈，其特征在于：所述冷却组件包括进水箱、出水箱、导管和微型水泵，微型水泵安装在进水箱或出水箱，导管安装在腔室，换热器通过导管导管连接以便于换热介质的传输，导管通过导管进水口以及导管进水口和导管出水口，分别连接进水箱和出水箱，进水箱、出水箱和导管构成水循环管路。
9.根据权利要求6所述的一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈，其特征在于：所述垫层包覆在框架外部，垫层的边缘与底座、端盖的连接位置采用粘粘胶剂固设连接。
10.根据权利要求3所述的一种节能的智能半导体热泵马桶垫圈，其特征在于：所述第一铰接杆和第二铰接杆设置为中空结构，用于走线，第一铰接杆和第二铰接杆固设在底座的后端或/和端盖。
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2022
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