CN218955066U - 一种局部环境降温装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种局部环境降温装置，由半导体制冷系统，雾化装置，补水系统，除湿系统，以及传感和控制系统组成。该装置工作，制冷方式采用半导体制冷与水雾蒸发吸热，两种方式交替作用完成局部环境降温；雾化处理与浮球补水完成动态水循环过程；除湿系统，补水系统与雾化片的协同配合完成冷却槽内水的消耗和补充；冷端散热器与热端散热器的特殊结构设计；多传感器与控制系统协调控制。该装置可以完成小范围内，局部环境的降温过程。

Description

一种局部环境降温装置

技术领域

本发明涉及制冷降温领域，更具体地，涉及一种室内局部环境降温装置。

背景技术

炎热的夏天，要保证有一个良好的工作生活环境，需要一些降温装置。降温的方式和方法很多，比如压缩式制冷，液体气化吸热，半导体制冷，物质相变吸热，磁制冷等等。这其中最常用的是压缩式制冷，空调即应用此原理，空调一般由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀(又称节流元件)四大部分组成。虽然效率高，但结构相对复杂，不易移动，同时制冷剂有污染，长时间处于空调环境，易患空调病等。

半导体制冷也叫温差电制冷、热电制冷或电子制冷。主要用到了“帕尔贴效应”，即两种不同的金属或半导体构成回路，通电后在两接触端，一端吸热，一端放热的现象。半导体制冷直接将电能转化为热能，不用压缩机，不使用制冷剂，同常用的压缩制冷装置相比较，没有压缩机等机械部分，无震动，噪音小，工作状态更稳定，工作过程不使用制冷剂，绿色，环保，工作部件主要是制冷片，结构简单，体积可以做的很小，也可加工成任意形状，无磨损，维修简单，使用寿命长，可靠性高，可以任意移动。通过改变电流方向和大小，就可以改变制冷或制热等状态，调节制冷量的大小，易于调节和控制，响应速度快，安全性好。但是，半导体制冷同时也存在制冷系数较小，耗电量相对较大，只能在局部封闭环境使用等不足。半导体制冷非常适用于局部和小空间制冷。

目前在军事领域，潜艇、电子通讯车等；医疗领域，制冷箱，恒温箱等；日常应用饮水机，小型冰箱等都有应用。此外，在精密电子仪器、功率电子元件的散热，小功率局部制冷装置等领域具有重要应用。

水的蒸发吸热，水的蒸发，也可以带走热量，也是常用的制冷原理之一。夏天的时候给地面洒水或雨后，都会感到凉爽。发热时，用热毛巾敷身，可以起到降低体表温度的作用。水的蒸发吸热，也被应用制作一些制冷装置。

发明内容

本发明提出了一种室内局部环境降温装置，其能够通过半导体制冷片制冷，以及水的蒸发吸热两种方式交替作用，以达到降低室内局部温度的作用。

根据本发明的一方面，提出了一种室内局部环境降温装置，所述装置包括半导体制冷系统，雾化装置，补水系统，除湿系统，以及传感和控制系统，其中：

所述半导体制冷系统，包括多片半导体制冷片，上下两端的散热器，冷却水槽，风扇；

所述雾化装置由超声雾化片构成；

所述补水系统，包括冷却水槽中的浮球阀，接头，管路，以及补水水箱构成；

所述除湿系统包括除湿机以及连通补水水箱的管路；

所述传感和控制系统，由散热水箱中的温度传感器，补水管路中的液流传感器，湿度传感器以及PLC或单片机的控制终端，供电电源，显示面板以及开关按键构成。

优选地，所述降温装置，由半导体制冷片制冷，风扇吹出冷风，以及雾化片雾化，水雾蒸发吸热，两种制冷方式交替作用，完成制冷过程，以达到降低环境温度的作用。

优选地，所述风扇可以摇头，或按一定轨迹运动，不仅可以将冷端散热器产生的冷量吹散开，也可以将雾化片所产生的水雾吹散，加快水雾蒸发吸热，保障制冷范围。

优选地，所述冷却水槽中的冷却水的循环，采用雾化片雾化消耗以及浮球补水的方式完成，使得冷却水温度不会太高，保证制冷片热端散热良好。

优选地，所述除湿系统，同雾化片，补水装置配合使用。

优选地，所述传感和控制系统包含湿度传感器，监控环境湿度，环境湿度超过阈值，启动除湿装置；温度传感器，监控冷却水槽中的冷却水温度，温度超过阈值，断开半导体制冷片电源，开启雾化片，将温水加以雾化；液流传感器，有液体流过，关闭雾化片，补水停止，开启制冷片。

优选地，所述除湿装置和补水系统的补水储水箱通过管路连通，当环境湿度过高，除湿装置启动，并将所收集水分回流至储水容器中。

优选地，，所述补水系统的浮球补水阀置于冷却水槽边缘，通过接头以及管路同补水箱连接，当雾化消耗，导致液面下降至某一高度，浮球补水阀自动从补水箱向冷却水槽进行补水。

优选地，所述制冷系统两端的散热片，其中制冷片冷端的散热器，基底面积小，散热器上的散热片高度要高，散热片的面积可以被轴流风扇覆盖，半导体热端的散热器基底面积要尽可能的大，散热片高度要小，冷却水槽要保证面积大，液面相对高度不高。

优选地，所述半导体制冷系统多片制冷片并(串)联，提高制冷量。

根据本发明局部环境降温装置，可以在室内局部环境下，或者在可移动的交通工具内部使用，装置体积较小，易于移动。该装置采用半导体制冷和水雾蒸发吸热降温，两种方式交替共同作用，成本较低，易于维护，可以调节局部环境温湿度。

本发明具有其它的特点和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为根据本发明的示例性实施方案的局部环境降温装置的整体示意图。

图2为根据本发明的降温装置主体部分的俯视图。

图3为根据本发明的降温装置主体部分的俯视图，描述风扇运动轨迹。

附图标记说明：

1-半导体制冷片，2-冷端针式散热器，3-热端散热器，4-铜垫块，5-制冷片周围密封隔热材料，6-隔热板，7-塑料螺钉，8-冷却水槽，9-风扇，10-雾化片，11-温度传感器，12-浮球阀，13-导管接头，14-出水口，15-液流传感器，16-冷却水导管，17-补水储水箱，18-除湿机，19-湿度传感器，20-导管，21-电源和控制系统，22-圆形开口。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明，虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

传统的半导体制冷装置主要由电源，制冷片，散热系统组成。每片制冷片由串联相连的多个PN结联结构成，通过串并联多片制冷片，组成热电堆，可以进一步提高制冷量。通电后，制冷片一面制冷，另一面产热。散热系统有水冷或风冷等多种方式以带走热端产生热量。

由于半导体制冷的热端的散热量等于其制冷量和输入功率之和，因此热端散热效果是影响半导体制冷性能的重要因素。根据能量守恒定律，只有将热端的热量源源不断地散出，并且使热端保持在一定的温度，才能实现冷端的连续制冷。制冷片冷、热端的热流密度均很高，如果不及时把这些热量传递出去，不仅会对制冷效率造成很大影响，甚至还会在短时间内烧毁制冷片。

使用半导体制冷，热端的良好散热是十分重要的方面。散热方式包括热传导，热对流和热辐射(非接触)。热端的散热方式中，空气自然对流换热是最简单直接的散热方式，由于散热片与周围空气之间的温度差，散热器的散热片可以直接与外界环境进行热交换，但该方法散热系数低，换热量小；强制对流指在外力作用下强迫散热片与周围环境之间的空气流动，一般在自然对流换热的散热片周围加装风扇，通过风扇带走散热片产生的热量，其散热能力比自然对流散热高出一个数量级，是目前使用最多的换热方式；水冷换热是通过水的循环将热量带走，在热端散热片周围加装水箱，通过水的循环将热量带走，一般有进水口以及出水口，由水泵完成水的流动，其散热能力又比强制对流散热高出一个数量级，但是水冷换热需要水的反复循环，缺点是需要配备复杂的管路系统和附加元件使得系统结构复杂、移动不便、成本上升；热管换热是利用相变原理和毛吸作用将热量迅速传导出去，其导热能力超过任何已知金属，但是成本相对较高并且重力敏感；利用物质的熔化潜热散热，基于物质熔化过程中吸收大量的热的特点，但仅仅适用于间歇式的工作过程。

结合各种散热方式的优缺点，冷端采用强制对流散热，热端工作过程中采用水冷散热。传统的水冷散热，内部是水循环，外侧还有冷却塔、水排、管路等，给循环水降温，其结构过于复杂。我们重点针对水冷散热方式进行改进。热端散热片基底表面积要大，因为热端散热量要大于冷端，热端温度越低，冷端温度就越低，制冷效果就更好。热端散热不采用风冷，除了风冷散热效率不高外，风冷散热也会有热风产生，不利于环境降温。此外，增加散热片外表面着色，可以增加热辐射，有利于更好的散热，水冷水槽容积要密封，风扇可以旋转，多角度吹风，或冷端散热片具备旋转的功能等。

水的蒸发也可以吸收带走热量，起到降温的作用，每蒸发1g水可带走2.4kJ的热量，在空气干燥的北方，蒸发过程还有加湿空气的作用。我们的制冷装置结合半导体制冷以及水的蒸发吸热原理，交替协同作用，起到降温的目的。

如图1所示，装置包括多片半导体制冷片1，构成半导体制冷片组，以提高制冷量。制冷片冷热两端分别外接散热器，制冷片统一冷端面朝上，热端面朝下放置。制冷片冷端面经铜垫块4，同针式散热器2相连接，冷端散热采用针式散热器，提高比表面积，提升散冷量，此外，针式散热器保障空气通透流通，配合风扇9，尽可能把冷空气传导出来，保障冷风的流通以及更高的换热系数。制冷片热端面使用导热硅胶，直接同散热器3相连，热端散热器采用肋片型，散热片密集，扁平，高度短，热端散热器3直接插入到冷却水槽8中。热端散热能力对制冷装置的影响非常大，热端如果不能及时散热，冷端温度也将走高，达不到制冷效果。散热器的结构和散热方式对制冷能力具有重要影响。这里，我们冷端采用针式散热器，热端采用大尺寸基底的散热器，散热器投影面积大，但散热片高度不高的特殊结构，以配合我们后续的其它操作。制冷片热端用导热硅胶与散热器直接接触，以减少热阻，使制冷片发出的热量更有效地传导到散热片上，提升散热能力。冷端通过铜片垫高再与散热器接触，以加大冷热两端散热器之间的距离，并在制冷片周围密封隔热材料5，一般添加(聚氨酯泡沫)隔热层，以减少冷热端之间的热交换，即热端向冷端导热。上下散热器同制冷片之间，采用塑料螺钉7固定，避免使用金属螺钉发生导热现象。热端散热器3上覆盖隔热板6，防止热端散热器3向周围空气传递热量。

在冷却水槽8上的隔热板6的边缘，我们预留一个圆形开口22，开口处安置雾化片10。雾化片旁边水位下，有温度传感器11。在冷却水槽另一端的侧壁上开孔，我们安置浮球阀12，浮球阀12经接头13同冷却水导管16相接，冷却水导管16同补水储水箱17相接。接头旁边的导管处有液流传感器15。

外置除湿机18同补水储水箱17之间以导管20相连通，除湿机工作收集的水可以直接回流到补水储水箱17中。除湿机旁边有湿度传感器19。

电源和控制系统21为整个装置供电，以及控制传感器，工作元件之间的配合工作。整个控制系统主要由单片机或PLC控制，系统面板上有显示屏以及内置或外接电源。协调包括冷却水箱中的温度传感器，配合除湿机工作的湿度传感器，液流传感器等反馈的参数，控制整个制冷系统各个工作部件工作，包括制冷片1的启动和停止，雾化片10的启动和停止，除湿机18的启动和停止等。该系统也可以不使用传感器反馈信号，直接使用时间参数进行控制，例如设定好时间参数后，经过一段时间自动启动制冷片，再经过一段时间停止，启动雾化片，再经过一段时间雾化片停止工作，再重新启动制冷片，交替工作。时间参数可以在操作面板上设定，或事先程序设置好后，启动后直接按照时间参数执行。

湿度传感器19配合除湿机18工作，湿度传感器感知环境湿度变化，并决定是否开启除湿机，冷却水箱中的温度传感器11配合制冷片1和雾化片10工作，感知冷却水温度变化，决定是否制冷片停止工作，是否开启雾化器。

从经济，轻便等因素考虑，散热器选择高热传导系数，铝制或铜制散热器，其具有薄且多的散热鳍片，散热器底部光滑。风扇选择叶片角度大、数量多，风扇抽风后吹向冷端散热器。制冷片选用型号为TEC1-12706，最大制冷量为54W。半导体制冷，采用多片半导体制冷片串，并联的方式，提高制冷量。以常用的型号为TEC1-12706制冷片为例，其单片制冷量为54W，10片左右就能满足个人局部制冷的要求。平铺开为十几平方厘米，如果使用更大功率的制冷片，还可以进一步减小设备体积，例如，常见的高功率的半导体制冷片制冷量能达到130W，四片左右就可以满足制冷需求。图示半导体制冷片1为3片×3片，共九片制冷片的设计。制冷片热端统一向下，通过导热硅胶和热端散热器3相连。热端散热器散热片面积很大，强化散热效果，散热片的高度不高，插放在不太深的冷却水槽8中，冷却水没过散热片肋片。制冷片的冷端，通过导热性能良好的铜垫块4垫高，铜垫块两面通过导热硅胶连接冷端针式散热器2和半导体制冷片1。冷端散热片表面积要小于热端散热片表面积，冷端散热片为针肋型，气流通透性更好，散热片高度相对要长，和风扇尺寸相当。包括制冷片和热端散热器等部位使用隔热材料，如聚氨酯泡沫密封起来，防止冷热端之间的热传导以及热端散热器向周围环境传热。冷却水槽8很薄，一端预留出口安置雾化片10，另一端内接安置浮球阀12，浮球阀通过接头13和冷却水导管16和补水储水箱17连通。对着冷端散热器散热片安置风扇9。风扇选择功率大，转速快，叶片数目多，方向大的风扇。风扇可以摇头，或沿着一定弧度绕冷端散热片运动，保障制冷范围。

工作开始后仪器启动，半导体制冷片1接通电源，半导体制冷片开始工作，冷端和热端分别制冷和制热，热端散热器3散热片插在冷却水槽8中，通过水槽中的水传导走热量，冷端针式散热器2通过针型的散热片向周围传递冷量，开启风扇，将冷气吹散至周围，以强制对流的方式，加快散热片的热传导，风扇可以摇头，或按照图3俯视图所示沿着弧形的轨迹运动，风吹向散热片，带走冷量。在冷却水槽8中放置温度传感器11，当冷却水温度高于一定的阈值，制冷片电源断开，制冷片停止工作。随后水箱中的雾化片10开始工作，雾化片采用超声雾化或其它方式，将水箱中的水进行超声震荡，雾化处理，水箱中的水将以水雾的形式散发到周围空气之中，同时风扇的连续运转，将水雾吹散至周围，吹至更远的地方，水雾通过蒸发，也能带走大量热量，起到降温的作用。此过程也可以不使用温度传感器，通过设置制冷片工作时间，到达设置时间制冷片自动停止工作，直接启动雾化器。当工作一段时间后，雾化过程将消耗水槽中的水，当水槽中的水位下降到一定高度，随着浮球阀12浮球的位置的移动，补水阀开启，从补水储水箱17中向冷却水槽中进行自动补水，从出水口14流入冷却水槽。用于补水的冷却水导管16管路上有液流传感器15，当有水流流过一段时间，补水完成，雾化片10停止工作，半导体制冷片1重新启动工作，重新开始又一个制冷循环。两种制冷过程反复交替进行，起到降低局部温度的作用。

环境湿度也会对体感的温度有重要影响，虽然水汽蒸发可以带走大量热量，但是当环境湿度过大时，人体不容易排汗，出汗不易被蒸发掉，会产生闷热不适的情况。因此还配有除湿机18，和湿度传感器19配合使用，当湿度传感器19检测到环境湿度过高，会启动除湿机18，去除空气中的水蒸汽，除湿装置主要适用于密闭环境中，在开窗等空气流通的条件下不需要启动除湿装置。除湿机收集的水经导管20，可以回流至储水箱17中。

电源和控制系统21由电池或交流电供电，上面有显示面板和按钮，可以显示传感器实时测量的值，控制系统主要由单片机或可编程控制器控制，通过传感器所反馈的数值，控制制冷片，雾化片，风扇，除湿机等装置的运行。也可以不使用传感器，通过时间参数和程序控制装置的整体运行情况。

图2为制冷装置主体部分的俯视图，冷却水槽8整体由隔热板6覆盖，在隔热板边缘留圆形开口22，放置雾化片10。在制冷片和两端散热器的接触部位，也进行隔热处理，由制冷片周围密封隔热材料5密封处理。风扇正对冷端针式散热器2，及雾化片圆形开口22，可以将散热器产生的冷量以及雾化片产生水雾吹散开，产生制冷效果。冷却水导管16在水槽边缘深入水槽中。

图3为显示风扇运动轨迹的俯视图，风扇可以摇头，或按照图3所示轨迹运动，使得制冷空间范围更大，制冷更均匀。

Claims (8)

1.一种局部环境降温装置，其特征在于，包括半导体制冷系统，雾化装置，补水系统，除湿系统，以及传感和控制系统，其中：

所述半导体制冷系统，包括多片半导体制冷片，制冷片上下两端的散热器，下端散热器置于扁平的冷却水槽中，并用隔热板遮盖水槽，以及对着上端散热器的风扇；

所述雾化装置由超声雾化片构成，雾化片置于水槽中，隔热板开小孔并与空气连通；

所述补水系统，包括冷却水槽中的浮球阀，以及外接接头，管路，外置补水水箱构成；

所述除湿系统包括外置除湿机以及连通补水水箱的管路；

所述传感和控制系统，由散热水箱中的温度传感器，补水管路中的液流传感器，湿度传感器以及PLC或单片机的控制终端，显示面板，供电电源及开关按键构成。

2.根据权利要求1所述的局部环境降温装置，其特征在于，所述降温装置，由半导体制冷片制冷，风扇吹出冷风，以及雾化片雾化，水雾蒸发吸热，两种制冷方式交替作用，完成制冷过程。

3.根据权利要求1所述的局部环境降温装置，其特征在于，所述风扇可以摇头，或按一定轨迹运动。

4.根据权利要求1所述的局部环境降温装置，其特征在于，所述冷却水槽中的冷却水的循环，采用水雾雾化消耗以及浮球补水的方式完成。

5.根据权利要求1所述的局部环境降温装置，其特征在于，所述冷却水槽内水的消耗和补充，由除湿系统，雾化片，补水装置配合工作完成。

6.根据权利要求1所述的局部环境降温装置，其特征在于，所述补水系统的浮球补水阀置于冷却水槽边缘，通过接头以及管路同补水箱连接，当雾化消耗，导致液面下降至某一高度，浮球补水阀自动从补水箱向冷却水槽进行补水。

7.根据权利要求1所述的局部环境降温装置，其特征在于，所述制冷系统两端的散热器，其中制冷片冷端的散热器，基底面积小，散热器上的散热片高度高，散热片的面积可以被轴流风扇覆盖，制冷片热端的散热器基底面积大，散热片高度小，冷却水槽要保证面积大，液面相对高度不高。

8.根据权利要求1所述的局部环境降温装置，其特征在于，所述半导体制冷系统多片制冷片并联或串联，提高制冷量。

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