本發(fā)明屬于電力電子產(chǎn)品領(lǐng)域，具體涉及一種基于半導(dǎo)體制冷片的迷你型空調(diào)，該空調(diào)可提供多種功能模式。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場(chǎng)合。當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高。此外，如果反轉(zhuǎn)半導(dǎo)體制冷片的正負(fù)極，其冷熱端也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生反轉(zhuǎn)。

在原理上，半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具。當(dāng)一塊n型半導(dǎo)體材料和一塊p型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過時(shí)，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會(huì)從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。但是半導(dǎo)體自身存在電阻當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱量，從而會(huì)影響熱傳遞。而且兩個(gè)極板之間的熱量也會(huì)通過空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時(shí)，就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，正逆向熱傳遞相互抵消。但是熱端溫度應(yīng)保證不超過80℃，否則就有過熱損壞的危險(xiǎn)。

半導(dǎo)體制冷片作為特種冷源，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：1、不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動(dòng)部件是一種固體片件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)，安裝容易。2、半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。3、半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測(cè)和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。4、半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差。5、半導(dǎo)體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導(dǎo)體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。6、半導(dǎo)體制冷片的單個(gè)制冷元件對(duì)的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。7、半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍，從正溫90℃到負(fù)溫度130℃都可以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于半導(dǎo)體制冷片的迷你型空調(diào)。通過選擇合適的散熱方案，盡量提高冷端的制冷效率，且可以大大減少迷你型空調(diào)的設(shè)備體積，并可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間工作，通過此方案的制熱效率并不比壓縮機(jī)低多少，而且通過簡(jiǎn)單地電路調(diào)整使得其同時(shí)擁有制冷與制熱功能，這是使用壓縮機(jī)所不具備的。

一種基于半導(dǎo)體制冷片的迷你型空調(diào)，包括：

保溫箱體單元、及均設(shè)于保溫箱體內(nèi)的主電路單元、散熱單元、對(duì)流單元、出風(fēng)單元；

所述的保溫箱體單元一側(cè)開有進(jìn)風(fēng)口，另一側(cè)開有出風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口處設(shè)有用于控制進(jìn)風(fēng)口開閉的舵機(jī)；

所述的主電路單元包括半導(dǎo)體制冷片；

所述的散熱單元包括第一散熱片、第二散熱片、散熱風(fēng)扇；散熱采用風(fēng)冷的形式，用于使半導(dǎo)體制冷片的外側(cè)溫度與環(huán)境溫度接近；在半導(dǎo)體制冷片tec1的外側(cè)的散熱片上安裝風(fēng)扇在制冷模式下實(shí)現(xiàn)散熱，制熱模式下實(shí)現(xiàn)保溫，同時(shí)也防止半導(dǎo)體制冷片因過熱而損毀；

所述的對(duì)流單元包括對(duì)流風(fēng)扇；采用風(fēng)扇進(jìn)行加強(qiáng)熱對(duì)流，用于使半導(dǎo)體制冷片內(nèi)側(cè)溫度能夠更快的擴(kuò)散到箱體結(jié)構(gòu)中；

所述的出風(fēng)單元設(shè)置于出風(fēng)口處，包括出風(fēng)風(fēng)扇；

半導(dǎo)體制冷片嵌于保溫箱體單元的側(cè)壁上，第一散熱片緊貼于半導(dǎo)體制冷片的外側(cè)面、第二散熱片緊貼于半導(dǎo)體制冷片內(nèi)側(cè)面，散熱風(fēng)扇設(shè)置于第一散熱片外，對(duì)流風(fēng)扇設(shè)置于第二散熱片內(nèi)側(cè)，所述的散熱風(fēng)扇、對(duì)流風(fēng)扇、出風(fēng)風(fēng)扇各由一只電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步的，所述的第一散熱片面積大于第二散熱片。

進(jìn)一步的，所述的第一散熱片及第二散熱片與半導(dǎo)體制冷片之間均涂有導(dǎo)熱膠。

進(jìn)一步的，所述的半導(dǎo)體制冷片采用tec1-127系列。

更進(jìn)一步的，所述的主電路單元還包括開關(guān)k0、開關(guān)k2、雙刀雙擲開關(guān)k1；開關(guān)k0用于控制半導(dǎo)體制冷片、散熱風(fēng)扇的電機(jī)、對(duì)流風(fēng)扇的電機(jī)的供電通斷，雙刀雙擲開關(guān)k1與半導(dǎo)體制冷片連接，k1開關(guān)通過控制電流的流動(dòng)方向，控制半導(dǎo)體制冷片的高低溫面，用于選擇制冷或制熱模式，開關(guān)k2用于控制出風(fēng)風(fēng)扇的電機(jī)的工作狀態(tài)。其中散熱單元的電機(jī)、對(duì)流單元的電機(jī)和半導(dǎo)體制冷片必須同時(shí)接通或是斷電，以免半導(dǎo)體制冷片因過熱而損壞；出風(fēng)單元的電機(jī)可以單獨(dú)運(yùn)行。

更進(jìn)一步的，所述的主電路單元還包括可變電阻器r，所述的可變電阻器r與出風(fēng)風(fēng)扇的電機(jī)串聯(lián)，改變電阻器r的大小，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著改變。

進(jìn)一步的，在保溫箱體單元表面包裹有隔熱材料。

上述的基于半導(dǎo)體制冷片的迷你型空調(diào)，使用包括如下模式：

(1)吹風(fēng)模式：

僅啟動(dòng)主電路中的開關(guān)k2，保溫箱體單元上的進(jìn)風(fēng)口被舵機(jī)打開，出風(fēng)單元運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)向外吹常溫風(fēng)，散熱模塊無風(fēng)無溫度。

(2)制冷冰箱模式：

啟動(dòng)主電路的開關(guān)k0，k1選擇制冷模式，k2關(guān)閉，在保溫箱體中放入待制冷的物品，即可對(duì)物品進(jìn)行制冷，此時(shí)不向外吹風(fēng)，散熱模塊有風(fēng)有溫升。

(3)制冷空調(diào)模式：

啟動(dòng)主電路的開關(guān)k0，k1選擇制冷模式，預(yù)制冷結(jié)束后啟動(dòng)k2，此時(shí)向外吹冷風(fēng)，散熱模塊有風(fēng)有溫升。

(4)制熱暖箱模式：

啟動(dòng)主電路的開關(guān)k0，k1選擇制熱模式，k2關(guān)閉，在保溫箱體中放入待制熱的物品，即可對(duì)物品進(jìn)行制熱，此時(shí)不向外吹風(fēng)，散熱模塊有風(fēng)有溫降。

(5)制熱空調(diào)模式：

啟動(dòng)主電路的開關(guān)k0，k1選擇制熱模式，預(yù)熱結(jié)束后啟動(dòng)k2，此時(shí)向外吹熱風(fēng)，散熱模塊有風(fēng)有溫降。

本發(fā)明利用當(dāng)一塊n型半導(dǎo)體材料和一塊p型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過時(shí)，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會(huì)從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端的半導(dǎo)體制冷片的原理，以制冷模式下為例，通過降低其熱端溫度使得冷端溫度盡量低以提高半導(dǎo)體制冷片的制冷效率，再用熱對(duì)流的方式使冷端能夠盡快與箱體內(nèi)的空氣或是從入風(fēng)口進(jìn)來的空氣進(jìn)行熱交換，再由空氣與需制冷的物體做熱交換，或是直接將溫度降低后的空氣通過風(fēng)機(jī)吹出，以達(dá)到迷你型空調(diào)的效果。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于該空調(diào)體積小便于攜帶，功能多樣，可以滿足各式各樣的需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明迷你型空調(diào)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為主電路單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為保溫箱體單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為出風(fēng)單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為半導(dǎo)體制冷片的工作原理示意圖。

圖6為本發(fā)明系統(tǒng)計(jì)算理論效果的模型示意圖

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1所示了本發(fā)明的迷你型空調(diào)的整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。包括主電路單元，所述的主電路單元包括直流電壓源v、普通開關(guān)k0、雙刀雙擲開關(guān)k1、普通開關(guān)k2、半導(dǎo)體制冷片tec1-127系列、散熱對(duì)流電機(jī)各一臺(tái)、出風(fēng)電機(jī)一臺(tái)、可變電阻器r；其中，普通開關(guān)k0為總電源開關(guān)，雙刀雙擲開關(guān)k1用來選擇制冷或是制熱模式，普通開關(guān)k2用于控制出風(fēng)電機(jī)；半導(dǎo)體制冷片tec1的兩面都涂有導(dǎo)熱膠，與兩塊散熱片相黏，外側(cè)面的散熱片較大，內(nèi)側(cè)面的散熱片較??；可變電阻器r與出風(fēng)電機(jī)相連。主電路單元的電路原理圖如圖2所示：電源模塊，用于為主電路供電，由普通開關(guān)k0控制；溫差模塊，用于實(shí)現(xiàn)制冷制熱；其中，半導(dǎo)體制冷片tec1的兩面都涂有導(dǎo)熱膠，與兩塊散熱片相黏，外側(cè)面的散熱片較大，內(nèi)側(cè)面的散熱片較小；電機(jī)模塊，用于驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)，其散熱單元的電機(jī)、對(duì)流單元的電機(jī)和半導(dǎo)體制冷片必須同時(shí)接通或是斷電，以免半導(dǎo)體制冷片因過熱而損壞；出風(fēng)單元的電機(jī)可以單獨(dú)運(yùn)行。控制模塊，k1開關(guān)通過控制電流的流動(dòng)方向，控制半導(dǎo)體制冷片的高低溫面，k2開關(guān)用于保證出風(fēng)電機(jī)可以單獨(dú)控制運(yùn)行或不運(yùn)行。

此時(shí)，若僅打開k2則進(jìn)入吹風(fēng)模式；打開k0，k1選擇制冷模式，則進(jìn)入制冷冰箱模式；打開k0，k1選擇制冷模式，預(yù)制冷約5min后打開k2，則進(jìn)入制冷空調(diào)模式；打開k0，k1選擇制熱模式，則進(jìn)入制熱暖箱模式；打開k0，k1選擇制熱模式，預(yù)熱約5min后打開k2，則進(jìn)入制熱空調(diào)模式。

散熱單元，用于使半導(dǎo)體制冷片的外側(cè)溫度與環(huán)境溫度接近；散熱采用風(fēng)冷的形式；在半導(dǎo)體制冷片tec1的外側(cè)的散熱片上安裝風(fēng)扇在制冷模式下實(shí)現(xiàn)散熱，制熱模式下實(shí)現(xiàn)保溫，同時(shí)也防止半導(dǎo)體制冷片因過熱而損毀。

對(duì)流單元，由扇熱片現(xiàn)將半導(dǎo)體制冷片tec1內(nèi)側(cè)與空氣的接觸面積增大，再采用風(fēng)扇進(jìn)行加強(qiáng)熱對(duì)流，用于使半導(dǎo)體制冷片內(nèi)側(cè)溫度能夠更快的擴(kuò)散到箱體結(jié)構(gòu)中。

保溫箱體單元，設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，在結(jié)構(gòu)體距半導(dǎo)體制冷片tec1約6-9cm的距離處設(shè)有可承受重量2kg重物的隔離鐵絲網(wǎng)。其功能有二，一方面可用于物品的存儲(chǔ)，另一方面也用于設(shè)備啟動(dòng)前的預(yù)制冷和預(yù)熱。圖3有對(duì)保溫箱體更為詳細(xì)地結(jié)構(gòu)示意圖：包括外層隔熱材料、進(jìn)風(fēng)口及舵機(jī)、出風(fēng)口、為半導(dǎo)體片及散熱對(duì)流模塊準(zhǔn)備的接口和內(nèi)部的隔離鐵絲網(wǎng)。其大小設(shè)計(jì)要能夠同時(shí)冰鎮(zhèn)至少兩瓶飲料，但是其大小設(shè)計(jì)又不能過大導(dǎo)致不便攜帶。

出風(fēng)單元，圖4所示，通過可變電阻r的改變來調(diào)整電機(jī)兩端所加的電壓，進(jìn)而改變電機(jī)內(nèi)流過的電流，以影響風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。用于對(duì)外吹出冷風(fēng)或者熱風(fēng)，風(fēng)速可調(diào)。

圖5展示的是半導(dǎo)體制冷片的工作原理示意圖，珀?duì)柼?peltier)效應(yīng)，在1834年由法國人珀?duì)柼l(fā)現(xiàn)，即當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。

qπ＝π*iπ＝a*tc

式中：qπ為放熱或吸熱功率，π為比例系數(shù)，稱為珀?duì)柼禂?shù)，i為工作電流，a為溫差電動(dòng)勢(shì)率，tc為冷接點(diǎn)溫度

根據(jù)圖6的示意圖，我們可以計(jì)算大概吹風(fēng)時(shí)的制冷制熱效果：記外側(cè)的散熱片穩(wěn)定溫度為t1，外側(cè)的環(huán)境溫度為t1θ；內(nèi)側(cè)的散熱片穩(wěn)定溫度為t2，內(nèi)側(cè)的環(huán)境溫度為t2θ。熱交換主要考慮兩方面：一是輻射散熱，計(jì)算公式為：

qf＝σ(t⁴-tθ⁴)s

其中，σ為輻射系數(shù)對(duì)于絕對(duì)黑體σ＝5.7*10^-4w/(m²·k⁴)，s是散熱面積，t為散熱片溫度，tθ為環(huán)境溫度。

二是強(qiáng)迫對(duì)流散熱，計(jì)算公式為：

q1＝α1(t-tθ)s

其中，α1為對(duì)流散熱系數(shù)；nu為努謝爾特準(zhǔn)則數(shù)；λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)氣溫為20℃時(shí)λ＝2.52*10^-2w/(m·℃)；v為風(fēng)速；v為表面空氣的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，當(dāng)空氣溫度為20℃時(shí)ν＝15.7*10^-6m²/s；d為圓管外徑，但本實(shí)驗(yàn)所用散熱片并非為圓柱體，可以用(式中l(wèi)為散熱片長(zhǎng)度)近似代替。

取外側(cè)的風(fēng)機(jī)所提供的風(fēng)速v1＝2.5m/s，取內(nèi)側(cè)低功耗電機(jī)的功率為0.8w，風(fēng)速取v2＝2m/s；半導(dǎo)體制冷片使用40*40的tec1-1206，其參數(shù)如下：制冷量70.3w，功耗量＝12x4＝48w，最大溫差67℃；由圖可得，s1＝895cm²，s2＝144cm²；計(jì)算散熱片時(shí)近似認(rèn)為σ、λ和λ為常數(shù)；箱體尺寸取d14cm*25cm的圓柱體，認(rèn)為箱體近似絕熱；出風(fēng)口和入風(fēng)口的尺寸為4cm*4cm，出風(fēng)口風(fēng)速取2m/s；空氣密度取1.293kg/m³,空氣定壓比熱容為1.004kj/(kgk)。

對(duì)于制冷模式，取tθ1＝35℃：

在冰箱模式下計(jì)算得到：

穩(wěn)定時(shí)t1≈63℃，此時(shí)t2min＝-4℃,tθ2min＝-1℃

在冷空調(diào)模式下計(jì)算得到：

穩(wěn)定時(shí)t1≈79℃，此時(shí)t2min＝12℃,tθ2min＝28℃

對(duì)于制熱模式，取tθ1＝5℃，此時(shí)不能把箱體看做絕熱：

在暖箱模式下計(jì)算得到：

穩(wěn)定時(shí)t1≈2℃，此時(shí)t2max＝69℃,tθ2min＝69℃

在熱空調(diào)模式下計(jì)算得到：

穩(wěn)定時(shí)t1≈2℃，此時(shí)t2max＝69℃,tθ2min＝15℃。