热电制冷系统及制冷设备的制作方法

1.本实用新型涉及制冷领域，特别是一种热电制冷系统及制冷设备。


背景技术：

2.随着制冷技术的不断普及，已有多种行业使用冷冻冷藏产品，目前市场上售卖的制冷产品一般包括冷风机、冷凝机、冷藏车、冰箱等，少部分机组配套使用，通过冷风机的蒸发换热可满足用户贮藏食品、果蔬、肉类等农产品的需求。此种成套的制冷设备一般由大功率电网进行供电，但在电网负载过大的时候，会出现断电的情况，因此在此种情况发生的时候，冷库的制冷效果则不能保证，因此需要一套附加的系统保证那些电网不稳定地区的冷库供电，从而保证储存货物的质量。
3.因此，如何设计一种能保持冷库内温度稳定的热电制冷系统及制冷设备，是业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中，电网断电影响冷库制冷效果的问题，本实用新型提出了一种热电制冷系统及制冷设备。
5.本实用新型的技术方案为，提出了一种热电制冷系统，包括直流电源、与所述直流电源连接的半导体电路、连接于所述直流电源两端的开关电路，所述开关电路用于改变所述半导体电路中的电流流向，从而切换半导体电路处于制冷模式或者储能模式。
6.进一步，所述半导体电路包括用于形成冷端的第一金属板、用于形成热端的第二金属板和第三金属板、连接于所述第一金属板与第二金属板之间的p型半导体、连接于第一金属板与第三金属板之间的n型半导体，所述直流电源的两极分别连接第二金属板和第三金属板。
7.进一步，当直流电源供电时，所述p型半导体处的载流子从第一金属板流向第二金属板、所述n型半导体处的载流子从第一金属板流向第三金属板，所述载流子从第一金属板流向p型半导体和n型半导体时吸热，使所述第一金属板形成冷端，所述载流子从p型半导体和n型半导体流向第二金属板和第三金属板时放热，使所述第二金属板和第三金属板形成热端。
8.进一步，所述冷端的制冷量为：φ0=α
·i·
tc-k
·
△
t-1/2
·i²
·
r；
9.其中，α为温差电动势率、i为半导体电路的电流、tc为冷结点的温度、k为半导体的热导、
△
t为金属板吸收或放出的热量、r为热电制冷电路整个回路的电阻。
10.进一步，所述直流电源为可充电直流电源，当所述第一金属板与第二金属板和第三金属板存在温差时，所述半导体电路给所述直流电源充电。
11.进一步，当开关电路切换至使载流子流出第一金属板时，所述半导体电路工作于制冷模式，通过冷端制冷；
12.当开关电路切换至使载流子流向第一金属板时，所述半导体电路工作于储能模
式，通过温差电动势给直流电源供电。
13.进一步，所述开关电路包括开关s1、开关s2、开关s3和开关s4，所述开关s1一端连接第二金属板、另一端串联开关s2后连接到第三金属板，所述开关s3一端连接第二金属板、另一端串联开关s4后连接到第四金属板，所述直流电源的正极连接到所述开关s1与开关s2之间、负极连接到开关s3与开关s4之间；
14.当所述开关s2和开关s3闭合时，所述半导体电路工作于制冷模式；
15.当所述开关s1和开关s4闭合时，所述半导体电路工作于储能模式。
16.进一步，还包括串联连接于所述开关电路与所述半导体电路之间的热敏电阻，当所述半导体电路工作于制冷模式时，所述热敏电阻控制半导体电路中的电流进而控制制冷量的大小。
17.进一步，所述半导体电路的最大电流为：imax=α
·
tc/r；
18.其中，α为温差电动势率、tc为冷结点的温度、r为热电制冷电路整个回路的电阻。
19.本实用新型还提出了一种制冷设备，所述制冷设备采用上述热电制冷系统。
20.进一步，所述制冷设备为冷风机、冷凝机、冷藏车以及冰箱中的任意一种。
21.与现有技术相比，本实用新型至少具有如下有益效果：
22.1、通过半导体电路的设置，使其能够在电网发生故障时，进行辅助制冷，维持冷库内的温度稳定。
23.2、在冷库正常工作时，可以通过金属板之间的温差产生的电动势对直流电源进行供电，起到储能作用。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本实用新型热电制冷系统的原理图；
26.图2为均匀内热源的等截面模型图。
具体实施方式
27.为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
28.由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本实用新型的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本实用新型的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。
29.下面结合附图以及实施例对本实用新型的原理及结构进行详细说明。
30.现有技术中，当电网发生故障时，冷库的制冷效果不能保证，从而影响货物的质
量。本实用新型的思路在于，提出一种热电制冷系统，其与冷库相辅相成，使其在电网故障时能够进行辅助制冷，从而维持冷库内的温度。
31.本实用新型提出的热电制冷系统包括直流电源、以及与直流电源连接的半导体电路，其中，半导体电路包括至少一个半导体，以及连接在半导体两端用于形成冷端和热端的金属板，其通过冷端进行制冷。
32.其基本工作原理为，由于载流子在半导体中的势能高于其在金属内的势能，当直流电源对半导体电路供电时，载流子会随着电流移动，使其从金属板流向半导体中，此时由于势能升高，载流子会吸收热量，从而导致金属板上的温度降低，从而达到制冷效果。其中，半导体分为n型半导体和p型半导体，n型半导体中充盈空穴，其流动方向与电流方向相同，p型半导体中充盈电子，其流动方向与电流方向相反，通过控制电流流向，进而调节载流子（包括空穴和电子）的流向，达到制冷效果。
33.请参见图1，半导体电路包括第一金属板、第二金属板和第三金属板，其中，第一金属板用于形成冷端、第二金属板和第三金属板用于形成热端，第一金属板和第二金属板之间连接有p型半导体，第一金属板和第三金属板之间连接有n型半导体，直流电源的两极分别连接到第二金属板和第三金属板。
34.当直流电源的正极连接到第三金属板供电时，此时电流的流向为逆时针，在外电场的作用下，n型半导体上的电子由负极流向正极，p型半导体中的空穴由正极流向负极。电子从第一金属板流向n型半导体时，由于势能提高，需要吸收热量从而降低第一金属板的温度，同样，空穴从第一金属板流向p型半导体时也会吸热降低第一金属板的温度，从而形成冷端。当电子从n型半导体流向第三金属板时，由于势能降低，需要释放热量，使第三金属板的温度升高，形成热端，空穴从p型半导体流向第二金属板时，由于势能降低，释放热量使第二金属板的温度升高，形成热端。
35.根据热电效应，可以将第一金属板分布在制冷空间内，如果是冷库空间内，则可以将金属板贴墙进行放置，从而达到制冷效果，当电网出现故障时，通过直流电源进行供电，能够辅助制冷，进而维持冷库内的温度。
36.第二金属板和第三金属板可以放置在需要加热的空间内，进行加热，对于冷库空间，第二金属板和第三金属板可以放置在冷凝机侧，因在冷库制冷设备工作的过程中，室外机侧的温度可以达到40~50度，室内第一金属板处的温度可以降低到-30~-40度，由于第一金属板与第二金属板和第三金属板之间存在温差，此时根据热电效应中的西伯克效应可知，导体的两个结点存在温度差异时，开路中将产生温差电动势，该电动势可以为直流电源进行充电，需要注意的是，由于在热电制冷系统中，进行制冷时，电流方向为逆时针流动，当需要用热电效应对直流电源进行充电时，需要将直流电源的方向改变，以达到充电的目的，对此，本实用新型在直流电源的两端连接有开关电路，开关电路用于切换半导体电路中的电流流向，从而调节半导体电路的工作模式。当开关电路切换至电流逆时针流动时，半导体电路工作于制冷模式，通过冷端制冷；当开关电路切换至电流顺时针流动时，半导体电路工作于充电模式，通过温差电动势给直流电源供电。
37.需要说明的是，图1中示出为采用两个半导体进行制冷的方案，在本实用新型的思路下，还可以设置一个或多个半导体制冷，通过串联的方式连接，也能达到制冷效果。
38.请参见图1，开关电路包括开关s1、开关s2、开关s3和开关s4，开关s1一端连接第二
金属板、另一端串联开关s2后连接到第三金属板，开关s3一端连接第二金属板、另一端串联开关s4后连接到第四金属板，直流电源的正极连接到开关s1与开关s2之间、负极连接到开关s3与开关s4之间；
39.其中，当开关s2和开关s3闭合时，直流电源正极流出的电流会依次通过第三金属板、n型半导体、第一金属板、p型半导体、第二金属板后回到直流电源的负极，其流向为逆时针流动，半导体电路工作于制冷模式；
40.当开关s1和开关s4闭合时，直流电源正极流出的电流会依次通过第二金属板、p型半导体、第一金属板、n型半导体、第三金属板后回到直流电源的负极，其流向为顺时针流动，半导体电路工作于充电模式。
41.根据开关电路的调节，本实用新型的工作流程可分为：
42.1、当电网正常对制冷系统进行供电时，开关s1和开关s4闭合，开关s2和开关s3断开，此时通过半导体电路给直流电源供电；
43.2、当电网发生故障时，开关s2和开关s3闭合，开关s1和开关s4断开，此时通过第一金属板对冷库进行降温，保持温度稳定；
44.3、当直流电源充电完成时，开关s1、开关s2、开关s3和开关s4均断开，避免直流电源不会一直处于充电状态，从而浪费电能。
45.如此可以达到在电网正常时对冷库进行供电时，能对直流电源进行充电，当电网出现故障时，直流电源方向可转向，热电制冷系统可以通过热电效应对冷库进行制冷，保证冷库内的温度维持稳定。
46.进一步，结合西伯克与帕尔贴效应原理，可以得知热电效应的制冷量可以通过调整电流的大小进行控制（帕尔贴效应：电流在流经两种不同导体的界面时，会吸收/放出热量；西伯克效应：导体的两个结点存在温度差异时，开路中将产生温差电动势）。
47.材料的帕尔贴效应是由发出的帕尔贴热与电流的比值所决定的，其表达式如下：π=dφp/di（w/a）；其中，φp为帕尔贴热，i为电流。
48.对于两种不同材料所组成的热电偶，其帕尔贴系数可表示为：πpn=πp-πn，其中，πp指p型半导体的帕尔贴系数，πn指n型半导体的帕尔贴系数。
49.西伯克效应的大小与加在材料两端的电压及材料两端的温度差有关，其表达式为：α=de/dt（v/k），其中e为加在材料两端的电压，t为材料两端的温度差；
50.热电制冷系统中用p型半导体和n型半导体组成电偶，两种材料对于的αp和αn，一个为负，一个为正，取其绝对值进行相加，并将αpn作为整个热电偶的西伯克效应值为：α=|αp| |αn|。
51.结合西伯克效应和帕尔贴效应，可以发现两者互为反效应，西伯克效应说电偶中有温差时会产生电动势，帕尔贴效应说电偶中有电流通过时会产生温差，因此，西伯克效应值与帕尔贴系数之间存在关系（t为半导体与金属板结点处的温度）：π=αt。
52.根据汤姆逊效应：电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收/放出热量，设冷凝机外侧的温度为th，在冷库内的温度为tc，热电制冷系统回路中的电流为i，半导体电臂横截面积为a，长度为l，面长比为r（r=a/l），此时冷端的帕尔贴热表达式如下：φt=πpn
·
i=α
·
tc
·
i；冷端的制冷量表达式如下（k为热电偶上的热导）：φ0=α
·i·
tc-k
·
△
t-1/2
·i²
·
r；
53.热电制冷的影响因素包括工作电流、材料。电偶的制冷量与工作电流i有关，帕尔贴热越大，焦耳热损失越小，则制冷量最大，帕尔贴热与电流成正比，焦耳热与电流的平方成正比，因此存在使制冷量最大的工作电流imax，在进行热电制冷时，加在电偶两端的电压，一部分要用来克服因为电臂电子原因带来的电阻压降v，另一方便则需要来克服西伯克温差电动势vpn。
54.因此，可以得知存在一个使制冷量最大的工作电流，其表达式如下：
55.imax=（αp-αn）
·
tc/r=α
·
tc/r（a），其中α为温差电动势率、tc为冷结点的温度、r为热电制冷电路整个回路的电阻。
56.请参见图2，对于制冷量最大的工作电流，从两条电臂流入冷端的热量假定为φl，可通过一截含有均匀内热源的等截面棒来进行分析，设棒长为li；截面积为ai；棒两端的温度为th和tc（th＞tc），棒的导电率为σi，导热率为λi；电流为ii，除两端面外，棒的其他表面与外界无热量交换，则含均匀内热源等截面棒的温度分布为：
57.tx=th-(th-tc)x/li 1/2
·
ii
²
·
x(li-x)/ai
²
·
σi
·
λi，在x=li处，温度梯度可表示为（dtx/dx）=-（th-tc）/li-1/2
·
ii
²
·
li/ai
²
·
σi
·
λi，因此根据温度梯度传入冷端的热量为温度梯度乘以电臂的截面积ai与导热率λi，可表示为φli=（th-tc）/li
·
ai
·
λi 1/2
·
ii
²
·
li/ai
·
σi其中令i=p, φli=φlp；i=n, φli=φln，φl=φlp φln
58.可判断出制冷量φ0=φt-φl，将如下三个公式代入制冷量表达式中即可推导出制冷量最大时的工作电流
59.①
φt=πpn
·
i=α
·
tc
·i60.②
φli=（th-tc）/li
·
ai
·
λi 1/2
·
ii
²
·
li/ai
·
σi
61.③
φl=φlp φln。
62.针对上述情况，本实用新型在制冷系统中增加有一可调节的温敏电阻，其串联连接在直流电源与半导体电路之间，温敏电阻在对直流电源充电时不进行工作，在热电制冷系统工作时，温度升高可降低温敏电阻的阻值，从而可以通过控制热电制冷回路中的电流进而控制冷库制冷量的大小，若用于对冷库温度有更苛刻的要求，还可以采用多级热电制冷器，通过单级电堆的联结，冷库内的制冷量可以叠加，从而满足不同冷库内对温度的需求。
63.本实用新型还提出了一种制冷设备，所述制冷设备采用上述热电制冷系统。
64.进一步的，所述制冷设备为冷风机、冷凝机、冷藏车以及冰箱中的任意一种。
65.与现有技术相比，本实用新型通过半导体电路的设置，使其在电网故障时，能够对冷库进行辅助制冷，维持冷库内的温度不变，同时，在电网正常，冷库正常工作时，能通过温差产生感应电动势，对直流电源进行充电，维持了达到了储能效果。
66.上述实施例仅用于说明本实用新型的具体实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作出若干变形和变化，这些变形和变化都应属于本实用新型的保护范围。