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一種“綠色”半導(dǎo)體器件冷暖空調(diào)器的設(shè)計

2017-04-23 03:34羅欣
電子技術(shù)與軟件工程 2017年5期
關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體器件綠色

羅欣

摘 要 基于當(dāng)今日益嚴(yán)重的“霧霾”環(huán)境污染,為了減少現(xiàn)有普通空調(diào)所使用制冷劑對空氣環(huán)境的影響,并有效防止現(xiàn)有室外機(jī)部分所產(chǎn)生的不安全因素,提出了一種不需要制冷劑冷卻,直接利用半導(dǎo)體調(diào)溫器件進(jìn)行室內(nèi)空氣熱交換,并通過模塊轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)空調(diào)的冷暖轉(zhuǎn)變的半導(dǎo)體冷暖空調(diào),以取代現(xiàn)有的商業(yè)空調(diào),達(dá)到利用半導(dǎo)體器件進(jìn)行“綠色”冷暖空氣調(diào)節(jié)的目的。

【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體器件 模式轉(zhuǎn)換 冷暖空調(diào) 溫度調(diào)節(jié)

1 引言

利用半導(dǎo)體調(diào)溫技術(shù)對室內(nèi)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)是一種新型溫度調(diào)節(jié)技術(shù),與現(xiàn)有的常規(guī)壓縮式制冷機(jī)相比,具有重量輕、壽命長,工作起來無噪聲等優(yōu)點(diǎn),同時由于不必使用氣體冷卻劑工質(zhì),所以也不會構(gòu)成對環(huán)境污染,成為了名副其實的“綠色”空調(diào)。目前應(yīng)用半導(dǎo)體溫度調(diào)節(jié)技術(shù)的場所已經(jīng)來越多,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車,醫(yī)療等部門。但是由于半導(dǎo)體器件的特性,其P-N結(jié)的固定結(jié)構(gòu)使得半導(dǎo)體空調(diào)的制冷和制熱之間的轉(zhuǎn)換比較困難,所以一般由半導(dǎo)體致冷器制成的空調(diào)器都是單一的制冷空調(diào)機(jī),而這種單純制冷空調(diào)尚不能滿足市場的商業(yè)需求。如何改變現(xiàn)有的半導(dǎo)體調(diào)溫結(jié)構(gòu),實現(xiàn)半導(dǎo)體制冷和制熱模式的有效轉(zhuǎn)換,已經(jīng)是當(dāng)今半導(dǎo)體調(diào)溫技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的難題,也是真正讓半導(dǎo)體調(diào)溫技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化價值的關(guān)鍵。

本論文提出一種利用半導(dǎo)體調(diào)溫器件模塊化設(shè)置,通過模塊轉(zhuǎn)動方式實現(xiàn)半導(dǎo)體制冷和制熱模式的有效轉(zhuǎn)換,到達(dá)利用半導(dǎo)體調(diào)溫器件既能制冷又能制熱的目的,通過半導(dǎo)體冷暖空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計,使得半導(dǎo)體冷暖空調(diào)能滿足市場的商業(yè)需求,實現(xiàn)“綠色”空調(diào)的商業(yè)化應(yīng)用。

2 半導(dǎo)體冷暖空調(diào)原理

半導(dǎo)體溫度調(diào)節(jié)都是通過半導(dǎo)體調(diào)溫片來實現(xiàn)的,所謂半導(dǎo)體調(diào)溫片采用的就是具有P-N結(jié)的熱電偶對,采取直流供電,利用直流電流通過P-N結(jié)時所產(chǎn)生的不同溫度效應(yīng)來實現(xiàn)熱交換,這種效應(yīng)也就是一種熱電效應(yīng)。通常都認(rèn)為這種熱電效應(yīng)是建立在珀爾帕效應(yīng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的,但實際上這種效應(yīng)是建立在五種不同的效應(yīng)組成的基礎(chǔ)上的,這就是通常所說的賽貝克效應(yīng)、珀爾帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng),以及富里葉效應(yīng)。這五種效應(yīng)的基本原理和作用如下:

2.1 賽貝克效應(yīng)

所謂賽貝克效應(yīng)是由俄羅斯科學(xué)家賽貝克于19世紀(jì)所發(fā)現(xiàn)的一種溫度效應(yīng),即兩種不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)所組成的閉合回路中,如果兩個接頭具有不同的溫度,則會在線路中產(chǎn)生電流,這種電流稱被為溫差電流,這個閉合回路便構(gòu)成溫差電偶,產(chǎn)生電流的電動勢稱為溫差電動勢,溫差電動勢的數(shù)值只與兩個接頭的溫度有關(guān)。這種溫度效應(yīng)稱為塞貝克效應(yīng)(圖1)。

2.2 珀爾帖效應(yīng)

法國科學(xué)家珀爾貼發(fā)現(xiàn)了熱電致冷和致熱現(xiàn)象-即溫差電效應(yīng),所謂溫差電效應(yīng)就是在電流通過兩種不同導(dǎo)體形成的回路時,在兩種不同導(dǎo)體所形成回路的結(jié)點(diǎn)處,隨著電流方向的不同會分別出現(xiàn)吸熱或放熱的效應(yīng)現(xiàn)象,這種效應(yīng)現(xiàn)象就稱之為珀爾帖效應(yīng)。珀爾帖效應(yīng)的原理如圖2所示。

2.3 湯姆遜效應(yīng)

所謂湯姆遜效應(yīng)實質(zhì)就是一種溫度梯度的效應(yīng)。1856年英國物理學(xué)家W.湯姆孫發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流流過不同溫度的導(dǎo)體時,也會產(chǎn)生吸熱或放熱的效應(yīng)現(xiàn)象,這種效應(yīng)現(xiàn)象是由英國物理學(xué)家W.湯姆孫發(fā)現(xiàn)的,所以稱之為湯姆遜效應(yīng),湯姆遜效應(yīng)的原理如圖3所示。

2.4 焦耳效應(yīng)

所謂焦耳效應(yīng)就是指當(dāng)電流流過導(dǎo)體時所引起溫度變化的一種現(xiàn)象,而且這種效應(yīng)是一種不可逆的效應(yīng),同時也不屬于溫差電效應(yīng),但現(xiàn)在經(jīng)常將焦耳效應(yīng)與焦湯效應(yīng)結(jié)合起來考慮。

2.5 傅里葉效應(yīng)

所謂傅付里葉效應(yīng)就是指單位時間內(nèi)經(jīng)過均勻介質(zhì)沿某一方向傳導(dǎo)的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比效應(yīng),而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。

綜合上述五種效應(yīng)組合,可以看出所謂半導(dǎo)體調(diào)溫就是利用半導(dǎo)體材料,當(dāng)電流流經(jīng)不同的導(dǎo)體,尤其是半導(dǎo)體材料所形成的結(jié)點(diǎn)回路時,在結(jié)點(diǎn)處會產(chǎn)生放熱或吸熱(制冷)現(xiàn)象而實現(xiàn)調(diào)溫的。

但是現(xiàn)有的半導(dǎo)體調(diào)溫技術(shù)之所以難以推廣,主要是兩個問題,其一是功效較低,難以與傳統(tǒng)的制冷劑空調(diào)抗衡;其二是現(xiàn)有半導(dǎo)體的調(diào)溫材料如何進(jìn)行冷熱轉(zhuǎn)換的問題。這其中第一個問題在新的高效半導(dǎo)體熱電元件誕生后已經(jīng)基本得到解決,目前的高效半導(dǎo)體熱電元件的優(yōu)值系數(shù)已經(jīng)超過13×10-3K-1,在溫差50℃時,高效半導(dǎo)體熱電元件的制冷系數(shù)大于3,制冷效率甚至高于壓縮機(jī)制冷。而第二個問題正是當(dāng)前所需要解決的主要問題,當(dāng)前認(rèn)為半導(dǎo)體的冷熱轉(zhuǎn)換可以直接通過改變電流的方向?qū)崿F(xiàn),但實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)采取這樣的冷熱轉(zhuǎn)換方式不利于半導(dǎo)體的調(diào)溫材性能的利用。眾所周知,半導(dǎo)體主要是為N型元件和P型元件二種材料組合,其中N型元件通過電子載流子進(jìn)行導(dǎo)電,而P型元件通過空穴載流子進(jìn)行導(dǎo),在N型元件接入直流電正極,P型元件接入負(fù)極時,N型元件中的電子在電場作用下將由上向下移動,并在下端與電源的正電荷聚合,在聚合時還會放熱;而P型元件中的空穴在電場作用下將也會向下移動,并在下端與電源的負(fù)電荷發(fā)生聚合,聚合時也會放熱;同時,N型元件的電子與P型元件的空穴在上端分離,分離時會吸收熱量。但是N型元件和P型元件對于吸熱和放熱的性能是不一樣的,而且制冷或制熱之間的轉(zhuǎn)換如果長期通過電流改變?nèi)菀自斐善骷p壞;為了有效利用N型元件和P型元件的性能我們現(xiàn)在都只是利用半導(dǎo)體的N型元件和P型元件來進(jìn)行制冷,這也是當(dāng)前的半導(dǎo)體調(diào)溫主要只是用于做半導(dǎo)體制冷的主要原因。

通過上面的分析可以得知,采用簡單的電流換向?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體調(diào)溫器件的冷熱模式的轉(zhuǎn)變是不理想的,因此本設(shè)計主要通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來實現(xiàn)半導(dǎo)體調(diào)溫器件的冷熱模式的轉(zhuǎn)變,將半導(dǎo)體調(diào)溫器件設(shè)計成一種模塊,并將此模塊安裝在一個帶有冷熱腔室的殼體內(nèi),通過半導(dǎo)體調(diào)溫器件模塊的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)半導(dǎo)體調(diào)溫器件的冷熱模式的轉(zhuǎn)變,結(jié)構(gòu)原理如圖4。

通過圖4可以看出,本設(shè)計的主要原理是將半導(dǎo)體調(diào)溫器件設(shè)計成一種可以在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動的模塊,將半導(dǎo)體調(diào)溫器件模塊通過一個轉(zhuǎn)軸安裝在空調(diào)的殼體內(nèi),根據(jù)半導(dǎo)體P-N結(jié)的調(diào)溫特性,在需要對室內(nèi)進(jìn)行降溫時,將半導(dǎo)體P-N結(jié)制冷的一面面對室內(nèi);在需要對室內(nèi)升溫時,將半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)熱的一面面對室內(nèi),通過轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)換即可實現(xiàn)在殼體內(nèi)的半導(dǎo)體調(diào)溫器件的冷熱模式的轉(zhuǎn)變。采用這種冷熱模式的轉(zhuǎn)變方法,可以不改變原半導(dǎo)體調(diào)溫器件的電流方向,保持半導(dǎo)體調(diào)溫器件P-N結(jié)的各自優(yōu)勢,只需通過器件的面向改變實現(xiàn)冷熱模式的轉(zhuǎn)變。

3 半導(dǎo)體冷暖空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述的設(shè)計思路,本設(shè)計所提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案主導(dǎo)思想就是將半導(dǎo)體調(diào)溫組件模塊化,并達(dá)到能在一定空間能轉(zhuǎn)動,其設(shè)計過程如下:

3.1 半導(dǎo)體調(diào)溫組件結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用高效半導(dǎo)體熱電元件堆疊成塊,使每個元件相連接的都是不同導(dǎo)電類型的元件,串聯(lián)起來形成大功率的半導(dǎo)體調(diào)溫組件,并在調(diào)溫組件的兩面分別加裝散熱翅片,形成一個圓筒狀體,在圓筒狀體組件的兩端設(shè)置轉(zhuǎn)軸,并在轉(zhuǎn)軸的一端設(shè)置半導(dǎo)體調(diào)溫組件的N型元件導(dǎo)電環(huán)和P型元件導(dǎo)電環(huán),這樣就形成了半導(dǎo)體調(diào)溫組件(圖5)。

半導(dǎo)體調(diào)溫組件制冷時,將冷端面置于室內(nèi)吸熱,熱端面置于面向室外,并通過風(fēng)扇將熱端面的熱量吹到室外,以達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的;而在冬季需要給室內(nèi)升溫時,則通過調(diào)整半導(dǎo)體調(diào)溫組件的轉(zhuǎn)向來改變半導(dǎo)體調(diào)溫組件的冷熱位置關(guān)系;將半導(dǎo)體調(diào)溫組件方向轉(zhuǎn)變180度,此時半導(dǎo)體調(diào)溫組的冷端面就變成了面向室外吸熱了,而熱端面變成了面向室內(nèi)放熱,從而達(dá)到加熱室內(nèi)溫度的空調(diào)目的。

其中,半導(dǎo)體調(diào)溫組件的上下面均采用陶瓷片,并經(jīng)過摻雜處理,以此提高導(dǎo)熱性能,主要成分是95%氧化鋁。在它的表面燒結(jié)有金屬化涂層。

與陶瓷片連接的是散熱翅片,散熱翅片縱向排列,主要起導(dǎo)熱作用。通過錫焊接在陶瓷片的金屬化涂層上。

上下導(dǎo)流片之間是半導(dǎo)體致冷元件,它的主要成分是碲化鉍,是半導(dǎo)體調(diào)溫組件的主功能部件,分N型元件和P型元件,通過錫焊接在導(dǎo)流片上。

3.2 整體空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計好半導(dǎo)體調(diào)溫組件后,在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計上主要應(yīng)考慮半導(dǎo)體調(diào)溫組件的安裝、通風(fēng)的方式,以及半導(dǎo)體調(diào)溫組件模塊的轉(zhuǎn)動控制幾部分。整個空調(diào)器的結(jié)構(gòu)如附圖6和圖7所示。

從上圖可以看出,半導(dǎo)體空調(diào)的整體包括一個箱體,箱體內(nèi)分為前箱體和后箱體兩部分,前箱體面向室內(nèi),后箱體緊貼著墻壁;在前箱體和后箱體兩部分之間設(shè)有用于制冷或發(fā)熱的半導(dǎo)體器件板,通過半導(dǎo)體器件板將前箱體和后箱體兩部分分開,分別形成室內(nèi)換熱腔體和室外換熱腔體,通過室內(nèi)換熱腔體和室外換熱腔體與半導(dǎo)體器件板的換熱實現(xiàn)室內(nèi)的空氣調(diào)節(jié);所述半導(dǎo)體器件板通過轉(zhuǎn)軸安裝在前箱體和后箱體兩部分之間隔離區(qū)間內(nèi),轉(zhuǎn)軸設(shè)置在隔墻內(nèi),并在轉(zhuǎn)軸的一端設(shè)有用于翻轉(zhuǎn)半導(dǎo)體器件板的旋轉(zhuǎn)裝置,通過旋轉(zhuǎn)裝置將半導(dǎo)體器件板繞轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn),以此實現(xiàn)半導(dǎo)體器件板對室內(nèi)的換熱或制冷轉(zhuǎn)換,達(dá)到制冷或加熱的空調(diào)目的。

其中,室內(nèi)換熱腔體是在前箱體一端設(shè)有室內(nèi)入風(fēng)口,內(nèi)入風(fēng)口安裝有室內(nèi)風(fēng)扇,另一端設(shè)有室內(nèi)出風(fēng)口,室內(nèi)入風(fēng)口與室內(nèi)出風(fēng)口通過半導(dǎo)體器件板一側(cè)的室內(nèi)流道連通,室內(nèi)風(fēng)扇吹出的風(fēng)經(jīng)過室內(nèi)流道,進(jìn)入另一端,再通過室內(nèi)出風(fēng)口排出。前箱體整個下前角部分設(shè)有室內(nèi)出風(fēng)流道,室內(nèi)出風(fēng)口的風(fēng)是經(jīng)由室內(nèi)出風(fēng)流道排出的。室外換熱腔體是在后箱體的兩端分別設(shè)有與室外相通的室外入風(fēng)口和室外出風(fēng)口,室外入風(fēng)口和室外出風(fēng)口的一部分分別嵌入墻體內(nèi),且面向室外,室外入風(fēng)口和室外出風(fēng)口通過位于半導(dǎo)體器件板另一側(cè)的室外流道連通,形成后箱體換熱腔體,在室外入風(fēng)口處設(shè)有室外風(fēng)扇,室外風(fēng)扇將室外空氣引入,通過室外流道,再從室外出風(fēng)口排出。室外入風(fēng)口位于室外風(fēng)扇之前的風(fēng)道上設(shè)有空氣過濾網(wǎng),通過空氣過濾網(wǎng)對室外進(jìn)入后箱體的空氣進(jìn)行過濾,防止雜物進(jìn)入。

本設(shè)計的主要特點(diǎn)在于半導(dǎo)體器件板的旋轉(zhuǎn)裝置為電動翻轉(zhuǎn)裝置或手動翻轉(zhuǎn)裝置都可以;采用電動翻轉(zhuǎn)裝置時,在轉(zhuǎn)軸的端部連接有翻轉(zhuǎn)電機(jī),通過電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)半導(dǎo)體器件板的翻轉(zhuǎn);采用手動翻轉(zhuǎn)裝置時,直接通過一個轉(zhuǎn)盤就可以進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

為了提高熱膠換效率,在半導(dǎo)體器件板的兩面都帶有散熱翅片,散熱翅片分別深入到室內(nèi)流道和室外流道中,使得經(jīng)過室內(nèi)流道和室外流道的風(fēng)能更加加快熱交換的效果。同時,為了防止室外的空氣與室內(nèi)交流,在室外流道與箱體之間設(shè)有保溫層,防止室外換熱腔體內(nèi)的溫度傳到室內(nèi)。

4 半導(dǎo)體冷暖空調(diào)結(jié)構(gòu)分析

采用上述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體空調(diào),通過一個可轉(zhuǎn)動的半導(dǎo)體器件板,實現(xiàn)半導(dǎo)體器件板對室內(nèi)制冷或加熱之間的轉(zhuǎn)換,并直接將整個箱體分為前箱體和后箱體兩個部分,直接將整個空調(diào)器箱體安裝在室內(nèi)的墻壁上,分別通過室外換熱腔體和室內(nèi)換熱腔體進(jìn)行熱交換,達(dá)到空氣調(diào)節(jié)的目的,這樣有幾大好處:

(1)冷熱轉(zhuǎn)換模式通過模塊式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)換,不采用電源反接,可以避免電源反接所給半導(dǎo)體器件的反向沖擊,防止半導(dǎo)體器件出現(xiàn)“崩潰”現(xiàn)象,可以完全利用半導(dǎo)體N型元件和P型元件的各自優(yōu)勢,實現(xiàn)制冷和制熱。

(2)可以完全省去室外機(jī)部分,只需通過一個進(jìn)風(fēng)口和一個排風(fēng)口,兩個風(fēng)口就可以將換熱腔體的熱交換空氣與室外空氣進(jìn)行交換,避免了室外機(jī)造成安全隱患的因素;

(3)方便安裝,將室外換熱腔體和室內(nèi)換熱腔體統(tǒng)一設(shè)置在室內(nèi)的殼體內(nèi),安裝時不用操作人員再到室外進(jìn)行安裝作業(yè),完全杜絕了空調(diào)安裝的室外作業(yè)事故發(fā)生;

(4)結(jié)構(gòu)簡單,不需要制冷劑的交換,因此也就沒有連接管道,便于維修和養(yǎng)護(hù),安裝容易。

(5)可連續(xù)工作,使用安靜無噪音,直接通過半導(dǎo)體器件進(jìn)行熱交換,沒有滑動部件是一種固體片件,工作時沒有震動、噪音、壽命長,沒有壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音;

(6)環(huán)保綠色運(yùn)行,本發(fā)明采取半導(dǎo)體換熱,取代了常規(guī)的壓縮機(jī)技術(shù),不需要任何制冷劑,也就避免了常規(guī)制冷劑對環(huán)境的污染。

(7)半導(dǎo)體制冷片采用高效半導(dǎo)體熱電元件,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[6]。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。

(8)半導(dǎo)體制冷片采用電流換能型片件,以輸入電流的方式實施控制,可實現(xiàn)高精度的溫度調(diào)節(jié),并通過溫度檢測和控制手段,實現(xiàn)遙控、程控、計算機(jī)等控制,便于形成自動控制系統(tǒng)。

(9)半導(dǎo)體調(diào)溫的溫差范圍,可從+90℃到-130℃任意調(diào)節(jié)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種通過半導(dǎo)體調(diào)溫組件模塊轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)半導(dǎo)體調(diào)溫器件的冷熱模式的轉(zhuǎn)變的半導(dǎo)體冷暖空調(diào)。文中詳細(xì)描述了半導(dǎo)體調(diào)溫組件模塊轉(zhuǎn)動方式的半導(dǎo)體冷暖空調(diào)的結(jié)構(gòu),并對半導(dǎo)體調(diào)溫組件模塊轉(zhuǎn)動方式作了詳細(xì)的設(shè)計說明,由于采用直流電環(huán)供電,且轉(zhuǎn)動的速度較低,因此在轉(zhuǎn)動中的通電不會受到任何影響,可以有效改變現(xiàn)有半導(dǎo)體空調(diào)難以實現(xiàn)冷熱模式轉(zhuǎn)換的問題,具有很好的商業(yè)實用價值,從而實現(xiàn)真正的“綠色”空調(diào)。

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