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)點是沒有滑動部件，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，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負熱阻的制冷技術(shù)，其特點是無運動部件，可靠性也比較高。此外，如果反轉(zhuǎn)半導(dǎo)體制冷片的正負極，其冷熱端也會相應(yīng)的發(fā)生反轉(zhuǎn)。

在原理上，半導(dǎo)體制冷片是一個熱傳遞的工具。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)成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(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)體時就會產(chǎn)生熱量，從而會影響熱傳遞。而且兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導(dǎo)體材料自身進行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡點，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。

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)點和特點：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，不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，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，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，永遠大于1。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)。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，可實現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現(xiàn)遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統(tǒng)。4、半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，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)體制冷片的單個制冷元件對的功率很小，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℃到負溫度130℃都可以實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(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，并可實現(xiàn)長時間工作，通過此方案的制熱效率并不比壓縮機低多少，而且通過簡單地電路調(diào)整使得其同時擁有制冷與制熱功能，這是使用壓縮機所不具備的。

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、對流單元、出風(fēng)單元；

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

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)扇在制冷模式下實現(xiàn)散熱，制熱模式下實現(xiàn)保溫，同時也防止半導(dǎo)體制冷片因過熱而損毀；

所述的對流單元包括對流風(fēng)扇；采用風(fēng)扇進行加強熱對流，用于使半導(dǎo)體制冷片內(nèi)側(cè)溫度能夠更快的擴散到箱體結(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、對流風(fēng)扇、出風(fēng)風(fēng)扇各由一只電機驅(qū)動。

上述技術(shù)方案中，進一步的，所述的第一散熱片面積大于第二散熱片。

進一步的，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。

進一步的，所述的半導(dǎo)體制冷片采用tec1-127系列。

更進一步的，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、對流風(fēng)扇的電機的供電通斷，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)扇的電機的工作狀態(tài)。其中散熱單元的電機、對流單元的電機和半導(dǎo)體制冷片必須同時接通或是斷電，以免半導(dǎo)體制冷片因過熱而損壞；出風(fēng)單元的電機可以單獨運行。

更進一步的，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)扇的電機串聯(lián)，改變電阻器r的大小，相應(yīng)的風(fēng)機的轉(zhuǎn)速隨著改變。

進一步的，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：

僅啟動主電路中的開關(guān)k2，保溫箱體單元上的進風(fēng)口被舵機打開，出風(fēng)單元運轉(zhuǎn)，此時向外吹常溫風(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，即可對物品進行制冷，此時不向外吹風(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k2，此時向外吹冷風(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，即可對物品進行制熱，此時不向外吹風(fēng)，散熱模塊有風(fēng)有溫降。

(5)制熱空調(diào)模式：

啟動主電路的開關(guān)k0，k1選擇制熱模式，預(yù)熱結(jié)束后啟動k2，此時向外吹熱風(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)成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(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)口進來的空氣進行熱交換，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)機吹出，以達到迷你型空調(diào)的效果。本發(fā)明的優(yōu)勢在于該空調(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)計算理論效果的模型示意圖

具體實施方式

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

圖1所示了本發(fā)明的迷你型空調(diào)的整機結(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、散熱對流電機各一臺、出風(fēng)電機一臺、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；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；可變電阻器r與出風(fēng)電機相連。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；電機模塊，用于驅(qū)動各個電機，其散熱單元的電機、對流單元的電機和半導(dǎo)體制冷片必須同時接通或是斷電，以免半導(dǎo)體制冷片因過熱而損壞；出風(fēng)單元的電機可以單獨運行?？刂颇K，k1開關(guān)通過控制電流的流動方向，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)電機可以單獨控制運行或不運行。

此時，若僅打開k2則進入吹風(fēng)模式；打開k0，k1選擇制冷模式，則進入制冷冰箱模式；打開k0，k1選擇制冷模式，預(yù)制冷約5min后打開k2，則進入制冷空調(diào)模式；打開k0，k1選擇制熱模式，則進入制熱暖箱模式；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)扇在制冷模式下實現(xiàn)散熱，制熱模式下實現(xiàn)保溫，同時也防止半導(dǎo)體制冷片因過熱而損毀。

對流單元，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)扇進行加強熱對流，用于使半導(dǎo)體制冷片內(nèi)側(cè)溫度能夠更快的擴散到箱體結(jié)構(gòu)中。

保溫箱體單元，設(shè)有進風(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，另一方面也用于設(shè)備啟動前的預(yù)制冷和預(yù)熱。圖3有對保溫箱體更為詳細地結(jié)構(gòu)示意圖：包括外層隔熱材料、進風(fēng)口及舵機、出風(fēng)口、為半導(dǎo)體片及散熱對流模塊準(zhǔn)備的接口和內(nèi)部的隔離鐵絲網(wǎng)。其大小設(shè)計要能夠同時冰鎮(zhèn)至少兩瓶飲料，但是其大小設(shè)計又不能過大導(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)整電機兩端所加的電壓，進而改變電機內(nèi)流過的電流，以影響風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。用于對外吹出冷風(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，珀爾帖(peltier)效應(yīng)，在1834年由法國人珀爾帖發(fā)現(xiàn)，即當(dāng)電流流經(jīng)兩個不同導(dǎo)體形成的接點時，接點處會產(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)，稱為珀爾帖系數(shù)，i為工作電流，a為溫差電動勢率，tc為冷接點溫度

根據(jù)圖6的示意圖，我們可以計算大概吹風(fēng)時的制冷制熱效果：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，計算公式為：

qf＝σ(t⁴-tθ⁴)s

其中，σ為輻射系數(shù)對于絕對黑體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。

二是強迫對流散熱，計算公式為：

q1＝α1(t-tθ)s

其中，α1為對流散熱系數(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λ＝2.52*10^-2w/(m·℃)；v為風(fēng)速；v為表面空氣的運動黏度系數(shù)，當(dāng)空氣溫度為20℃時ν＝15.7*10^-6m²/s；d為圓管外徑，但本實驗所用散熱片并非為圓柱體，可以用(式中l(wèi)為散熱片長度)近似代替。

取外側(cè)的風(fēng)機所提供的風(fēng)速v1＝2.5m/s，取內(nèi)側(cè)低功耗電機的功率為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；計算散熱片時近似認為σ、λ和λ為常數(shù)；箱體尺寸取d14cm*25cm的圓柱體，認為箱體近似絕熱；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)。

對于制冷模式，取tθ1＝35℃：

在冰箱模式下計算得到：

穩(wěn)定時t1≈63℃，此時t2min＝-4℃,tθ2min＝-1℃

在冷空調(diào)模式下計算得到：

穩(wěn)定時t1≈79℃，此時t2min＝12℃,tθ2min＝28℃

對于制熱模式，取tθ1＝5℃，此時不能把箱體看做絕熱：

在暖箱模式下計算得到：

穩(wěn)定時t1≈2℃，此時t2max＝69℃,tθ2min＝69℃

在熱空調(diào)模式下計算得到：

穩(wěn)定時t1≈2℃，此時t2max＝69℃,tθ2min＝15℃。