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1、10申请公布号CN102322704A43申请公布日20120118CN102322704ACN102322704A21申请号201110289491222申请日20110927F25B25/0020060171申请人程刚地址100097北京市海淀区板井路北京244939信箱72发明人程刚74专利代理机构北京汇信合知识产权代理有限公司11335代理人戴凤仪54发明名称半导体交互吸收式制冷装置57摘要一种半导体交互吸收式制冷装置，将半导体制冷与吸收式制冷两种机理的主要特点相结合，半导体制冷器的热端和冷端的PN结端面分别与2个吸收器单元内的栅片式散热器外端面紧密联接，可控硅继电器模块控制半导体制冷。
2、器组件供电通断及输出功率、改变电流方向使冷热端互换，两个半导体制冷器组件及与之相匹配的4个结构相同的吸收器单元，在单片机工控单元的指令控制下，依程序交互进行加热/解吸收、冷却/吸收的循环运行，导致蒸发器的制冷剂连续产冷输出。以低压直流供电，结构简单、体积小、无转动部件、基本无噪声、无毒无污染、坚固耐用，较大地提高能源制冷效率。能较快形成定型产品以满足车辆、船舶舰艇等移动载体及可应用太阳能风能供电的野外、边远山区、海岛等特殊领域范围对制冷空调装置的需求。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图1页CN102322712A1/1页21一种半导体交互。
3、吸收式制冷装置，包括有半导体制冷器组件，吸收器单元，蒸发器，冷凝器，集水槽，电磁阀或阈值可控的单向压力阀，毛细管及联接管路，单片机工控单元，可控硅继电器模块，比重传感器，温度传感器，其特征是在吸收器单元内设置有栅片式散热器，吸收器单元内放置有吸收剂溶液，栅片式散热器沉没在吸收剂溶液中，一个半导体制冷器组件的热端和冷端的PN结端面分别与2个吸收器单元内的栅片式散热器外端面紧密联接，单片机工控单元指令可控硅继电器模块控制半导体制冷器组件供电通断及输出功率、改变负载电流方向使冷热端互换，一个半导体制冷器组件的热端和冷端的交互运行，同步驱动相联的2个吸收器单元进行加热/解吸收、冷却/吸收的交互运行，整。
4、机配置了两个半导体制冷器组件及与之相匹配的4个结构相同的吸收器单元，在单片机工控单元的指令控制下，两个半导体制冷器组件依程序进行制冷端与制热端的交互运行，驱动了4个吸收器单元内的吸收剂依程序进行稀溶液加热/解吸收气化放热/转化为浓溶液；浓溶液冷却/吸收制冷剂水气/转化为稀溶液的连续交互循环运行，导致蒸发器内制冷剂工质不断气化吸热产冷。2如权利要求1所述的半导体交互吸收式制冷装置，其特征是单片机及外围器件构成单片机工控单元简称工控单元上有各吸收器单元吸收剂溶液的比重和温度、蒸发器内制冷剂温度、环境温度等传感器信息输入总线；控制电磁阀F1F1A、F1B、F1C、F1D、F2F2A、F2B、F2C、。
5、F2D运作的信号输出总线；控制可控硅继电器模块向半导体制冷器组件E1、E2供电运作的信号线；工控单元上还有制冷装置设备故障告警信号显示与输出。3如权利要求1所述的半导体交互吸收式制冷装置，其特征是吸收器单元内放置的吸收剂为卤族元素碱金属盐，如氯化锂、溴化锂、氯化钙等，可以是单一成分，也可以是混合盐，吸收剂可以是溶液，也可是纯固体粉末；使用固休吸收剂时，吸收剂做成与散热片紧密结合的蜂窝状；制冷剂工质可根据制冷用途选用水或乙醇，多数情况用卤族元素碱金属盐水溶液为吸收剂，水为制冷剂，两者组成制冷工质对。4如权利要求1所述的半导体交互吸收式制冷装置，其特征是在每个吸收器单元内设置有吸收剂溶液的比重传感。
6、器、温度传感器，在蒸发器内设置有制冷剂水温传感器，还设置有环境气温传感器，实时采集的数据送入单片机工控单元。5如权利要求1所述的半导体交互吸收式制冷装置，其特征是如果将半导体制冷器组件更换为太阳能风能转化的热源水、地热水、工业余热水，并配合冷却水；将吸收器单元内置的栅片式散热器更换为盘管式散热器，本发明的交互吸收式制冷装置同样可以制冷运行。权利要求书CN102322704ACN102322712A1/5页3半导体交互吸收式制冷装置技术领域0001本发明涉及一种半导体交互吸收式制冷装置，属于半导体制冷与吸收式制冷相结合的技术领域。背景技术0002吸收式制冷是通过一种物质吸收剂对另一种物质制冷剂的。
7、吸收和解吸收，产生物质的相态变化，从而伴随吸热和放热过程。目前应用最多的是溴化锂吸收式制冷设备，以水作为制冷剂，溴化锂作为吸收剂。溴化锂是无毒白色晶体，极易溶于水。在相同温度下，溴化锂水溶液液面上的水蒸气饱和分压力远小于纯水的饱和分压力，因而有强烈的吸湿性；并且，溴化锂水溶液液浓度越高、温度越低，液面上的水蒸气饱和分压力就越小。在相同的温度条件下，溴化锂水溶液吸收水气的能力就越强，这就是通常溴化锂吸收式制冷设备制冷的理论基础。溴化锂吸收式制冷装置利用热能为动力，溴化锂水溶液/水为工质对，具有无臭、无毒、无害，无高压爆炸危险等优点，近30多年来，作为大中型空气调节设施，在国内外已有广泛应用，是制。
8、冷领域的重要组成部份。由于它整机体积大，部件多，必需配有一套热源、冷却源系统，及溴化锂水溶液结晶导致溶液泵故障而损坏整机运行等因素，至今在一些需要体积小、结构简单、坚固耐用的特殊环境中应用的溴化锂吸收式制冷装置尚未有突破。0003半导体制冷又称温差电制冷、热电制冷。它是塞贝克效应SEEBACKEFFECT的逆效应帕尔帖效应PELTIEREFFECT在制冷技术方面的应用，随着半导体材料技术的发展，半导体制冷已经成为一种新型的制冷方式。所谓珀尔帖效应，是指当直流电流通过重掺杂的N型和P型的碲化铋两种半导体材料组成的电偶对时，其一端吸热，另一端放热的现象。如果电流方向反过来，则冷热端相互转换。由于一。
9、个电偶产生冷、热效应较小，在半导体器件的工业生产上，是将几十、上百对电偶联制成半导体制冷器件俗称热电堆，用户将若干个器件串、并联组成更大功率的制冷、制热装置系统。半导体制冷结构简单，无机械运动部件，体积小，可靠性强，无噪声，无振动，长寿命；半导体制冷器件热惯性非常小，制冷制热时间很快，而且改变电流方向即可实现制冷制热端互换，调节电流大小即可调控制冷制热量输出。半导体制冷器实质上就是电流控制型的电子热泵，在热端放出的热量QH等于输入电功率P与冷端产冷量QC之和QHPQC；冷端产冷量QC等于热端放出的热量QH与输入电功率P之差QCQHP。半导体制冷器的热端制热效率很高，永远大于1，但冷端的制冷效率。
10、一般却不高，在环境制冷应用时，冷端的制冷量是被热端能否有效散发热量所限制，这些不足对于许多适宜半导体制冷技术特点，又需求一定制冷功率的领域的进一步拓展应用受到制约。0004将半导体制冷、吸收式制冷两种制冷机理和特点结合互补，研制出适合某些方面需求的新型制冷装置，这也许是有价值的途径。中国专利CN2008101722527的技术方案是单向利用半导体制冷过程中，热端产生的热量推动吸收式制冷，在半导体制冷的散热系统中安置了工质循环、溶液循环、气体循环等三路循环管路系统，其循环流程及配置遵循溴化说明书CN102322704ACN102322712A2/5页4锂吸收式制冷机的模式，整机结构繁琐复杂，具体。
11、实现也较困难。发明内容0005本发明的目的在于克服已有技术方案的不足，提供一种新的半导体交互吸收式制冷装置，以低压直流电源供电，结构简单、体积小、无转动部件、基本上无噪声、无毒无污染、坚固耐用，能较大地提高能源制冷效率，以满足车辆、船舶舰艇等移动载体及可应用太阳能风能供电的野外、边远山区、海岛等特殊领域范围对制冷空调装置的需求。为实现上述目的，本技术方案将半导体制冷与吸收式制冷两种机理的主要特点结合起来，在吸收器单元内设置有栅片式散热器，吸收器单元内放置有吸收剂溶液，栅片式散热器沉没在吸收剂溶液中，一个半导体制冷器组件的热端和冷端的PN结端面分别与2个吸收器单元内的栅片式散热器外端面紧密联接，。
12、单片机工控单元指令可控硅继电器模块控制半导体制冷器组件供电通断及输出功率、改变负载电流方向使冷热端互换，一个半导体制冷器组件的热端和冷端的交互运行，同步驱动相联的2个吸收器单元进行加热/解吸收、冷却/吸收的交互运行，整机配置了两个半导体制冷器组件及与之相匹配的4个结构相同的吸收器单元，在单片机工控单元的指令控制下，两个半导体制冷器组件依程序进行制冷端与制热端的交互运行，驱动了4个吸收器单元内的吸收剂依程序进行稀溶液加热/解吸收气化放热/转化为浓溶液；浓溶液冷却/吸收制冷剂水气/转化为稀溶液的连续交互循环运行，导致蒸发器内制冷剂工质不断气化吸热产冷。0006如附图所示，3为吸收器单元，A、B、C。
13、、D是结构相同的吸收器单元。吸收器单元内设置有栅片式散热器7，散热器的热量输入输出终端平面稍伸出吸收器单元外侧面，接缝处焊合密封。吸收器单元内放置的吸收剂为卤族元素碱金属盐，如氯化锂、溴化锂、氯化钙等，可以是单一成分，也可以是混合盐。吸收剂可以是溶液，也可以是固体粉末。使用固休吸收剂时，吸收剂应做成蜂窝状，与散热器有良好接触，以取得较佳的传热及与制冷制工质传质效果。制冷剂工质可根据制冷用途选用水或乙醇。吸收剂与制冷剂组成制冷工质对。本发明内容说明的描述是以卤族元素碱金属盐水溶液为吸收剂，水为制冷剂，多数应用情况会采取这两者组成的制冷工质对。栅片式散热器7沉没在吸收剂溶液中，吸收器单元内溶液上方。
14、有一定的水气传质空间，液面上方空间设置有不锈钢斜栅板网6，可以阻止安装在移动载体上的制冷装置因震动颠簸引起溶液的溅起。0007在吸收器单元内设置有吸收剂溶液的比重传感器4及温度传感器5，通过这两个数据的监测，可以实时获取吸收剂的浓度和温度值，这对系统的有效运行是很重要的。吸收器单元外层敷有聚氨酯泡沫塑料与外界绝热。与吸收器单元相连接有制冷剂工质气体水气流通出入管道9，水气可以顺畅流通，其中一个支管通过电磁阀或通闭阈值可控的单向压力阀F1F1A、F1B、F1C、F1D与冷凝器1L1、L2连接；另一个支管通过电磁阀或通闭阈值可控的单向压力阀F2F2A、F2B、F2C、F2D与蒸发器14连接。冷凝器。
15、下有集水槽10，槽内的凝结液化水经毛细管12回流到蒸发器中。吸收器单元、冷凝器含集水槽、蒸发器通过管路组成一个制冷剂与吸收剂之间传质流动的空间系统，抽净空气成真空状态使系统内部压力仅为水蒸气压。蒸发器14内装有制冷剂水，设置了水温传感器13，壳体外壁敷有聚氨酯泡沫塑料绝垫层。蒸发器的冷量输出方式可视制冷用途而定。设置有环境气温传感器11。说明书CN102322704ACN102322712A3/5页50008半导体制冷可以采用一级制冷或两级制冷的结构，附图所示为一级半导体制冷结构。半导体制冷器组件E1的PN结端面AA与吸收剂单元A内设置的栅片式散热器外端面AA紧密联接；PN结的另一端面BB与吸。
16、收器单元B内设置的栅片式散热器外端面BB紧密联接。半导体制冷器组件E2与吸收器单元C、D采用同样的联接。0009设置了由单片机及外围器件构成的单片机工控单元以下简称工控单元15，工控单元上有各吸收器单元吸收剂溶液的比重和温度、蒸发器内制冷剂温度、环境温度等传感器信息输入总线；控制电磁阀F1F1A、F1B、F1C、F1D、F2F2A、F2B、F2C、F2D运作的信号输出总线；控制可控硅继电器模块向半导体制冷器组件E1、E2供电运作的信号线；工控单元上还有制冷装置设备故障告警信号显示与输出，用户可及时发现并排除故障。0010由可控硅和相关电子元器件构成的可控硅继电器模块以下简称可控硅模块20，其供。
17、电输入端接低压直流电源DC；它的输出两路电源19分别向半导体制冷器组件E1、E2独立供电，两路电源线浮地隔离。可控硅模块的功能是控制输出供电通断、通过改变输出电源极性而改变负载电流方向使半导体制冷器的冷热端互换、通过改变输出直流电占空比的脉宽调制而改变输出功率。可控硅模块受工控单元指令控制。0011开机后，系统经过初始调整很快进入正常态运行工作状况，例如，在某一时刻，吸收器单元A内的吸收剂为浓溶液，B内的吸收剂为稀溶液，C内的吸收剂为浓溶液，D内的吸收剂为稀溶液。工控单元指令电源通过可控硅模块向半导体制冷器组件E1供电，供电功率为全负荷，电流方向为AA端制冷，吸收器单元A内的吸收剂浓溶液放热降。
18、温；BB端制热，吸收器单元B内的吸收剂稀溶液吸热升温，这过程实质上就是电子热泵E1将热量从A泵入B。0012B内的吸收剂稀溶液温度升到一定值时，溶液沸腾，水气从溶液中蒸发，工控单元指令电磁阀F1B开启，饱和水气进入冷凝器凝结成液态水，在重力作用下流入冷凝器下方集水槽，经毛细管回流到蒸发器。在冷凝器上产生的凝结热可以通过热交换回收，也可以直排外界大气。与此同时，A内的吸收剂浓溶液温度下降，其液面上的水蒸气饱和分压力明显降低，强烈的吸湿性显现。0013研究表明，规格一定的液体吸湿剂对水气的吸收速率是由空间水气压力与液体吸湿剂液面上的水蒸气饱和分压力之间的压力梯度力所决定，在本装置的状况下，空间水气。
19、压由蒸发器内制冷剂水的温度决定，而吸湿剂即吸收器单元内的吸收剂溶液表面的水蒸气饱和分压力是由溶液浓度和温度决定，当浓度确定后，温度越低，吸湿性就越强。例如，浓度为40的氯化锂水溶液，温度在25时，饱和蒸气压力为055KPA，浓度为50的溴化锂水溶液，温度在25时，饱和蒸气压力为085KPA纯水在25时的饱和蒸气压力为317KPA，10时为123KPA，5时为087KPA。0014A内的浓溶液温度降到设定的“过冷”值后，工控单元指令电磁阀F2A开启，A内吸收剂迅速吸收来自蒸发器的低温水气，蒸发器内制冷剂因不断气化而制冷。由于半导体制冷器的热惯性很小，B内的吸收剂稀溶液温度升到沸腾水气蒸发；A内的。
20、吸收剂浓溶液降到“过冷”温度而开始吸收制冷剂水气，这一过程的时间较快。半导体制冷器的工作一方面促使A内的吸收剂浓溶液不断地吸收水气，将吸收放出的热量泵去B，维持吸收/制冷过程进行，而溶液浓度随吸收水分的增加相应逐渐稀释；另一方面，同时促使B内的稀溶液不断吸收热量，把水分转化为气体蒸发出去，溶液浓度逐渐增加，维持了解吸收/放热过程的进说明书CN102322704ACN102322712A4/5页6行。0015对所选用为制冷吸收剂的液体吸湿材料对水气的吸收性能要有很好掌握，在没有空气的真空环境下，对不同浓度的吸湿剂溶液，在不同的等温、等水气压条件下对水气的吸收、解吸收的随时间变化过程要有充分的实验。
21、数据，这是单片机工控单元编程的依据。本发明制冷装置系统运行中所定义的浓溶液、稀溶液的浓度范围，气化沸腾温度，吸收的“过冷”温度等参数就是在分析上述实验数据的基础上确定并预置在单片机工控单元程序中的。0016A内的浓溶液不断地吸收水气而向稀溶液转化，B内的稀溶液不断地气化而向浓溶液转化，当它们分别都到达接近本系统设定稀溶液、浓溶液的浓度范围的给定值时其值依据所采用的吸收剂特性实验数据决定，工控单元指令可控硅模块对半导体制冷器组件E1供电作脉宽调制，将供电功率降到预定值，A和B内的溶液进入吸收、解吸收气化的缓慢期，A内溶液在吸收水气时，因吸收热不能完全被E1移走而导致A内正趋近稀溶液浓度范围的溶液。
22、温度升高。0017当工控单元指令调控降低E1供电功率，使A、B内溶液进入吸收、解吸收气化缓慢期的同时，指令可控硅模块的另一回路对半导体制冷器组件E2进行全负载供电，电流方向是CC端制冷，吸收器单元C内的吸收剂浓溶液放热降温；DD端制热，吸收器单元D内的吸收剂稀溶液吸热升温。D内的吸收剂稀溶液温度升到一定值时，水溶液沸腾气化，工控单元指令电磁阀F1B关闭，F2A关闭，F1D开启；对半导体制冷器组件E1断电，这时在A内已转化为稀溶液的温度较低，在B内已转化为浓溶液的温度较高，它们通过不工作的半导体制冷器组件E1进行热传导交换，降低了B内浓溶液温度，提高了A内稀溶液温度，这对下轮运作是有利的。当F1。
23、D开启后，D内产生的饱和水气进入冷凝器凝结成液态水，在重力作用下流入冷凝器下方集水槽，经毛细管回流到蒸发器；当C内的吸收剂浓溶液温度降到设定的“过冷”值后，工控单元指令电磁阀F2C开启，C内吸收剂迅速吸收来自蒸发器的低温水气，蒸发器内的制冷剂不断气化而制冷。同样，C内的浓溶液不断地吸收水气而向稀溶液转化，D内的稀溶液不断气化而向浓溶液转化，当它们都到达接近本系统设定稀溶液、浓溶液的浓度范围的给定值时，工控单元指令可控硅模块对半导体制冷器组件E2供电作脉宽调制，将供电功率降到预定值，C和D内的溶液进入吸收、解吸收气化的缓慢期，C内溶液在吸收水气时，因吸收热不能完全被E2移走而导致C内正转趋近稀溶。
24、液浓度范围的溶液温度升高。与此同时，工控单元指令可控硅模块对半导体制冷器组件E1进行全负载供电，新的交互运行周期开始，这一轮的电流方向相反，AA端制热，吸收器单元A内的吸收剂稀溶液吸热升温解吸收制冷工质水气；BB端制冷，吸收器单元B内的吸收剂浓溶液放热降温吸收制冷工质水气。同样，A内的稀溶液温度升到一定值时，水溶液沸腾气化，工控单元指令电磁阀F1D关闭，F2C关闭，F1A开启；对半导体制冷器组件E2断电。B内的浓溶液温度降到设定的“过冷”值后，工控单元指令电磁阀F2B开启，B内吸收剂迅速吸收来自蒸发器的低温水气，蒸发器内的制冷剂不断气化而制冷。0018两个半导体制冷器组件E1、E2依序进行制冷。
25、端与制热端的交互运行，驱动了4个吸收单元A、B、C、D内的吸收剂依程序进行浓溶液降温/吸收制冷剂水气/转化为稀溶液；稀溶液加热/解吸收气化放热/转化为浓溶液的连续交互循环运行，导致蒸发器内制冷剂工质不断气化吸热产冷。0019本发明制冷装置运行的驱动源是由低压直流电源供电的半导体制冷器的制热端说明书CN102322704ACN102322712A5/5页7和制冷端。如果将半导体制冷器组件更换为太阳能风能转化的热源水、地热水、工业余热水，并配合冷却水；将吸收器单元内置的栅片式散热器更换为盘管式散热器，本发明的交互吸收式制冷装置同样可以制冷运行。附图说明0020附图为半导体交互吸收式制冷装置技术示意。
26、图。0021图上1是冷凝器L1、L2为结构相同的2个冷凝器，2是电磁阀F1F1A、F1B、F1C、F1D、F2F2A、F2B、F2C、F2D，3是吸收器单元A、B、C、D为结构相同的4个吸收器单元，4是吸收剂溶液比重传感器G1、G2、G3、G4，5是吸收器单元内溶液温度传感器T1、T2、T3、T4，6是不锈钢斜栅板网，7是栅片式散热器，8是半导体制冷器组件E1、E2，9是制冷剂工质气体水气流通出入管道，10是集水槽L1、L2下方各有一个，11是环境气温传感器T6，12是毛细管L1、L2的集水槽上各有1个，13是制冷剂水温传感器T5，14是蒸发器，15是单片机工控单元，16是控制电磁阀运作的信号。
27、输出总线，17是传感器信息输入总线，18是控制可控硅继电器模块运作的信号线，19是向半导体制冷器组件供电的两路电源线，20是可控硅继电器模块，21是直流低压外电源DC输入线。具体实施方式0022对所选用吸收剂与制冷剂组成制冷工质对的吸收特性要有充分的实验数据。本发明多数情况下应用是以卤族元素碱金属盐水溶液为吸收剂，水为制冷剂，为获取低于零度的制冷可用乙醇为制冷剂。某些特殊方面需用固体吸收剂，可将吸收剂固体粉末渗入粘仺剂及适量导热剂如石墨等制成蜂窝状铸粘在散热片上。根据制冷量，制冷工质对特性参数，使用条件等计算出装置所需吸收剂、制冷剂的量，半导体制冷器组件功率等基本数据。用做制冷剂的卤族元素碱金。
28、属盐有一定腐蚀性，吸收器单元及内置的栅片散热器选用不锈钢等防腐金属材制成。冷凝器可选用市场已有的翅片式结构。吸收器单元、冷凝器含集水槽、蒸发器通过管路组成一个制冷剂与吸收剂之间传质流动的空间系统，抽净空气成真空状态使系统内部压力仅为水蒸气压。吸收器单元及蒸发器外敷有聚氨酯泡沫塑料绝垫层。电磁阀可选市场定型产品。0023单片微型计算机简称单片机，市场上规格较多，本发明制冷装置系统可选用8位单片机配外围器件构成工控单元。单片机工控单元按常规方法编程，编程依据主要由所选用吸收剂制冷剂工质对的吸收、解吸收特性曲线参数而定。0024吸收剂溶液比重传感器，溶液及水温度传感器，环境气温传感器可采用市售标准化产品，中等偏低的精度就可满足本装置需求。市场上有品种繁多，各种用途的可控硅固态继电器，可选择符合本装置功能的产品，也可以采购可控硅单片和配套的电子元器件，按所需功能逻辑电路，焊接搭建成本机专用的可控硅继电器模块。国内外生产的碲化铋半导体制冷器已很成熟，价格不贵，规格较多，例如有的单片产冷功率可达68瓦，冷热端温差大于65，根据本装置的需要，将多片半导体制冷片串并联。配置安装固定件，构成符合本机要求的半导体制冷器组件。说明书CN102322704ACN102322712A1/1页8说明书附图CN102322704A。