一種“綠色”半導體器件冷暖空調器的設計

羅欣

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

【關鍵詞】半導體器件 模式轉換 冷暖空調 溫度調節(jié)

1 引言

利用半導體調溫技術對室內進行溫度調節(jié)是一種新型溫度調節(jié)技術，與現(xiàn)有的常規(guī)壓縮式制冷機相比，具有重量輕、壽命長，工作起來無噪聲等優(yōu)點，同時由于不必使用氣體冷卻劑工質，所以也不會構成對環(huán)境污染，成為了名副其實的“綠色”空調。目前應用半導體溫度調節(jié)技術的場所已經來越多，已經廣泛應用于汽車，醫(yī)療等部門。但是由于半導體器件的特性，其P-N結的固定結構使得半導體空調的制冷和制熱之間的轉換比較困難，所以一般由半導體致冷器制成的空調器都是單一的制冷空調機，而這種單純制冷空調尚不能滿足市場的商業(yè)需求。如何改變現(xiàn)有的半導體調溫結構，實現(xiàn)半導體制冷和制熱模式的有效轉換，已經是當今半導體調溫技術進一步發(fā)展的難題，也是真正讓半導體調溫技術實現(xiàn)商業(yè)化價值的關鍵。

本論文提出一種利用半導體調溫器件模塊化設置，通過模塊轉動方式實現(xiàn)半導體制冷和制熱模式的有效轉換，到達利用半導體調溫器件既能制冷又能制熱的目的，通過半導體冷暖空調結構設計，使得半導體冷暖空調能滿足市場的商業(yè)需求，實現(xiàn)“綠色”空調的商業(yè)化應用。

2 半導體冷暖空調原理

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

2.1 賽貝克效應

所謂賽貝克效應是由俄羅斯科學家賽貝克于19世紀所發(fā)現(xiàn)的一種溫度效應，即兩種不同導體（或半導體）所組成的閉合回路中，如果兩個接頭具有不同的溫度，則會在線路中產生電流，這種電流稱被為溫差電流，這個閉合回路便構成溫差電偶，產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。這種溫度效應稱為塞貝克效應（圖1）。

2.2 珀爾帖效應

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

2.3 湯姆遜效應

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

2.4 焦耳效應

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

2.5 傅里葉效應

所謂傅付里葉效應就是指單位時間內經過均勻介質沿某一方向傳導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，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。

綜合上述五種效應組合，可以看出所謂半導體調溫就是利用半導體材料，當電流流經不同的導體，尤其是半導體材料所形成的結點回路時，在結點處會產生放熱或吸熱（制冷）現(xiàn)象而實現(xiàn)調溫的。

但是現(xiàn)有的半導體調溫技術之所以難以推廣，主要是兩個問題，其一是功效較低，難以與傳統(tǒng)的制冷劑空調抗衡；其二是現(xiàn)有半導體的調溫材料如何進行冷熱轉換的問題。這其中第一個問題在新的高效半導體熱電元件誕生后已經基本得到解決，目前的高效半導體熱電元件的優(yōu)值系數(shù)已經超過13×10-3K-1，在溫差50℃時，高效半導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制冷。而第二個問題正是當前所需要解決的主要問題，當前認為半導體的冷熱轉換可以直接通過改變電流的方向實現(xiàn)，但實際應用中發(fā)現(xiàn)采取這樣的冷熱轉換方式不利于半導體的調溫材性能的利用。眾所周知，半導體主要是為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行導電，而P型元件通過空穴載流子進行導，在N型元件接入直流電正極，P型元件接入負極時，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換如果長期通過電流改變容易造成器件損壞；為了有效利用N型元件和P型元件的性能我們現(xiàn)在都只是利用半導體的N型元件和P型元件來進行制冷，這也是當前的半導體調溫主要只是用于做半導體制冷的主要原因。

通過上面的分析可以得知，采用簡單的電流換向實現(xiàn)半導體調溫器件的冷熱模式的轉變是不理想的，因此本設計主要通過結構的改進來實現(xiàn)半導體調溫器件的冷熱模式的轉變，將半導體調溫器件設計成一種模塊，并將此模塊安裝在一個帶有冷熱腔室的殼體內，通過半導體調溫器件模塊的轉動來實現(xiàn)半導體調溫器件的冷熱模式的轉變，結構原理如圖4。

通過圖4可以看出，本設計的主要原理是將半導體調溫器件設計成一種可以在殼體內轉動的模塊，將半導體調溫器件模塊通過一個轉軸安裝在空調的殼體內，根據半導體P-N結的調溫特性，在需要對室內進行降溫時，將半導體P-N結制冷的一面面對室內；在需要對室內升溫時，將半導體P-N結發(fā)熱的一面面對室內，通過轉軸的轉換即可實現(xiàn)在殼體內的半導體調溫器件的冷熱模式的轉變。采用這種冷熱模式的轉變方法，可以不改變原半導體調溫器件的電流方向，保持半導體調溫器件P-N結的各自優(yōu)勢，只需通過器件的面向改變實現(xiàn)冷熱模式的轉變。

3 半導體冷暖空調結構設計

根據上述的設計思路，本設計所提出的結構設計方案主導思想就是將半導體調溫組件模塊化，并達到能在一定空間能轉動，其設計過程如下：

3.1 半導體調溫組件結構設計

采用高效半導體熱電元件堆疊成塊，使每個元件相連接的都是不同導電類型的元件，串聯(lián)起來形成大功率的半導體調溫組件，并在調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置轉軸，并在轉軸的一端設置半導體調溫組件的N型元件導電環(huán)和P型元件導電環(huán)，這樣就形成了半導體調溫組件（圖5）。

半導體調溫組件制冷時，將冷端面置于室內吸熱，熱端面置于面向室外，并通過風扇將熱端面的熱量吹到室外，以達到降低室內溫度的目的；而在冬季需要給室內升溫時，則通過調整半導體調溫組件的轉向來改變半導體調溫組件的冷熱位置關系；將半導體調溫組件方向轉變180度，此時半導體調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放熱，從而達到加熱室內溫度的空調目的。

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

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

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

3.2 整體空調結構設計

在設計好半導體調溫組件后，在整體結構設計上主要應考慮半導體調溫組件的安裝、通風的方式，以及半導體調溫組件模塊的轉動控制幾部分。整個空調器的結構如附圖6和圖7所示。

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

其中，室內換熱腔體是在前箱體一端設有室內入風口，內入風口安裝有室內風扇，另一端設有室內出風口，室內入風口與室內出風口通過半導體器件板一側的室內流道連通，室內風扇吹出的風經過室內流道，進入另一端，再通過室內出風口排出。前箱體整個下前角部分設有室內出風流道，室內出風口的風是經由室內出風流道排出的。室外換熱腔體是在后箱體的兩端分別設有與室外相通的室外入風口和室外出風口，室外入風口和室外出風口的一部分分別嵌入墻體內，且面向室外，室外入風口和室外出風口通過位于半導體器件板另一側的室外流道連通，形成后箱體換熱腔體，在室外入風口處設有室外風扇，室外風扇將室外空氣引入，通過室外流道，再從室外出風口排出。室外入風口位于室外風扇之前的風道上設有空氣過濾網，通過空氣過濾網對室外進入后箱體的空氣進行過濾，防止雜物進入。

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

為了提高熱膠換效率，在半導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流道和室外流道中，使得經過室內流道和室外流道的風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交流，在室外流道與箱體之間設有保溫層，防止室外換熱腔體內的溫度傳到室內。

4 半導體冷暖空調結構分析

采用上述結構的半導體空調，通過一個可轉動的半導體器件板，實現(xiàn)半導體器件板對室內制冷或加熱之間的轉換，并直接將整個箱體分為前箱體和后箱體兩個部分，直接將整個空調器箱體安裝在室內的墻壁上，分別通過室外換熱腔體和室內換熱腔體進行熱交換，達到空氣調節(jié)的目的，這樣有幾大好處：

（1）冷熱轉換模式通過模塊式結構轉動實現(xiàn)轉換，不采用電源反接，可以避免電源反接所給半導體器件的反向沖擊，防止半導體器件出現(xiàn)“崩潰”現(xiàn)象，可以完全利用半導體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部分，只需通過一個進風口和一個排風口，兩個風口就可以將換熱腔體的熱交換空氣與室外空氣進行交換，避免了室外機造成安全隱患的因素；

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

（4）結構簡單，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，安裝容易。

（5）可連續(xù)工作，使用安靜無噪音，直接通過半導體器件進行熱交換，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，沒有壓縮機運轉的噪音；

（6）環(huán)保綠色運行，本發(fā)明采取半導體換熱，取代了常規(guī)的壓縮機技術，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）半導體制冷片采用高效半導體熱電元件，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)高精度的溫度調節(jié)，并通過溫度檢測和控制手段，實現(xiàn)遙控、程控、計算機等控制，便于形成自動控制系統(tǒng)。

（9）半導體調溫的溫差范圍，可從+90℃到-130℃任意調節(jié)。

5 結論

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

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