基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置及使用方法

技术领域

本发明涉及暖通空调应用领域，具体是一种基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置。

背景技术

半导体制冷是利用半导体的热电效应来制冷的装置。半导体制冷片在接入直流电后，半导体片的一侧制冷降温，称为冷端；另一侧散发热量，成为热端。半导体制冷装置有体积小、重量轻、无噪声、无震动、不需制冷剂、冷量调节方便等特点，且工作可靠，操作简便。但它的制冷能力相对较小，制冷系数小，主要用于所需制冷量相对较小和空间小的场合，如电子设备的冷却、饮水机的冷热水制备、小型冰箱等。在需要相对较大的制冷量的场合，可以采用多片半导体制冷片并联的方式。半导体制冷片的冷端通过翅片可以直接冷却空气，也可以冷却水；半导体制冷片的热端通常是通过散热翅片用风扇强制对流进行散热，也可以通过换热器用水来带走热量。

实际上半导体制冷就是一个“热泵”，既可以用来制冷，也可以用来加热。目前利用半导体制冷原理来做空调装置的，主要是冷端通过翅片用风扇提供冷空气，或者是冷端通过换热器提供冷水，热端通常都是通过散热翅片用风扇强制对流进行散热。从半导体制冷原理可知，热端的散热情况是否良好，会直接影响制冷效率，通过强制对流来强化热端散热是有限度的，因此需要一种改进措施能够解决这个问题提高制冷效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置以及使用方法，用以实现具有制冷能力的空调装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置，包括：室外机和室内机；

所述室外机包括室外机箱，在室外机箱上分别设有室外空气入口和室外空气出口，在室外机箱内部，设有半导体制冷片，紧贴着半导体制冷片的两侧分别设有热端换热装置及冷端水冷换热装置；

所述室内机包括室内机箱，在室内机箱的一侧设有室内空气入口，在相对的室内机箱的另一侧开口并设有室内机湿帘，室内机湿帘的顶部设有一组湿帘喷淋嘴，湿帘喷淋嘴通过室内机喷淋供水管与冷端水冷换热装置相连接；在室内机湿帘正下方设有一个顶部开口的室内机水箱，在室内机水箱中设有室内机喷淋泵，室内机喷淋泵通过喷淋回水管与冷端水冷换热装置相连接；

所述室内机湿帘与室内空气入口之间，设有室内机风扇。

作为本发明一种基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置的改进：

所述热端换热装置包括热端散热翅片，热端散热翅片与半导体制冷片的一侧相互紧密贴合并固定连接，在热端散热翅片的上方设有由挡板围成一个上下开口四周密封的室外机风道a，室外机风道a的入口与所述室外空气入口相连接，室外机风道a的出口与热端散热翅片的顶部相邻；

所述室外机风道a内设有一组散热翅片喷嘴，散热翅片喷嘴的喷淋方向向下正对热端散热翅片的顶部；在热端散热翅片的正下方设有顶部开口的室外机水箱，室外机水箱内部设有室外机喷淋泵，室外机喷淋泵通过室外机喷淋管与散热翅片喷嘴相连接；

所述热端散热翅片与室外空气出口之间，设有室外机风扇。

作为本发明一种基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置的进一步改进：

所述冷端水冷换热装置包括冷端换热器，冷端换热器与半导体制冷片的另外一侧相互紧密贴合并固定连接，冷端换热器的出口通过室内机喷淋供水管与湿帘喷淋嘴相连接，冷端换热器的入口通过室内机喷淋回水管与室内机喷淋泵相连接。

作为本发明一种基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置的改进：

所述热端散热翅片在室外机水箱开口处的投影尺寸小于室外机水箱的顶部开口尺寸；

所述室内机湿帘在室内机水箱开口处的投影尺寸小于室内机水箱的顶部开口尺寸。

作为本发明一种基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置的改进：

所述室外空气入口设于室外机箱的顶部，所述室外空气出口设于室外机箱的一侧。

本发明还同时提供了利用所述一种基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置的使用方法，包括如下过程：

1)、夏季工况：

1.1)、热端循环

半导体制冷片的热端产生的热量传递给热端散热翅片，热端散热翅片温度升高；

夏季室外空气在室外机风扇的驱动下，从室外空气入口进入室外机箱，沿风道a流向热端散热翅片；室外机水箱中的水在室外机喷淋泵驱动下，通过室外机喷淋管和散热翅片喷嘴，向热端散热翅片的顶部喷淋；

室外空气与喷淋水的共同吸收热端散热翅片上的热量，热端散热翅片1的温度降低，部分喷淋水蒸发，室外空气从室外空气出口排到室外环境中，其余的喷淋水沿着热端散热翅片落入室外机水箱中继续参与热端循环；

1.2、冷端循环

半导体制冷片的冷端产生的冷量与流经冷端换热器中的室内机喷淋水交换热量，室内机喷淋水温度降低，在室内机喷淋泵驱动下，通过室内机喷淋供水管被输送到湿帘喷淋嘴，向室内机湿帘喷淋；

室内空气在室内机风扇的驱动下，从室内空气入口进入室内机箱，经过室内机湿帘的时候，室内空气与室内机喷淋水交换热量，室内空气温度降低，室内机喷淋水温上升，室内机喷淋水温低于室内空气的露点温度，室内空气中的水蒸气会凝结在湿帘表面，使得空气经过降温除湿后送入室内；

升温后的室内机喷淋水落入室内机水箱中，在室内机喷淋泵驱动下，经过室内机喷淋回水管，回到冷端换热器中继续参与冷端循环；

2、冬季工况：

冬季工况时，半导体制冷片的热端为制冷，半导体制冷片的冷端为制热，室外机喷淋泵停止运行；

室外空气在室外机风扇的驱动下，经过室外空气入口进入室外机箱，沿风道a流向热端散热翅片，吸收半导体制冷片的热端的冷量后，室外空气从室外空气出口排到室外环境中；

半导体制冷片的冷端产生的热量与流经冷端换热器中的室内机喷淋水交换热量，室内机喷淋水温度升高，在室内机喷淋泵驱动下，通过室内机喷淋供水管，室内机喷淋水被输送到室内机湿帘的上方进行喷淋；

室内空气在室内机风扇的驱动下，从室内空气入口进入室内机箱并经过室内机湿帘，室内空气与室内机喷淋水交换热量，室内空气温度升高湿度增加被送入室内；室内机喷淋水温度降低，然后落入室内机水箱中，在室内机喷淋泵驱动下，经过室内机喷淋回水管，回到冷端换热器中继续循环。

本发明的有益效果主要体现在：

1、本发明在半导体制冷片的热端采用强制对流风冷和循环水喷淋蒸发冷却，强化了热端的散热，提高了制冷效率，在热端强制对流风速为1.51-1.53m/s的情况下，热端采用循环水喷淋蒸发冷却的半导体制冷的性能系数(COP)比采用空气强制对流冷却最高提高了15％；

2、本发明的半导体制冷片的冷端采用水冷方式，可以通过水管将室内机和室外机连接起来，避免了半导体制冷片冷热端相距太近，安装使用不便的缺陷；

3、本发明的半导体制冷的冷端产生的冷冻水，用于室内机湿帘喷淋，使室内空气温度降低；采用直接蒸发冷却方式，比采用换热器或间接蒸发冷却方式的换热效率更高；同时由于冷冻水温度低于空气的露点温度，可以对室内空气进行除湿，而不会对室内空气进行加湿。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明的一种基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例1、一种基于蒸发冷却的半导体制冷分体式空调装置，如图1所示，包括室外机和室内机，两者之间由室内机喷淋供水管11和室内机喷淋回水管17相连接。

室外机包括室外机箱20，在室外机箱20的顶部设置一个开口为室外空气入口4，在室外机箱20的一侧设置一个开口为室外空气出口7；

在室外机箱20内部，设有半导体制冷片3，在半导体制冷片3的两侧分别设置热端换热装置及冷端水冷换热装置；

热端换热装置包括热端散热翅片1，热端散热翅片1与半导体制冷片3的一侧相互紧密贴合并固定连接，用于半导体制冷片3的热端换热；热端散热翅片1为一组垂直布置铝制肋片，使得散热的风可以竖向从铝制肋片之间的空隙吹过，在热端散热翅片1的上方设有由挡板5围成一个上下开口四周密封的室外机风道a，室外机风道a的入口与室外空气入口4相连接，室外机风道a的出口与热端散热翅片1的顶部相邻，在热端散热翅片1与室外空气出口7之间，固定设有室外机风扇6，空气从室外空气入口4进入室外机箱20内部，由于室外机风道a的存在，室外空气只能流过热端散热翅片1，并与热端散热翅片1交换热量，在室外机风扇6持续驱动下，从室外空气出口7流出室外机箱20；

在室外机风道a的内部固定设置一组散热翅片喷嘴19，散热翅片喷嘴19的喷淋方向向下正对热端散热翅片1的顶部；在热端散热翅片1的正下方设有室外机水箱9，室外机水箱9的顶部开口，热端散热翅片1在室外机水箱9开口处的投影尺寸小于室外机水箱9的顶部开口尺寸，用以承接散热翅片喷嘴19喷淋落下的水；室外机水箱9内部设有室外机喷淋泵8，室外机喷淋泵8的出口通过室外机喷淋管10与散热翅片喷嘴19相连接，室外机水箱9中的水在室外机喷淋泵8持续作用下，通过散热翅片喷嘴19向热端散热翅片1喷淋水，水经过并与热端散热翅片1交换热量，使得热端散热翅片1的温度降低，热量交换后的水落入室外机水箱9中继续循环使用；

冷端水冷换热装置包括冷端换热器2，冷端换热器2与半导体制冷片3的另外一侧相互紧密贴合并固定连接，冷端换热器2为水换热器，半导体制冷片3冷端产生的冷量与流过冷端换热器2中的水相互换热，使得流经冷端换热器2的水温度降低成为低温水；冷端换热器2的出口与室内机喷淋供水管11的入口相连，并通过室内机喷淋供水管11与室内机相连通；冷端换热器2的入口与室内机喷淋回水管17的出口相连，并通过室内机喷淋回水管17与室内机相连通，从而将低温水输送给室内机，使得室内机与室外机相互循环交换热量。

室内机包括室内机箱30，在室内机箱30的一侧设有室内空气入口13，在室内空气入口13相对的另一侧开口并设有室内机湿帘12(位于室内机箱30内部)，在室内空气入口13与室内机湿帘12之间，设有室内机风扇14，从而形成室内机空气流道b，在室内机风扇14的驱动下，室内空气通过室内空气入口13流入室内机箱30，经过室内机空气流道b，从室内机湿帘12排出到室内；

室内机湿帘12的顶部设有一组湿帘喷淋嘴121，湿帘喷淋嘴121喷淋方向朝下，湿帘喷淋嘴121与室内机喷淋供水管11的出口相连，即，湿帘喷淋嘴121通过室内机喷淋供水管11与冷端换热器2相连接，用以接收从冷端换热器2出来的低温水并向室内机湿帘12内部喷淋；在室内机湿帘12正下方设有一个顶部开口的室内机水箱15，室内机湿帘12在室内机水箱15开口处的投影尺寸小于室内机水箱15的顶部开口尺寸，从而保证从室内机湿帘12流下的水能够落入室内机水箱15中，在室内机水箱15中设有室内机喷淋泵16，室内机喷淋泵16与室内机喷淋回水管17的入口相连，即室内机喷淋泵16通过喷淋回水管17与冷端换热器2相连接；

室内机水箱15中的水在室内机喷淋泵16的驱动下，通过室内机喷淋回水管17，输送到室外机中的冷端换热器2内，半导体制冷片3冷端产生的冷量将冷端换热器2中的水降温变成低温水，然后低温水通过室内机喷淋供水管11，输送到湿帘喷淋嘴121向室内机湿帘12进行喷淋，低温水沿着室内机湿帘12下落的同时，与流经室内机湿帘12的室内空气进行热湿交换，水温升高，空气温度降低，热湿交换后的水流入室内机水箱15，热湿交换后的室内空气排入室内。

本发明的使用方法如下：

1、夏季工况：

1.1、热端循环

半导体制冷片3的热端产生的热量传递给热端散热翅片1，热端散热翅片1温度升高；

夏季室外空气在室外机风扇6的驱动下，从室外空气入口4进入室外机箱20，由于挡板5的作用，室外空气沿风道a流向热端散热翅片1，同时室外机喷淋泵8将室外机水箱9中的水，通过室外机喷淋管10送往散热翅片喷嘴19，向热端散热翅片1的顶部进行喷淋；

室外空气与喷淋水的共同吸收热端散热翅片1的热量(即半导体制冷片3的热端产生的热量)，热端散热翅片1的温度降低((即降低了半导体制冷片3的热端产生的热量)，部分喷淋水蒸发，然后室外空气从室外空气出口7排到室外环境中，其余的喷淋水沿着热端散热翅片1落入室外机水箱9中继续参与热端循环；

1.2、冷端循环

半导体制冷片3的冷端产生的冷量与冷端换热器2中的室内机喷淋水交换热量，室内机喷淋水温度降低，在室内机喷淋泵16驱动下，通过室内机喷淋供水管11，被输送到室内机湿帘12的上方通过湿帘喷淋嘴121进行喷淋；同时，室内空气在室内机风扇14的驱动下，从室内空气入口13进入室内机箱30，经过室内机湿帘12之时，室内空气与室内机喷淋水交换热量，室内空气温度降低，室内机喷淋水温上升，由于室内机喷淋水温低于室内空气的露点温度，室内空气中的水蒸气会凝结在湿帘表面，使得空气经过降温除湿后送入室内；

升温后的室内机喷淋水落入室内机水箱15中，在室内机喷淋泵16驱动下，经过室内机喷淋回水管17，回到冷端换热器2中继续参与冷端循环。

2、冬季工况：

冬季工况的时候，半导体制冷片3的直流电源需要进行正负极切换，切换后，半导体制冷片3的热端为制冷，冷端产生热量；冬季时，室外机喷淋泵9停止运行，热端散热翅片1的作用转变为从室外空气中吸收热量(向室外空气释放冷量)。

冬季室外空气在室外机风扇6的驱动下，经过室外空气入口4进入室外机箱20，由于挡板5的作用，室外空气沿风道a流向热端散热翅片1，吸收半导体制冷片3的热端的冷量后，室外空气从室外空气出口7排到室外环境中；

半导体制冷片3的冷端产生热量，用以加热冷端换热器2中的室内机喷淋水，室内机喷淋水温度升高，在室内机喷淋泵16驱动下，通过室内机喷淋供水管11，室内机喷淋水被输送到室内机湿帘12的上方进行喷淋；

室内空气在室内机风扇14的驱动下，从室内空气入口13进入室内机箱30并经过室内机湿帘12，室内空气与室内机喷淋水交换热量，室内空气温度升高，室内机喷淋水温度降低，室内空气被加热加湿后送入室内；降温后的室内机喷淋水落入室内机水箱15中，在室内机喷淋泵16驱动下，经过室内机喷淋回水管17，回到冷端换热器2进入下一循环。

实验1：

实验装置包括实施例1所述半导体制冷分体式空调装置、直流稳压电源盒、温湿度记录仪、功率测试仪、水箱A等；其中，半导体制冷片3包括两片CL-C067型半导体制冷片，热端换热装置为铝制肋片型散热器，冷端水冷换热装置为铝制四流程水冷换热器，铝制肋片型散热器、铝制四流程水冷换热器均与半导体制冷片3之间均匀涂抹导热硅胶，以减少接触热阻，为尽可能减少冷量的散失，在室内机喷淋供水管11和室内机喷淋回水管17外加贴保温层；其余实验仪器型号和性能参数见表1：

表1实验仪器型号和性能参数

直流稳压电源盒为半导体制冷片3提供稳定的直流电，功率测试仪测试半导体制冷片3的功耗，室外空气入口4和室外空气出口7处各设置一个温湿度记录仪；经过铝制四流程水冷换热器降温以后的室内机喷淋水，通过室内机喷淋供水管11被输送到室内机湿帘12的上方进行喷淋，喷淋后的水落入室内机水箱15，通过室内机喷淋泵16再回到铝制四流程水冷换热器，进入下一循环，通过测量经过室内机水箱15的流量及室内机喷淋水的水温变化可计算制冷量的大小，制冷量的计算公式为：

Q＝c·m·Δt (1)

其中，Q为制冷量，单位为W；c为水的比热容，单位为J/(kg·℃)，取4.2×103J/(kg·℃)；m为水的质量流量，单位为g/s；Δt为冷端换热器进出口的水的温差，单位为℃；

性能系数COP为输出的制冷量与半导体制冷装置输入的功率之比，COP的计算公式为：

其中，COP为装置的性能系数；P1为半导体制冷片3的输入功率，单位为W。

为了分析对比本装置的技术优势，实验分为两个工况，实验工况1为热端无喷淋水散热工况，即关闭散热翅片喷嘴19，只采用室外空气强制对流散热工况；实验工况2为热端开启散热翅片喷嘴19，采用室外空气与喷淋水的共同散热。将实验所测得的各项数据代入式(1)和(2)，得到两种实验工况下的制冷量和COP，如表2所示：

表2不同实验工况下的制冷量和COP

实验测试结果表明，在热端换热装置强制对流风速为1.51-1.53m/s的情况下，热端换热装置采用循环水喷淋蒸发冷却的半导体制冷的性能系数(COP)比采用空气强制对流冷却最高提高了15％，证明了本发明的有效性。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。