CN1077676C - 采用热管传导散热的温差电致冷器 - Google Patents

采用热管传导散热的温差电致冷器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种由热管传导散热的温差电致冷器。它主要由安装在温差电致冷组件冷端的、布有多束汇集于中空梯形冷凝室的热管传导板和安装在温差电致冷组件热端的、多束带有翅片或翅条且汇集于中空梯形蒸发室的热管换热器所组成；通过热管及工质高效率的相变、传导，起到快速冷却和散热作用，从而减少冷热端因温度聚集引起的热交换，使之工作在最小温差状态下，以获得最大的致冷量。

Description

采用热管传导散热的温差电致冷器
本发明涉及温差电致冷技术与设备，具体地说是一种采用热管传导散热的温差电致冷器。
温差电致冷是在珀尔贴效应基础上，利用两种导体中的电子和空穴在通电回路产生的势能变化和吸热、放热现象，形成冷、热端，进而实现致冷(致热)性能的。由于致冷组件运行时有电流通过温差电偶会产生焦耳热，同时热端的温度也将传入冷端，故在热平衡状态下，冷端的热平衡方程为：
即冷端的致冷量等于冷端产生的珀尔贴冷量减去带入冷端的1/2焦耳热，再减去由付里叶热传导定律决定的由热端传入冷端的热量，并由上式推导可知，在不改变温差电偶材料和传导散热方式的前提下，冷热端达到最大温差时，致冷量及致冷系数均趋近于零。由此可见，要提高致冷性能，除了选择适当的工作电流和电功率，相对减少带入冷端的焦耳热以外，更重要的是改善温差电致冷组件的传导散热方式，减少冷热端因温度积累形成的热交换，最大限度的降低两端的温差，才能获得最多的致冷量。因此，研究开发高效率的传导散热装置，对于改善温差电致冷组件的工作条件，提高致冷效率、扩大致冷容积，使之在更多的领域广泛应用，具有极其重要的意义。
目前广为应用的温差电致冷器，通常由温差电致冷组件、致冷传导装置和热端散热装置三部分组成。其中温差电致冷组件一般用半导体材料制成：致冷传导装置采用肋片式散热器或大面积金属板结构；热端散热装置采用散热器自然风冷、风扇强制冷却，内循环自然水冷、外循环强制水冷和利用物质吸热反应冷却等几种方式。通过大量的研究和实验证明：用金属材料制作的传导散热装置(如图1、图2)，换热系数仅为3-8W/(m2，k)；辅加风扇强制冷却，也只能达到26-30W/(m2，K)；且由于材料热阻的存在，使有效的传导面积只限于以热源为中心的150-180mm为半径之内，超过这个范围导热性能明显衰减。采用内循环水冷的换热系数虽可达110-170W/(m2，K)，但需要较大的循环面积与环境进行热交换，且加工难度较大，安装使用中容易透漏和锈蚀；外循环水冷(如图4)是将散热循环水的进出口与有压力的水源连通，通过与外界水源的循环带走热量，这种方式的换热系数可达150-1000W/(m2，K)，但使用时必须配有相应的水源或水泵，至使产品的应用范围受到限制。另外还有利用物质熔化热，物质溶解热及物质热容量进行冷却的散热装置，由于对传导装置有腐蚀性，散热效果缺乏连续性和稳定性，故尚未广泛采用。因此，研制开发高效率的传导散热装置，仍是温差电致冷技术发展中一个急待解决的重要课题。
中国专利ZL92202399.9公开了一种半导体热电致冷装置，包括带翅片的热管元件，均温块。若干支热管平行***均温块中，***部分为光管，露出部分为翅片管，均温块的一面有两个与半导体制冷片相接触的凸台，另一面支翅片，暴露于空气中。由于半导体制冷片的两个表面分别与设计的通用传热组件紧密结合，因而使装置的传热性能改善。但其均温块为实心块，为了减少因两端热量聚集引起的热交换，获取最大致冷量，现有技术有改进、完善的必要。
本发明的目的是提供一种由热管传导散热的温差电致冷器。它主要由安装在温差电致冷组件冷端的热管传导板和安装在致冷组件热端的热管散热器所组成。使冷热端的温度通过热管进行高效率的散发和传导，减少因两端热量聚集引起的热交换，使之工作在最小温差状态下，以获取最大的致冷量。
本发明的目的是这样实现的：
一种用于各种温差电致冷设备与产品的、采用热管传导散热的温差电致冷器，其特征在于：
(1)由温差电致冷组件、安装在温差电致冷组件冷端的中空梯形致冷块、固定在梯形致冷块上且布有多束汇集于中空梯形冷凝室的热管传导板组成的致冷传导装置；
(2)由安装在温差电致冷组件热端的多束带有翅片或翅条且汇集于中空梯形蒸发室的热管换热器、连接在热管换热器周边的机体外壳组成的热端散热装置。
所述致冷传导装置中的热管传导板采用双层板热压吹涨或冷压滚焊工艺而成，各热管循环管道均汇集于凸起的中空梯形冷凝室。
所述热端散热装置中的热管换热器各热管循环管道均汇集于凸起的中空梯形蒸发室。
本发明有以下积极有益的效果：
本发明的采用热管传导散热的温差电致冷器，运用热管高效率的热冷传导性能，可加速温差电致冷组件高低温传导，减少冷热端的热量积累和热交换，缩小两端温差，提高致冷效率。不仅创意科学、结构合理、工艺可靠，而且具有造价低、实用性强、性能稳定、经久耐用等特点，可广泛运用于多种温差电致冷设备和产品中。
现结合附图对本发明的几种实施例进行说明；
图1为客房冰箱中采用肋片状散热器传导散热的温差电致冷器示意图；
图2为车载冰箱中冷端采用大面积金属板传导；热端采用圆针状散热器传导散热的温差电致冷器示意图；
图3为冷藏箱中冷端采用肋片状散热器传导；热端采用内部循环自然水冷的温差电致冷器示意图；
图4为冷藏箱中冷端采用圆针状散热器传导；热端采用外部循环强制水冷的温差电致冷器示意图。
图5为采用热管传导散热的温差电致冷器的致冷传导装置结构示意图；
图6为采用热管传导散热的温差电致冷器的热端散热装置结构示意图；
图7为采用热管传导散热的温差电致冷器装配图；
图8为客房冰箱中采用重力热管传导散热的温差电致冷器示意图；
图9为车载冰箱中采用有芯热管传导散热的温差电致冷器示意图；
图10为冷藏箱中采用渗透压差热管传导散热的温差电致冷器示意图。
附图编号：
1.温差电致冷组件    2.中空梯形致冷块    3.中空梯形冷凝室
4.热管传导板        5.中空梯形蒸发室    6.热管散热器
7.机体外壳
本发明的采用热管传导散热的温差电致冷器，其技术方案主要包括：(一)致冷传导装置。由温差电致冷组件1安装在温差电致冷组件冷端的中空梯形致冷块2固定在梯形致冷块上的布有多束汇集于中空梯形冷凝室3的热管传导板4组成(如图5)；(二)、热端散热装置。由安装在温差电致冷组件1热端的多束带有翅片或翅条且汇集于中空梯形蒸发室5的热管换热器6连接在热管散热器周边的机体外壳7组成(如图6)。采用热管传导散热的温差电致冷器(如图7)采用了热管组合形式传导换热，其工作原理为：热管在温差致冷组件的热端加热后，原充入管中的工质因吸收外界热量而被气化，且在微弱的压差下流向热管的另一端，同时与所处环境进行热交换，向外界放出热量并降温冷凝为液体。液体借助贴壁金属网的毛细力返回加热端(在重力型热管中，由于管腔中没有吸液芯，液体依靠自身重力回流)，并再次受热气化。如此反复循环，连续不断地将加热端的热量快速的传导到另一端。这种高效率的传导是借助热管工质的相变形成的，因此热管内部的热阻很低，能在较小的温差和等温条件下，获得极高的导热率。据有关资料查证，在一定温度和面积条件下，热管的导热率相当于铜的40-10000倍，是一种导热效率极高的器件。(致冷传导装置只是将致冷空间为热源，有加热端吸收热量，气化的工质传入冷却端后，通过温差电致冷组件降温冷凝，工作原理相同。
本发明所述的采用热管传导散热的温差电致冷器的实现方法是：首先确定温差电致冷组件冷热端最大温差，然后根据冷端和热端的温度范围，选择适当的热管工质。为使热管工作在良好的状态下，工质必须是气-液两种状态，所选工质的溶点应低于热管的工作温度；而临界点必须高于热管的工作温度。同时要考虑工质与热管外壳及吸液芯材料是否相容。因为一旦壳体或吸液芯与工质发生化学反应，或工质本身被分解，就会产生不凝性气体。化学反应还会腐蚀壳体或吸液芯，使热管性能变坏，减少寿命甚至不能工作。工质确定后就可根据温差致冷组件两端的温度和工质蒸发速度，设计热管传导板及热管换热器的循环路线、连接结构和工作面积。其中采用的管径、端盖、连接结构需按工作压力校核，并明确极限工作状态，保留一定的安全系数。在结构和工艺上，热管冷传导板一般采用双层纯铝板热压吹涨成形，还可采用双层铁板冷压滚焊成形，这种结构，工艺成熟，密封可靠，用较小的材料厚度便可承受较大的工作压力，不仅热阻小，传导效率高，且可排布密集的各种形式的循环管道，增强热交换效率，是各种温差电致冷器中理想的致冷传导结构。
热管散热器可采用翅片管组合而成，也可采用焊有翅条的多束金属管制成，与蒸发室的连通最好采用放射状管路，以减少循环阻力，增加气化流量。
在设计和制造热管传导板和板管换热器时，应尽量减少焊口，并禁止用与工质不相容的辅料焊接，以防止工质渗透和局部腐蚀。充装工质前，应先以其极限工作压力做超负荷载压试验，然后按管道容积和气-液比例(一般为10-20％)充装工质。
本发明所述的采用热管传导散热的温差电致冷器，列举实例如下：
实例1 用于客房冰箱中。采用重力热管传导散热的温差电致冷器(如图8)，冷端采用吹涨成形的热管冷传导板；热端采用多束带有翅条的热管散热器。
实例2 用于车载冰箱中。采用有芯热管传导散热的温差电致冷器(如图9)。冷端采用热压吹涨成形的热管传导板；热端采用多束管内带有吸液芯、外径带有翅片的热管散热器。这种有芯热管内的工质可以通过毛细力返回加热端，不受重力方向的限制，可在加热端下扩大热管面积，补偿整机结构上的不足。
实例3 是用于冷藏箱中。采用渗透压差热管传导散热的温差电致冷器(如图10)。冷端采用热压吹涨成形的热管冷传导板；热端采用渗透压差型热管换热器。这种热管可利用渗透膜两边的压差，将工质的冷凝液以较低的冷却段“泵”送到较高的加热段，从而使冷却管下移，可最大限度的利用散热空间，在整机结构的安排上具有较大的实用性和灵活性。

Claims (3)

1.一种用于各种温差电致冷设备与产品的、采用热管传导散热的温差电致冷器，其特征在于：
(1)由温差电致冷组件、安装在温差电致冷组件冷端的中空梯形致冷块、固定在梯形致冷块上且布有多束汇集于中空梯形冷凝室的热管传导板组成的致冷传导装置；
(2)由安装在温差电致冷组件热端的多束带有翅片或翅条且汇集于中空梯形蒸发室的热管换热器、连接在热管换热器周边的机体外壳组成的热端散热装置。
2.按权利要求1所述的采用热管传导散热的温差电致冷器，其特征在于：所述致冷传导装置中的热管传导板采用双层板热压吹涨或冷压滚焊工艺而成，各热管循环管道均汇集于凸起的中空梯形冷凝室。
3.按权利要求1所述的采用热管传导散热的温差电致冷器，其特征在于：所述热端散热装置中的热管换热器各热管循环管道均汇集于凸起的中空梯形蒸发室。
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