CN1632422A - 热电—斯特林制冷机 - Google Patents

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陈国鋕
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Abstract

一种热电—斯特林制冷机，包括斯特林制冷机用压缩机，其特征在于与压缩机连接有一热电式冷头，所说的热电式冷头是由两条制冷通路构成，一条制冷通路是由冷板下表面依导热杆通过导热板连接到冷头本体；另一条制冷通路是由冷板下表面与导热板上表面间接有热电致冷器，再由导热板下表面依导热杆连接冷头本体；冷头本体连通于外部制冷***。本发明的优越性在于：1.热电—斯特林制冷机是一种新型的集成式制冷机，具有极高的制冷效率；2.不仅可节约能源，且具有体积小、重量轻等特点；3.应用范围广泛，不仅可应用在移动通信基站的超导滤波器***，也可用在核磁共振显相仪(MRI)等医疗***及大型超导电机、电力***上，具有强大的开发前景。

Description

热电—斯特林制冷机
(一)技术领域：
本发明涉及一种适合于低温制冷***用的制冷机，特别是一种高制冷效率的热电—斯特林制冷机。
(二)背景技术：
制冷机在现代高科技产业中扮演着愈来愈重要的角色。如半导体制程、生物医学、基因工程、高速计算机、红外线探测、航天卫星、超导磁浮列车、超导通信及超导电机等。依其不同的工作原理，制冷机有斯特林制冷机、G-M制冷机、及脉冲式制冷机等。其中以斯特林制冷机的制冷效率最高，又兼具有体积小，重量轻等优点。
斯特林制冷机是利用卡诺(Carnot)循环(等温膨胀、断热膨胀、等温压缩、断热压缩)原理，将热能从冷头吸收，再释放到制冷***外部，达到冷头上器件制冷的要求。斯特林制冷机依需要可做成各种大小不同制冷力的机型，在液态氮温度(77K，-196℃)下的制冷功率从0.1瓦(W)到几千瓦。
热电致冷器是由P型及N型半导体元件及上下有铜电极的陶瓷基板组成。制冷器借助于直流电流中载流子的定向流动，分别将制冷器的热量从一面移至另一面，实现了致冷器一面吸热一面放热的制冷效应。若改变直流电源极性，其产生的吸、放热效应恰好相反。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种热电—斯特林制冷机，即将热电致冷器与斯特林制冷机整合成整体，整合后的设备使原有单体斯特林制冷机的功效得到优化，大幅度地提高了制冷效率。
本发明的技术方案：一种热电—斯特林制冷机，包括斯特林制冷机用压缩机，其特征在于与压缩机连接有一热电式冷头，所说的热电式冷头是由两条制冷通路构成，一条制冷通路是由冷板下表面依导热杆通过导热板连接到冷头本体；另一条制冷通路是由冷板下表面与导热板上表面间接有热电致冷器，再由导热板下表面依导热杆连接冷头本体；冷头本体连通于外部制冷***。
上述所说的冷板下表面与导热板上表面间接有的热电致冷器是由上端陶瓷基板、下端陶瓷基板、上下铜电极、半导体N型元件和半导体P型元件及直流电源构成，热电致冷器的上端陶瓷基板的表面依凹槽导热胶接合于冷板之下表面；热电致冷器下端陶瓷基板表面依凹槽导热胶接合于导热板之上表面；热电致冷器之上端陶瓷基板底部及下端陶瓷基板顶部有铜电极，上下铜电极间有半导体N型元件及P型元件，上下铜电极连通一对N型元件与P型元件的输入、输出端，且铜电极的输入、输出端接通于直流电源，直流电流从半导体N形元件端之电极输入端进入，从半导体P型元件端之电极输出端出来。
上述所说的冷板下表面与导热板上表面间接有的热电致冷器至少设置一个，每个热电致冷器可以有一对以上的半导体N型元件及P型元件。
上述所说的一条制冷通路中冷板下表面通过导热板连接到冷头本体的导热杆至少为2根；相对应另一条制冷通路中由冷板与导热板之间接有热电致冷器后，导热板下表面与冷头本体相连接的导热杆至少也应为2根。
上述所说的热电制冷器可以用螺丝将其固定在冷板与热板之间。
上述所说的热电制冷器与冷板及导热板间依导热胶接合。
本发明的工作原理与工作过程为：热电—斯特林制冷机工作时由二种除热机制排除热能，一是热能通过斯特林制冷机的压缩机连接冷板依导热杆过导热板连接到冷头本体排除，二是冷板上的另一部分热能经由热电致冷器排除；热电制冷器启动时通以直流电流，电流(I)从半导体N形元件端之电极进入，从半导体P型元件端之电极出来。热电致冷器排除的热能是从冷板引导经由热电致冷器上、下端陶瓷基板、上下铜电极、半导体N型及P型元件及相接的直流电源制冷排除，热电致冷器下端亦接至导热板再经导热杆传到冷头本体，二路汇合共同传到制冷***外部，由此提高了制冷功效。热电—斯特林制冷机有三种不同的控制方式：第一种是先启动斯特林制冷机，到特定温度时再启动热电制冷器；第二种是先启动热电制冷器，再启动斯特林制冷机；第三种是斯特林制冷机与热电制冷器同时启动。依不同的需要，可设定不同的启动方式。
本发明的优越性在于：1、热电—斯特林制冷机是一种新型的集成式制冷机，它将热电致冷器连接在斯特林制冷机冷头的下方，共同将冷头上方的热排除到制冷***外，籍以降低冷头的温度，具有极高的制冷效率；2、此制冷机不仅可节约能源，且具有体积小、重量轻等特点；3、应用范围广泛，不仅可应用在移动通信基站的超导滤波器***，也可用在核磁共振显相仪(MRI)等医疗***及大型超导电机、电力***上，具有强大的开发前景。
(四)附图说明：
附图1为本发明所涉一种热电—斯特林制冷机的整机结构示意图。
附图2为本发明所涉一种热电—斯特林制冷机中的热电式冷头结构示意图。
其中：
10为热电—斯特林制冷机，11为压缩机，
20为热电式冷头，21为冷板，22为冷板下表面，23为导热杆，24为冷板之下凹槽，
30为热电致冷器，31为热电致冷器之上端，32为热电致冷器之下端，33为上端表面，34为下端表面，35为铜电极，36为半导体N型元件，37为P型元件，
40为导热板，41为导热板之上表面，42导热板之下表面，43为导热板之上凹槽，
50为冷头本体。
(五)具体实施方式：
实施例：一种热电—斯特林制冷机10(见图1、2)，包括斯特林制冷机用压缩机11，其特征在于与压缩机11连接有一热电式冷头20，所说的热电式冷头20是由两条制冷通路构成，一条制冷通路是由冷板21下表面22依导热杆23通过导热板40连接到冷头本体50；另一条制冷通路是由冷板21下表面与导热板40上表面间接有热电致冷器30，再由导热板40下表面依导热杆23连接冷头本体50；冷头本体50连通于制冷***外部。
上述所说的冷板21下表面与导热板40上表面间接有的热电致冷器30是由上端陶瓷基板31、下端陶瓷基板32、上下铜电极35、半导体N型元件36和半导体P型元件37及直流电源构成，热电致冷器30的上端陶瓷基板31的表面33依凹槽24导热胶接合于冷板21之下表面22；热电致冷器下端陶瓷基板32表面34依凹槽43导热胶接合于导热板40之上表面41；热电致冷器之上端陶瓷基板31底部及下端陶瓷基板32顶部有铜电极35，上下铜电极35间有半导体N型元件36及P型元件37，上下铜电极35连通一对N型元件36与P型元件37的输入、输出端，且铜电极35的输入、输出端接通于直流电源，电流(I)从半导体N形元件端之电极输入端进入，从半导体P型元件端之电极输出端出来(见图2)。
上述所说的由冷板21下表面与导热板40上表面间接有的热电致冷器30可以设置两个，每个热电致冷器30可以有三对半导体N型元件36及P型元件37(见图2)。
上述所说的一条制冷通路中冷板21下表面22通过导热板40连接到冷头本体50的导热杆23可以是三根；相对应另一条制冷通路中由冷板21下表面22与导热板40上表面41间接有热电致冷器30后，导热板40下表面42与冷头本体50相连接的导热杆23也应是三根(见图2)。

Claims (6)

1、一种热电—斯特林制冷机，包括斯特林制冷机用压缩机，其特征在于与压缩机连接有一热电式冷头，所说的热电式冷头是由两条制冷通路构成，一条制冷通路是由冷板下表面依导热杆通过导热板连接到冷头本体；另一条制冷通路是由冷板下表面与导热板上表面间接有热电致冷器，再由导热板下表面依导热杆连接冷头本体；冷头本体连通于制冷***外部。
2、根据权利要求1所说的一种热电—斯特林制冷机，其特征在于所说的冷板下表面与导热板上表面间接有的热电致冷器是由上端陶瓷基板、下端陶瓷基板、上下铜电极、半导体N型元件和半导体P型元件及直流电源构成，热电致冷器的上端陶瓷基板的表面依冷板之下凹槽与导热胶接合于冷板之下表面；热电致冷器下端陶瓷基板表面依导热板之上凹槽与导热胶接合于导热板之上表面；热电致冷器之上端陶瓷基板底部及下端陶瓷基板顶部有铜电极，上下铜电极间有半导体N型元件及P型元件，上下铜电极连通一对N型元件与P型元件的输入、输出端，且铜电极的输入、输出端接通于直流电源，直流电流从半导体N形元件端之电极输入端进入，从半导体P型元件端之电极输出端出来。
3、根据权利要求1所说的一种热电—斯特林制冷机，其特征在于所说的冷板下表面与导热板上表面间接有的热电致冷器至少设置一个，每个热电致冷器可以有一对以上的半导体N型元件及P型元件。
4、根据权利要求1所说的一种热电—斯特林制冷机，其特征在于所说的一条制冷通路中冷板下表面通过导热板连接到冷头本体的导热杆至少为2根；相对应另一条制冷通路中由冷板与导热板之间接有热电致冷器后，导热板下表面与冷头本体相连接的导热杆至少也应为2根。
5、根据权利要求2所说的一种热电—斯特林制冷机，其特征在于所说的热电制冷器可以用螺丝将其固定在冷板与热板之间。
6、根据权利要求5所说的一种热电—斯特林制冷机，其特征在于所说的热电制冷器与冷板及导热板间依导热胶接合。
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