一種半導(dǎo)體制冷與電磁加熱技術(shù)的節(jié)能飲水機(jī)

祝元愷

摘要：目前能源是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的制約因素，不可循環(huán)能源越來(lái)越少，現(xiàn)在的時(shí)代就是追尋新能源以及節(jié)約已有的能源，減緩能源壓力。我們團(tuán)隊(duì)以日常生活為例，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)日常電器更高效率的實(shí)現(xiàn)功能，增大能源利用率，設(shè)計(jì)新型飲水機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電磁發(fā)熱技術(shù);半導(dǎo)體制冷;能量利用

1研究背景及意義

飲水機(jī)是人們生活中必用的設(shè)備，一般飲水機(jī)具有制熱和制冷功能，以便于滿(mǎn)足不同用戶(hù)的冷熱需求。現(xiàn)有的飲水機(jī)中，制冷和制熱分別進(jìn)行工作，一般采用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷。由于半導(dǎo)體制冷片同時(shí)具有制冷端和制熱端，其中，制冷端用于制冷，制熱端需要設(shè)置散熱裝置以散發(fā)制熱端產(chǎn)生的熱量，如此，不僅浪費(fèi)了制熱端的熱量，而且還需對(duì)散熱裝置進(jìn)行供能，不利于節(jié)能。很多不同種類(lèi)的飲水機(jī)，發(fā)熱原理以及制冷原理都是類(lèi)似的，及電阻加熱以及半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷，雖然目前飲水機(jī)的原理以及裝置都日趨發(fā)展，但是依然有其無(wú)法突破的局限性。

首先，常用飲水機(jī)的加熱是采用電阻加熱，用熱電阻來(lái)對(duì)水進(jìn)行直接加熱，目前技術(shù)雖很完善，運(yùn)用也很廣泛，但是改變不了加熱速率較慢以及發(fā)熱效率不夠高，能量利用率始終在85%左右，不夠高。第二，電阻加熱會(huì)產(chǎn)生水垢，對(duì)人體產(chǎn)生不利影響，而且長(zhǎng)期使用會(huì)使電阻絲表面布滿(mǎn)水垢從而降低加熱效率。第三，制冷一般采用半導(dǎo)體制冷，半導(dǎo)體制冷一般有兩端，制熱端和制冷端，制冷端用于制冷，制熱端的能量一般都揮發(fā)掉，白白浪費(fèi)了這部分的能量。第四，市場(chǎng)上的飲水機(jī)保溫功率有限，總是反復(fù)加熱，造成千滾水，對(duì)人體造成較大危害。

2裝置設(shè)計(jì)方案

2.1裝置工作基本原理

本裝置利用電磁加熱及電磁渦流加熱原理對(duì)水進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)熱水的功能。采用半導(dǎo)體制冷片制冷端對(duì)水進(jìn)行降溫，實(shí)現(xiàn)冷水的功能。同時(shí)，我們巧妙的采用半導(dǎo)體制熱端與變熱器原理將能量由半導(dǎo)體制熱端傳遞到熱罐，進(jìn)行沸水的保溫。以此來(lái)實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)加熱，保溫與制冷功能。

2.2電磁加熱設(shè)計(jì)

電磁加熱裝置的工作原理是通過(guò)由整流電路將50/60 Hz的交流電壓變成直流電壓， 再經(jīng)過(guò)控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率為20～40 KHz的高頻電壓， 高速變化的電流流過(guò)線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生高速變化的磁場(chǎng)， 當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線(xiàn)通過(guò)導(dǎo)磁又導(dǎo)電材料底部金屬體內(nèi)， 產(chǎn)生無(wú)數(shù)的小渦流， 使材料本身自行高速發(fā)熱， 然后再加熱器皿內(nèi)的東西。我們采用電磁加熱原理對(duì)水進(jìn)行加熱，采用電磁加熱的方法能夠提高加熱的效率與能量利用率，常見(jiàn)的電阻加熱一般能量利用率在85%，采用變壓器變頻器，我們可以將能量利用率提高到93%左右。具體方式是將220v交流電轉(zhuǎn)化為12v直流電，連接感應(yīng)高頻加熱器，將直流電轉(zhuǎn)化為高頻電流，通過(guò)電磁加熱線(xiàn)圈，對(duì)熱罐內(nèi)部金屬絲網(wǎng)進(jìn)行加熱，達(dá)到溫度的傳遞，實(shí)現(xiàn)熱水的加熱。當(dāng)溫度達(dá)到沸水的溫度，停止加熱。電磁加熱的功率理想值在950W，一般飲水機(jī)功率大約在450W，加熱速率極快。

2.3半導(dǎo)體制冷設(shè)計(jì)

我們?cè)谥评浞矫娌捎冒雽?dǎo)體制冷，半導(dǎo)體制冷片的工作運(yùn)轉(zhuǎn)是用直流電流，它既可制冷又可加熱，通過(guò)改變直流電流的極性來(lái)決定在同一制冷片上實(shí)現(xiàn)制冷或加熱，這個(gè)效果的產(chǎn)生就是通過(guò)熱電的原理。半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但效率很高，永遠(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。一般都有制冷端與散熱端，半導(dǎo)體制冷片采用溫差效應(yīng)，將半導(dǎo)體片分為兩部分，制冷端與散熱端，冷端進(jìn)行水的降溫，熱端連接散熱風(fēng)扇，這部分的能量白白浪費(fèi)，我們制冷采用的是和日常飲水機(jī)一樣的方式，將制冷片與水進(jìn)行直接接觸，實(shí)現(xiàn)制冷，將水溫降到3-10攝氏度，不過(guò)我們對(duì)散熱端進(jìn)行改造這里表明如何改造，提高能量使用效率。

2.4熱器保溫設(shè)計(jì)

換熱器是熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿(mǎn)足規(guī)定的工藝要求的裝置。板式換熱器由一組平行薄平板疊加組成，兩相鄰平板之間用特殊設(shè)計(jì)的密封墊片隔開(kāi)，形成—個(gè)通道，冷、熱流體間隔地在每個(gè)通道中流動(dòng)。我們采用板式換熱器作為能量傳播媒介，作用于熱罐與半導(dǎo)體制熱端。常見(jiàn)飲水機(jī)保溫通常采用傳感器與電阻加熱，當(dāng)沸水溫度低于制定溫度，再次加熱，達(dá)到沸水溫度停止加熱，這種保溫方式造成了熱水的反復(fù)加熱與能量的浪費(fèi)，產(chǎn)生的千滾水對(duì)人體有很大危害。我們將半導(dǎo)體片制熱端需要散發(fā)的能量通過(guò)換熱器傳遞到熱罐隔熱層，將熱罐中空層溫度升值60攝氏度左右，延緩沸水的冷卻，進(jìn)行熱罐的保溫，避免出現(xiàn)千滾水的現(xiàn)象，而且實(shí)現(xiàn)了能量的有效利用。

3裝置分析與對(duì)比

首先，此飲水機(jī)在熱水加熱方面采用高頻感應(yīng)加熱，用高效的電磁加熱來(lái)取代電阻加熱，提高加熱能量利用率，電磁加熱能量利用率最高可以達(dá)到95%以上而常用電阻最高大約86%，在同等條件下，比電阻圈加熱節(jié)電30-70%，利用電磁加熱技術(shù)時(shí)，通過(guò)感受渦流而發(fā)熱，渦流則是由高頻電流產(chǎn)生，如此大大縮短了熱啟動(dòng)的時(shí)間，大大提高了加熱效率。加熱部分采用環(huán)形線(xiàn)圈加熱，電纜本身不會(huì)產(chǎn)生熱量，使用壽命高。電磁材料經(jīng)過(guò)高頻電磁作用，熱量利用充分，采用特殊導(dǎo)電電纜，電纜自身基本不發(fā)熱，減少熱量損耗，無(wú)需擔(dān)心漏電以及高溫差生的危險(xiǎn)。同時(shí)有效減少水垢產(chǎn)生，有益人體健康。

第二，我們?cè)谥评浞矫娌捎冒雽?dǎo)體制冷，半導(dǎo)體制冷片的工作運(yùn)轉(zhuǎn)是用直流電流，它既可制冷又可加熱，通過(guò)改變直流電流的極性來(lái)決定在同一制冷片上實(shí)現(xiàn)制冷或加熱，這個(gè)效果的產(chǎn)生就是通過(guò)熱電的原理。半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，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(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。而市場(chǎng)上的飲水機(jī)一般為了提高制冷效果，把制熱端的能量白白浪費(fèi)掉，我們想法是用半導(dǎo)體制熱端的能量轉(zhuǎn)移到熱罐的中空層，提高中空層溫度，減少內(nèi)外層溫差，達(dá)到這部分能量的利用。從而達(dá)到保溫的目的。

第三，我們加熱罐和制冷罐通過(guò)中間的換熱器進(jìn)行傳遞半導(dǎo)體制熱端的能量，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制熱制冷兩部分能量的同時(shí)利用，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)保溫功能，我們采用較為效率較好的半導(dǎo)體片，提高能量轉(zhuǎn)化效率。

第四，我們熱罐采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層用來(lái)儲(chǔ)存及加熱水，內(nèi)層表面環(huán)繞絕緣層包裹的線(xiàn)圈，內(nèi)層與外層之間是中空層，與半導(dǎo)體制熱端進(jìn)行連接，用換熱器來(lái)提高中空層溫度，兩層都包裹保溫材料，來(lái)減少內(nèi)外層的溫差來(lái)達(dá)到保溫功能。

4裝置的技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點(diǎn)

本裝置的技術(shù)關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)電磁加熱功能以及半導(dǎo)體制熱端溫度傳遞到熱罐隔層。本裝置通過(guò)電磁加熱線(xiàn)圈環(huán)繞熱罐隔層管壁，對(duì)熱罐內(nèi)部金屬絲網(wǎng)進(jìn)行渦流加熱，實(shí)現(xiàn)制熱功能，通過(guò)半導(dǎo)體制冷端散熱端連接換熱器，直接接觸熱罐的隔熱層，加上隔熱泡沫，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的傳遞以及沸水的隔離，達(dá)到雙重保溫的作用。

5裝置的應(yīng)用前景

飲水機(jī)是我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚募矣秒娖?，我?guó)人口眾多，需求量大，但是市場(chǎng)上的節(jié)能飲水機(jī)不多，所以有很大市場(chǎng)。按我國(guó)100萬(wàn)臺(tái)節(jié)能飲水機(jī)，每年節(jié)約大概58400萬(wàn)度電，直接節(jié)約大概3.5億元。每臺(tái)飲水機(jī)的成本大概在200元，比市場(chǎng)上的飲水機(jī)較貴，但是不產(chǎn)生千滾水，無(wú)水垢，電磁水對(duì)人體較為有益，加熱塊，熱能轉(zhuǎn)換效率高，有很大的市場(chǎng)空間。

（作者單位：河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）