基本信息
- 項目名稱：
- 改進型高效率溫差電空調(diào)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品使用半導體制冷芯片作為空調(diào)的核心組件，因此在反應速度方面明顯優(yōu)于現(xiàn)有的壓縮機空調(diào)。并且整機完全不包含制冷劑，安全環(huán)保，能耗低。正常使用情況下，只需要壓縮機空調(diào)50%以下的電力消耗即可達到相同的制冷效果。本機在全馬力輸出時，噪聲等級≤10dB。其噪聲人耳無法察覺真正實現(xiàn)了空調(diào)機的無噪聲運轉(zhuǎn)。 本設計首次將液體回路結(jié)構(gòu)用于溫差電空調(diào)，徹底解決了以往溫差電空調(diào)不便于安裝、破壞房屋整體裝修結(jié)構(gòu)的缺點，使得本設計成為了真正意義上可以用于民用領域的空調(diào)機設備。
- 詳細介紹：
- 本設計利用溫差電技術代替了現(xiàn)家用空調(diào)的利用壓縮機產(chǎn)熱傳輸?shù)倪^程。本設計中溫差電材料通電，使兩側(cè)溫度上升或降低，經(jīng)熱量傳導至容器內(nèi)比熱容很小的液體導熱劑，再經(jīng)導熱液體的流動經(jīng)熱量傳送到散熱片出已達到對室內(nèi)進行制熱或制冷的過程。由于直接將溫差片產(chǎn)生的熱量經(jīng)均勻涂在溫差片上的導熱硅膠傳導到容器中的液體內(nèi)，再經(jīng)液體直接傳到散熱片上即完成了冷熱交換。過程中熱量傳導充分，循環(huán)回路短，可將制冷或加熱的效率大大提高且耗能少，同比將會節(jié)約60%的能耗。并且過程中沒有壓縮機或較大規(guī)模的葉輪扇工作，噪音量也將大大減少。 隨著國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定地增長，人們生活水平不斷提高，人們對居住室內(nèi)環(huán)境的要求也日益提高，再加上空調(diào)價格持續(xù)下跌，在大中城市里，原來在人們心目中屬于奢侈品的空調(diào)也逐步走入了普通百姓家庭，成了家居必備用品。如果使用我們的產(chǎn)品，家用空調(diào)一項的耗電指標就可以降低200億千瓦時以上，直接降低經(jīng)濟損失超過100億元人民幣以上。從而大大緩解我國的電力資源緊缺。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 設計、發(fā)明目的： 基于目前市場上采用壓縮機制冷的空調(diào)存在的能耗高、效率低、噪音大、成本高等缺點，我們設計了這款高效率的溫差電空調(diào)，用以彌補現(xiàn)有空調(diào)在能耗、制冷制熱效率，噪音、成本等方面的缺陷。 基本思路： 現(xiàn)有家用空調(diào)之所以存在上述諸多缺點，其根源就在于現(xiàn)有主流空調(diào)制冷方式為壓縮機循環(huán)制冷。在制冷系統(tǒng)中，壓縮機作為制冷系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)之一，其能量消耗非常大。通常情況下占到總能耗的25％~50％。所以要從根本上解決現(xiàn)有家用空調(diào)的這些問題，只有兩種方法可供選用。一種是改進現(xiàn)有壓縮機技術，但是現(xiàn)有壓縮機技術已經(jīng)處于成熟階段，很難出現(xiàn)大的技術革新。第二種就是尋找一種替代品代替壓縮機的功能。我們小組就是沿用第二種思路，利用半導體芯片的帕爾貼效應為空調(diào)提供冷熱交換，取代壓縮機。 創(chuàng)新點： 環(huán)保 本作品由于使用半導體制冷芯片作為空調(diào)的核心組件，因此在反應速度方面明顯優(yōu)于現(xiàn)有的壓縮機空調(diào)。并且整機完全不包含制冷劑，安全環(huán)保。 能耗低 正常使用情況下，只需要壓縮機空調(diào)50%以下的電力消耗即可達到相同的制冷效果。 無噪聲 本機在全馬力輸出時，噪聲等級≤10dB。其噪聲人耳無法察覺，真正實現(xiàn)了空調(diào)機的無噪聲運轉(zhuǎn)。 實用性強 本設計首次將液體回路結(jié)構(gòu)用于溫差電空調(diào)，徹底解決了以往溫差電空調(diào)不便于安裝、破壞房屋整體裝修結(jié)構(gòu)的缺點，使得本設計成為了真正意義上可以用于民用領域的空調(diào)機設備。 技術關鍵： （1）利用環(huán)氧樹脂將芯片和部分導熱管以及導熱硅膠進 行包覆，使其絕熱絕緣密封； （2）該工作芯片的冷熱溫差不能過高，否則會降低其效率 （保證△T應小于15K）； （3）通過變壓器對芯片兩端的電壓加以限制，提高效率 （U為2.5伏時，致冷效率r達到4~5）； （4）使用大面積散熱板，用于降低散熱器與周圍環(huán)境溫差； （5）用于與外界傳導熱量的液體選用比熱容小的常溫穩(wěn)定 無害液體。 主要技術指標 （1）鍺硅半導體溫差電芯片堆，優(yōu)值系數(shù)z≥3； （2）選用導熱良好的導熱硅膠對溫度進行傳導，導熱系數(shù) 為0.90； （3）整個管路循環(huán)系統(tǒng)與外界完全隔絕，熱損比≤1%
科學性、先進性
- 現(xiàn)有家用空調(diào)絕大部分采用壓縮機制冷，其功耗大，噪聲大，效率低，且作為其制冷劑的氟利昂為有害物質(zhì)，散入大氣中會對大氣造成嚴重破壞。如果使用氟利昂的替代品，如R22等，會使得生產(chǎn)及維護成本大幅上升。 本設計利用溫差電技術代替了現(xiàn)家用空調(diào)的利用壓縮機產(chǎn)熱傳輸?shù)倪^程。本設計中溫差電材料通電，使兩側(cè)溫度上升或降低，熱量傳導至容器內(nèi)比熱容很小的液體導熱劑，再經(jīng)導熱液體的流動將熱量傳送到散熱片導出，以達到對室內(nèi)空氣進行冷熱調(diào)節(jié)的目的。使用溫差電組件制冷的空調(diào)，首先擺脫了對制冷劑的依靠，從而從根本上杜絕了有害物質(zhì)對大氣的破壞，其次，使用無毒無害的液體導熱劑進行熱量的傳導，增強了空調(diào)運行的穩(wěn)定性，降低了整個裝機的重量，減小了整個設備的體積，節(jié)省了許多空間。沒有壓縮機的工作環(huán)境，使得本空調(diào)的工作噪音大幅下降，同時在保持原功率輸出的情況下，可以降低80%的能耗，大大提高空調(diào)的能效，也就意味著沒有損失冷熱轉(zhuǎn)換效率。 目前為數(shù)不多的對溫差電空調(diào)研究，如專利號為200520123945.9的設計中，仍然存在諸多缺陷，不能用于空調(diào)的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。上述專利設計的空調(diào)設備采用溫差電技術，在每一個熱傳導單元上集成有四片溫差片，共10組，將流動的氣體加熱或制冷，經(jīng)過風機將熱量傳輸出去，風機有縱橫共14個葉輪扇組成。此過程中將空氣加熱為冷風或熱風的時間較長，且空氣經(jīng)葉輪扇吹動大規(guī)模流動，使得熱量損耗率較大，不能有效的提高效率，且?guī)?0個溫差片及14個葉輪扇所用的功耗較大，葉輪扇在快速轉(zhuǎn)動中會產(chǎn)生大的噪音。 本作品在設計中采用不到20個溫差片單排或多排并列，直接將產(chǎn)生的熱量傳導至導熱系數(shù)良好的液體中，由兩個微型泵帶動液體在管道中流動，流至散熱片中進行熱量交換，冷卻或升溫的液體繼續(xù)回流到原容器中繼續(xù)加熱或制冷，此過程中導熱劑充滿容器管道及散熱片的微型管中。由于直接將溫差片產(chǎn)生的熱量經(jīng)均勻涂在溫差片上的導熱硅脂傳導到容器中的液體內(nèi)，再經(jīng)液體直接傳到散熱片上即完成了冷熱交換，過程中熱量傳導充分，循環(huán)回路短，可將制冷或加熱的效率大大提高且耗能少，同比將會節(jié)約60%的能耗。且過程中沒有壓縮機或較大規(guī)模的葉輪扇工作，噪音量也將大大減少。 最重要的一點是本設計不再使用氟利昂作為制冷加熱的中間媒介產(chǎn)熱或制冷，而是借助溫差片的加熱制冷，以及無害的液體導熱劑來導熱，不會對環(huán)境產(chǎn)生任何的污染，且能耗低。本設計兼具了壓縮機式空調(diào)和已有的溫差電空調(diào)的雙重優(yōu)點，基本達到了綠色環(huán)保節(jié)能空調(diào)的要求。 參考文獻 [1]陳傳涓，王如竹，夏再忠，胡金強 瞬態(tài)平面熱源法測量硅膠混合吸附劑導熱系數(shù)。工程熱物理學報，2008，29(5)：1-4 [2]關于印發(fā)《公共建筑室內(nèi)溫度控制管理辦法》的通知，發(fā)布日期：2008.06.25，實施日期：2008.07.01，建科[2008]115號，中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部 ，2008年07月02日 [3]韓寶琦，李樹林 制冷空調(diào)原理及應用。機械工業(yè)出版社，2002.6 [4]亢雅君，殷立新 熱固性樹脂[M]。1995，10(2):1-5 [5]梁海波 陶瓷工程。1998，32(2):18-20 [6]沈晉明 重癥監(jiān)護病房環(huán)境控制依據(jù)與實施[J]，潔凈與空調(diào)技術，Contamination Control & Air-Conditioning Technology。2006年02期 [7]田健，朱瑞琪，馮金科 風冷變頻制冷系統(tǒng)運行能耗分析與實驗[J]，家電科技。2006年3期:1-2 [8]王鐵民，王澤深，林磊，張建中.《對溫差電空調(diào)系統(tǒng)效率的探討》 [9]王鐵民，馬洪奎，陳學軍，張昕琰，葛曉麗 一種高功率溫差電空調(diào)器[P]。中國專利: 200520123945.9,2006.12.13 [10]徐德勝 半導體制冷與應用技術[M]。上海：交通大學出版社，l992,7.P41 [11]朱國輝 錄音演播間的設計與實施[J]。音響技術，2007年01期 [12]張翊 中高粘度范圍的標準粘度液—甲基硅油。上海大學機械電子與自動化學院，上海計量測試 2006，33(5): 22-24 [13]英C?W?伊文思.膠管工藝學.1983.04第1版 [14]G. A. Slack，in CRC Handbook of Thermoelectrics，D. M. Rowe, Ed. (CRC Press, Boca Raton, FL, 1995), P407. [15]G.S. Nolas. J. Sharp, H. J. Goldsmid，Thermoelectrics: Basic Principles and New Materials Developments (Springer-Verlag, New York, 2001) [16]I-Yu Huanga,Jr-Ching Linb,Kun-Dian Shea,Ming-Chan Lia, Jiann-Heng Chenc and Jin-Shun Kuob. Development of low-cost micro-thermoelectric coolers utilizing MEMS technology. Elsevier B.V.2008.07 [17]Recent Developments in Thermoelectricity. Blatt. Science 27 October 1967: 524 [18]Rematch, The National Semiconductor Roadmap (Sematech and Semiconductor Industry Association, Austin, TX, 1994). [19]Thermoelectricity at Very Low Temperatures. MacDonald. Science 10 April 1959: 943-949
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年4月，華東理工大學第八屆“奮進杯”大學生課外學術科技作品競賽，二等獎 2009年6月，第十一屆上海市大學生學術科技作品競賽，特等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖紙、磁盤、圖片、現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢： 本設計打破了傳統(tǒng)空調(diào)使用壓縮機制冷的常規(guī)做法，在現(xiàn)有溫差電芯片制冷效率達到4~5的基礎之上，利用溫差電芯片替代傳統(tǒng)壓縮機制冷系統(tǒng)。不使用任何制冷劑，不污染大氣，能耗降低50%以上，制冷反應速度提高80%，噪音≤10dB，體積減少30%，重量降低70%。技術及實用性均完全高于傳統(tǒng)的壓縮機制冷空調(diào)。 適應范圍： 由于結(jié)構(gòu)條件所限，目前溫差電制冷空調(diào)還僅限于家用。也就是說，單個溫差電空調(diào)制冷面積≤100㎡。但隨著本產(chǎn)品的進一步改進，其適用面積將逐步提高，最終可以完全替代現(xiàn)有空調(diào)產(chǎn)品。 市場分析及經(jīng)濟效益預測： 本土電力資源緊缺 來自國家電網(wǎng)的最新報告顯示，全國出現(xiàn)拉閘限電的地區(qū)，已經(jīng)從2003年的l2個省級電網(wǎng)擴大到21個，預計今后兩三年內(nèi)用電緊張局面將日趨嚴重。造成電力緊張的諸多原因中，居民家庭電器用電，特別是空調(diào)用電的大幅度增長不可忽視。僅家用空調(diào)一項年耗電量就達到400億KW?H以上，超過電網(wǎng)負荷的30％。我國已經(jīng)成為世界上電力消費第二大國，家用電器是耗能大戶，推廣節(jié)能產(chǎn)品，我們責無旁貸。 2004年10月份，我國出臺了《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》，這是我國制定的第一個節(jié)能中長期規(guī)劃。規(guī)劃中確定將開展十大重點節(jié)電工程，電機系統(tǒng)節(jié)能是重點工程之一。在2005年4月10日舉行的“2005年中國家電變頻技術與節(jié)約經(jīng)濟論壇”上，作為國內(nèi)主推變頻節(jié)能技術的30多個家電企業(yè)代表以及中國消費者協(xié)會、國家發(fā)改委等機構(gòu)代表共同簽名，號召社會使用節(jié)能家電產(chǎn)品。家電變頻聯(lián)盟同時成立。 如果使用我們的產(chǎn)品，家用空調(diào)一項的耗電指標就可以降低200億KW?H以上，直接降低經(jīng)濟損失超過100億元人民幣以上。 住宅空調(diào)市場需求空間巨大 1.我國空調(diào)遠未普及。 目前，我國住宅空調(diào)的普及率及人均住宅制冷量相對較低，我國經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的住宅平均制冷量也僅相當于日本、美國六七十年代的水平。隨著國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定地增長，人們生活水平不斷提高，人們對居住室內(nèi)環(huán)境的要求也日益提高，再加上空調(diào)價格持續(xù)下跌，在大中城市里，原來在人們心目中屬于奢侈品的空調(diào)也逐步走入了普通百姓家庭，成了家居必備用品。但我國人口主要分布在中小城鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)，這些地區(qū)經(jīng)濟相對落后，目前居民家庭空調(diào)的擁有率還處于一個非常低的水平，正逐步接受空調(diào)產(chǎn)品，可以說，這是一個比大中城市更為廣闊的市場，其市場容量非常巨大。 2.氣候特征變化使空調(diào)需求區(qū)域不斷擴大。 我國西部地區(qū)日照時間長，夏季非常炎熱，許多城市一年內(nèi)超過35℃的天數(shù)很多，最熱月平均溫度比我國許多南方城市還高，如西安一年內(nèi)超過35℃的天數(shù)為24.3天，高于武漢的21天。近幾年，我國華北、東北地區(qū)夏季氣溫逐年提高，東北地區(qū)的最高氣溫連續(xù)多年超過了36℃ ，哈爾濱在夏季的最高氣溫有時高達39℃，華北地區(qū)夏季38~39℃的天氣已屢見不鮮。隨著這些地區(qū)經(jīng)濟條件的改善，空調(diào)需求量也非?？捎^。 3.我國每年新增大量住宅，對空調(diào)需求量很大。 目前我國城市住宅總體水平仍然不高，城鎮(zhèn)住宅人均建筑面積與發(fā)達國家相比有較大差距。前幾年，我國取消了福利分房制度，人們停止了對單位分房的等待，再加上許多需要改善住房條件的人紛紛從房地產(chǎn)市場購買住房，我國房地產(chǎn)行業(yè)迅速發(fā)展，每年新增大量住宅。隨著城市改造進程的加快，城市中大量拆遷戶需要購買住房，同時人們對居住面積、居住檔次要求越來越高，再加上農(nóng)村有大量富余勞動力進入城市就業(yè)，城市人口急劇增長，住宅的開發(fā)面積越來越大，空調(diào)需求也將隨之膨脹。 隨著我國農(nóng)村人口生活水平的逐步提高，他們的住房條件也在迅速改善，再加上農(nóng)村電網(wǎng)價格與城市電價接軌，農(nóng)村人們對空調(diào)需求將出現(xiàn)大幅增長。
同類課題研究水平概述
- 在二十世紀六、七十年代,美國地區(qū)發(fā)生罕見的干旱天氣,為解決干旱缺水地區(qū)的空調(diào)冷熱源問題,美國率先研制出風冷式冷水機,用空氣散熱代替冷卻塔,其英文名稱是:Air cool Chiller,簡稱為Chiller。美的制冷家電集團總裁方洪波在接受記者采訪時表示，制造業(yè)的競爭取決于核心競爭力領先所帶來的優(yōu)勢，包括總生產(chǎn)成本、服務網(wǎng)絡、技術研究開發(fā)等多個方面的優(yōu)勢。 空調(diào)產(chǎn)業(yè)是一個傳統(tǒng)標準化產(chǎn)業(yè)，要革命性創(chuàng)新是十分困難的，例如格蘭仕不銹鋼高級空調(diào)在一些沿海城市，長江流域較潮濕的地區(qū)優(yōu)勢十分顯著，而且時尚，但在干燥地區(qū)只能體現(xiàn)空調(diào)時尚，而產(chǎn)品的實用優(yōu)點卻難以體現(xiàn)，今后空調(diào)主要是在智能化、材料、款式等上面的變化。目前在數(shù)字化技術、新材料等方面，不管是新牌子，還是老牌子，都是站在一條起跑線上的。 由于熱電空調(diào)器具有抗震、耐壓、無制冷劑泄漏和使用直流電等一系列優(yōu)點，因此目前許多國家已經(jīng)投入這方面的研究。但縱觀國內(nèi)外的研究，從一個整體水平來看，還是有待提高的。 就我們國內(nèi)的一些相關研究來看，如專利號200520123945.9中的設計，包括溫差電組件兩面冷端換熱單元、熱端換熱單元及其圍成的通道；冷端換熱單元依次為溫差電組件冷面、導塊、散冷器；所述熱端換熱單元依次緊貼有溫差電組件熱面、散熱器；通道壁為散冷器圍成；其特點是：所述散熱器為高密度刨削散熱器，所述散冷器為高密度散冷器；所述通道為上、下兩層；所述散熱器外面上設置有與所述通道垂直的散熱風扇；所述通道出風口設置有出風口風扇。由于采用雙層結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)、高密度鋁散熱器，溫差電空調(diào)器的效率達到了4.7[1]；由于采用冷風道氣流方向與散熱風道氣流方向呈垂直的交叉流換熱以及上、下兩個冷端換熱風道并行的結(jié)構(gòu)，致冷功率達到400W以上[2]。但它的改進之處略顯狹窄，未對空調(diào)內(nèi)外機的交換管道進行一些改進，有助于提高制冷功率。 就國外的一些相關研究來看，如專利號US 7,325,407 B2中的設計，包括一個框架和基礎組件?；A組件包括：熱電冷卻芯片，熱/冷導管，散熱片，溫度控制器和電扇；運行過程中，熱電冷卻芯片產(chǎn)生冷/熱空氣，接著這些空氣通過超導體導管傳送到散熱片，再由用戶推動面板上的按鈕，從而達到在短時間內(nèi)控制室內(nèi)溫度的效果。其中的溫度控制器被分為了2個部分，一個冷空氣控制器和一個熱空氣控制器，以確保冷熱溫度控制得當[3]。不過這個專利也沒有具體闡述其導熱系統(tǒng)的設計，基本屬于理論文獻，里面的數(shù)據(jù)缺乏翔實可信性，設計存在一些漏洞。 參考文獻 [1]I-Yu Huanga, Jr-Ching Linb, Kun-Dian Shea, Ming-Chan Lia, Jiann-Heng Chenc and Jin-Shun Kuob. Development of low-cost micro-thermoelectric coolers utilizing MEMS technology. Elsevier B.V.2008.07 [2]王鐵民,馬洪奎,陳學軍,張昕琰,葛曉麗. 一種高功率溫差電空調(diào)器[P].中國專利: 200520123945.9,2006-12-13. [3]Chanting Chen. Thermoelectric Air Conditioner.美國專利: US 7,325,407 B2,2006.4.13.
