一种半导体空气冷凝水装置的节能型水冷散热系统的制作方法

本发明涉及半导体制冷、散热领域，特别是涉及一种半导体空气冷凝水装置的节能型水冷散热系统。

背景技术：

能源是人类社会发展的重要基础资源，随着世界经济的发展，世界人口的剧增和人们生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增加，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、环境污染加重和环保压力加大。

全球能源，淡水资源匮乏，海岛、沿海地区甚是。海水淡化成本高、淡化装置占地面积大、能耗较大。而海岛、沿海地区空气温度、湿度普遍较高，这满足半导体制冷技术的空气冷凝水装置的使用条件。

在半导体制冷片（TEC）线路两端通入电流，TEC会使一端面的热量转移至另一端面，从而实现制冷。TEC的制冷工况很大程度上取决于TEC热端的温度。温度过高会使TEC在通入同等大小电流情况下的制冷量、制冷系数降低，造成制冷效果差、能源浪费等现象。因此，TEC热端的散热尤其重要。

常见散热方式主要有：风冷散热与水冷散热两种。水冷散热的散热效果普遍优于风冷散热。

现有基于半导体制冷技术的空气冷凝水装置的半导体制冷片热端主要采用风冷散热方式进行散热。散热翅片与散热风扇的组合，散热翅片的散热面积越大，其热容量越大，配以大口径风扇获得强劲的风力，强化对流换热。风冷散热装置结构简单、安装简易，但其在热量较大，需要及时散出时的散热效果差，以致TEC热端温度较高，制水装置的制水效率不高。而且，通过提高散热风扇转速来强化对流换热，消耗的功率大，不能满足节能的要求。

而水冷散热可采用水泵、水盒，或套片换热器的组合，影响散热的因素有冷却水的流速，水盒的内部回路，用水量，套片换热器的结构等，但用水量起到影响较大。换热器的换热系数的优化提高不及比热容大的水的用量增加而致的散热效果好，水的用量多，这与制水的目的相驳，因此，如何在利用一定量的水散热时，把水中的热量以较小的能耗带到环境中来提高水冷散热的效果这一问题有待解决。与风冷散热相比，水冷散热应用的部件多于风冷散热，体积大、安装繁琐，但散热效果明显优于风冷散热方式，可显著降低TEC热端温度、增大TEC的制冷量、制冷系数，从而提高空气冷凝水装置的制水功率。

电控技术是实现单片机和电脑的通信，电脑作为主要的处理设备，交给单片机信息，单片机实现控制的技术，可实现较为复杂的运行工况，相对小的电压、电流调控复杂的机械运动，已在汽车、电动车、家电产品广泛应用。

经过冷却取水后的废冷空气温度较低，这一部分的冷量有效利用，有利于对水冷系统中冷却介质散热，并且提高能量利用率，提高装置的经济性。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种半导体空气冷凝水装置的节能型水冷散热系统，能够显著降低TEC热端温度、增大TEC的制冷量、制冷系数，从而提高空气冷凝水装置的制水功率。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：间歇式运转的散热方式有利于降低水冷散热系统的能耗，提高制水装置的经济性。

利用电控技术控制气流阀门开启与关闭动作，将经过冷却取水后的废冷空气与环境空气利用起来，为冷却介质散热，将热量散热大气环境中，实现真正的散热。

本发明的有益效果是：本发明可明显降低TEC热端温度、增大TEC的制冷量、制冷系数，可提高空气冷凝水装置的制水功率。

附图说明

图1是本发明一种半导体空气冷凝水装置的节能型水冷散热系统一实施例的立体结构示意图；

图2是一种半导体空气冷凝水装置的节能型水冷散热系统所示的分解示意图；

图3是一种套片换热器结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、废冷箱；2、涵道散热结构；3、电源、控制芯片安放位置；4、循环水主流管道；5、循环水支流管道；6、主流水泵；7、单向水阀；8、支流水泵；9、TEC冷却水盒；10、TEC；11、散热片；12、废冷箱壳体；13、c号电磁气阀；14、电磁气阀供电及控制线路；15、套片换热器；16、b号电磁气阀；17、风扇；18、d号电磁气阀；19、a号电磁气阀；20、套片换热器出水口；21、套片换热器进水口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

请参阅图1和图2，本发明实施例包括：

一种半导体空气冷凝水装置的节能型水冷散热系统，包括：TEC冷却端结构、散热工质循环管路、涵道散热结构、电源供电及控制器部件4个子结构。

图一中，TEC冷却水盒9、TEC10与散热片11依次紧贴构成TEC冷却端结构。

图一中，散热工质循环管路主要由循环水主流管道4与循环水支流管道5构成；其中循环水主流管道4中有主流水泵6带动散热工质在循环水主流管道4循环中依次经过主流水泵6、TEC冷却水盒9、图二中的套片换热器15完成吸热、放热的过程，实现为TEC冷却的功能；其中主流水泵6的运转与停止的工作状态与支流水泵8恰好相反；冷却水长时间在循环水主流管道4中循环流动，而循环水支流管道5仅在用空气冷凝装置中冷凝下来的水更换循环水主流管道4的冷却水时才开启使用，开启时的工作状况是:在原先已编入程序的控制器的控制下，主流水泵6停止运行，循环水主流管道4暂时不通，同时支流水泵8开始运转，将空气冷凝水装置所制取的温度较低的冷凝水抽入到循环水主流管道4中，并在体积不变的原则下，原循环水主流管道4中的冷却水会经过单向水阀7排入空气冷凝水装置的水箱，以此实现散热工质的更换；所述散热工质更换是可起到一定节能的作用。

所述散热工质更换的主要目的是为了提高能量利用率；空气冷凝水装置所制取的冷凝水温度远低于大气环境温度，供给TEC的电能一部分以热能形式被散热系统带走，以维持TEC制冷、空气冷凝工况的正常运行，另一部分则用于降低大气空气温度，产生远低于大气温度的废冷空气与冷凝水；所述将废冷空气结合外界空气用于给冷却工质散热，以及将冷凝水与散热工质定时更换的方式有助于提高能量利用率，实现节能减排。

图二为涵道散热结构俯视详细图；其中a、b、c、d四个电磁气阀各镶嵌于废冷箱壳体12间，其各自的电磁气阀供电及控制线路14已并联的形式连接到放置于电源、控制芯片安放位置3的电源与控制器上；其中电源为系统中所有用电器件供电、控制器控制着各个电磁气阀、水泵的开闭。

图三为套片换热器结构图；其中冷却水从套片换热器进水口21进入，从套片换热器进水口20流出；冷却水在流进套片换热器15时，因风扇17的作用而与废冷空气以及大气空气进行热量交换，从而实现与TEC热端放热相对应的冷却水的散热，以保障TEC制冷的正常运行。

系统中涵道散热结构的设计源于结合废冷空气、外界空气共同为冷却水散热的思想；在不及损耗的前提下，冷却水吸收的热量理论上应与TEC热端产热量相等，而产热量理论上又应与TEC的供电量与制冷量之和相等，而废冷空气与冷凝水中的冷量又应与TEC制冷量相等；因此，利用废冷空气与冷却水来作为本散热系统中的散热介质，是能较大提高能源利用率；但根据前面的能量大小关系而言，仅仅使用两者来作为散热介质仍是不能满足散热符合，因此还必须引入大气空气来作为本散热系统的散热介质之一。

本散热系统运行工况较为复杂，现对此做详细阐述：

涵道散热结构中的运转方式分为三个动作：内循环状态、外循环状态、换气状态，且以内循环状态、外循环状态、换气状态的顺序按照控制器中设定的时间不断循环进行；结合图二，内循环状态是a、b号电磁气阀开启、c、d号电磁气阀关闭，在风扇17的作用下，流进套片换热器15的气体为废冷箱中上一换气循环的废冷空气；外循环是a、b号电磁气阀关闭，c、d号电磁气阀开启，在风扇17的作用下，流进套片换热器15的气体为外界环境的空气；换气状态是a、d号电磁气阀开启，b、c号电磁气阀关闭，在风扇17的作用下，废冷箱中多次流进了套片换热器15的废空气被排出废冷箱，同时下一循环的废冷空气进入废冷箱中。

本散热系统工况依据冷却水是否更换分为两个大工况：前期工况、后期工况；前期工况无冷却水的更换只有冷却水在循环水主流管道4中的流动、涵道散热结构中的风扇转动、电磁气阀变向与控制器控制的动作，此散热工况主要假设冷凝装置无冷凝水的前期情况，此时TEC的热量完全依赖于本散热系统的前期工况来散热，以慢慢制取冷凝水；当冷凝水的量基本与正在运行的冷却水量相等时，本散热系统开始进入后期散热工况中；后期散热工况在前期工况上加入了冷却水更换动作，更换动作前文已述；在更换完冷却水后，当冷却水水温达到环境温度时，涵道散热结构中风扇继续转动、电磁气阀状态调整为换气状态；在本动作中，主要是基于更换的冷却水温度较低，可以依靠冷却水的较多冷量暂时吸收TEC的热量，以减少风扇的能耗，进一步实现节能；当更换上的冷却水水温达到环境温度后，散热系统便恢复前期散热工况，以待新的冷凝水的量基本与正在运行的冷却水量相等时，再次进行更换动作，不断循环下去。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。