一种半导体制冷器与天空辐射制冷体耦合的复合制冷装置的制作方法

本发明属于制冷技术领域，具体涉及半导体制冷器(tec)与天空辐射制冷体(rsc)制冷系统。

技术背景

近年来，随着城市建设的高速发展，建筑能耗问题日益突出，给经济可持续发展带来了巨大负担。其中，很大比例的建筑能耗(约50％)用于建筑供暖和制冷。目前，大部分建筑能耗依然通过直接或间接消耗基于化石燃料的一次能源，同时在一次能源到终端能源的转换过程中造成了大量污染和浪费。为了突破日益严峻的能源困局，学者们开始将目光转向低污染、高效率的建筑制热/冷能源系统设计，期望达到降低建筑对一次能源依赖程度的目的。

制冷系统和热泵(下文简称为热泵)技术是一种耦合低温热源与电力以提供热量的技术，当制冷性能系数(cop)大于0或加热cop大于1时，热泵比传统的电加热或直接燃烧更为节能，这使得热泵在世界范围内实现了商业化应用。目前，热泵技术通过各类形式实现，包括半导体热电装置(ted)与蒸汽压缩循环(vcc),其中vcc是通过传热流体在高低压力情况下热力学性能与温度变化的原理来实现制冷。因为vcc在现有的相关制冷技术中拥有更高的cop，以及它在住宅规模下拥有更高的供暖和制冷功率密度，所以vcc在家庭与办公室空调等应用领域受到了广泛的关注。然而，传统的vcc系统中采用的制冷剂(如氢氟烃类等)是具有极高全球变暖潜能值(gwp)的物质，所以一旦泄漏到环境中将会显著加重温室效应。不仅如此，最新的合成材料hfcs通常以化石燃料作为原材料，因此这一资源预计将在几十年内也会消耗殆尽。此外，为了实现传热流体的高低压力状态，vcc将涉及压缩机、膨胀阀等各种子设备，导致系统结构复杂、成本较高以及可靠性较低。

ted是另一种有效热泵技术，它是利用特殊半导体材料的热电效应来实现热能和电能的直接转化。一方面，ted可以作为热电发电机(teg)，当热源接触teg的一侧并在另一侧进行冷却时，通过热电效应将一部分的热能转换为电能。另一方面，ted也可以作为半导体热电制冷器(tec)，当电能提供给tec电气终端时，通过热电效应原理，在tec的一侧发热而在另一侧制冷。通常，teg多被用于汽车尾气和光伏组件等设备的废热回收，而tec则多被用于实现制冷和精确控温。由于ted是固态装置，其优点包括无污染、无噪音且不包含运动部件，所以它受到了广泛关注和使用。然而，tec的cop和比体积功率密度与其他制冷技术(例如上述的vcc)相比较低，因此tec常用于小规模应用，例如cpu散热器或小型便携式冰箱。

天空辐射制冷是以低温外太空为冷源，基于辐射体辐射散热的一种被动制冷技术。该技术无需外部能源输入，不含任何移动部件，是一种拥有巨大潜力的可再生能源制冷技术。早在公元前，伊朗和印度国家的人民就已经利用天空辐射制冷方式在夜间环境温度高于冰点的情况下进行制取冰块的作业。但是，由于大气和周围环境以及日间辐照的影响，天空辐射制冷的净制冷功率相对较低，所以天空辐射制冷的制冷容量比tec和vcc小。

综上所述，尽管tec制冷技术与天空辐射制冷技术都具有清洁、无噪音和不包含运动部件的优良特性，但两者的制冷cop和制冷容量相对较低，例如在20k温差下tec的典型cop为2.5以下，而天空辐射制冷的典型制冷容量为120w/m²以下，因此在系统设计方面仍存在较大的优化空间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种半导体热电制冷器(tec)与天空辐射制冷体(rsc)耦合(rsc-tec)的复合制冷装置。

本发明将天空辐射制冷体面向天空，以热辐射形式释放热量，达到降低自身温度，形成局部冷源的目的；另一方面，通过流动工质(如空气，水和制冷剂)在tec冷却侧和天空辐射制冷体之间流动，从而将两者的“冷”能量收集在一起并提供给用户。

一种tec与rsc耦合的复合制冷装置包括管状的冷却剂通道6、天空辐射制冷体1和一个以上的tec；

所述天空辐射制冷体1设于冷却剂通道6外部的一侧面上，所述一个以上的tec通过导热板3设于冷却剂通道6外部的另外侧面上；所述冷却剂通道6外部的其它侧面上设有隔热板2；

在夜间辐射制冷工况：所述天空辐射制冷体1的材料为在大于4微米的全部中红外波段具有高发射率的材料或在8-13微米的大气窗口波段具有高发射率而在其余中红外波段具有低发射率的材料；

在全天辐射制冷工况：所述天空辐射制冷体1的材料为在中红外波段具有高发射率、在0.3-4微米的太阳光波段具有高反射率的材料；

工作时，天空辐射制冷体1面向天空，以热辐射形式释放热量，达到降低自身温度，形成局部冷源的目的；另一方面，通过流动工质(如空气，水和制冷剂)在tec冷却侧和天空辐射制冷体1之间的冷却剂通道6内流动，将两者的“冷”能量收集在一起。

进一步限定的复合制冷装置的技术方案如下：

包括冷却剂通道6、天空辐射制冷体1和一个tec；所述天空辐射制冷体1设于冷却剂通道6外部的一侧面上，所述tec设于冷却剂通道6外部的另一侧面上；所述冷却剂通道6外部的其它侧面上设有隔热板2。

包括冷却剂通道6、天空辐射制冷体1和一对tec；所述天空辐射制冷体1设于冷却剂通道6外部的一个侧面上，一对tec设于冷却剂通道6外部的另外两个侧面上；所述冷却剂通道6外部的其它侧面上设有隔热板2。

面向天空一侧的天空辐射制冷体1上设有活动的隔热板2，当冷却对象的温度低于天空辐射制冷体1的最低温度极限，移动隔热板2遮盖住天空辐射制冷体1面向天空的一侧，当冷却对象的温度高于天空辐射制冷体1的最低温度极限，移开隔热板2使天空辐射制冷体1面向天空的一侧露出。

包括天空辐射制冷体1、管状的第一冷却剂通道、管状的第二冷却剂通道和半导体热电制冷器；所述第一冷却剂通道和第二冷却剂通道串联，所述天空辐射制冷体1设于第一冷却剂通道外部的一侧表面上，第一冷却剂通道外部的其它侧面上设有隔热板2；所述半导体热电制冷器设于第二冷却剂通道外部的一侧表面上，第二冷却剂通道外部的其它侧面上设有隔热板2。

所述在大于4微米的全部中红外波段具有高发射率的材料为高分子聚酯类薄膜、黑漆表面、玻璃中的一种。

所述在8-13微米的大气窗口波段具有高发射率而在其余中红外波段具有低发射率的材料为一维多层膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、有机硅薄膜中的一种。

所述在中红外波段具有高发射率而在0.3-4微米的太阳光波段具有很高反射率的材料为一维多层膜、有机硅薄膜与银膜的复合膜中的一种。

本发明的另一个目的是提供一种基于上述复合制冷装置的制冷系统。

一种基于上述复合制冷装置的制冷系统包括串联的空气压缩机和复合制冷装置；空气压缩机的出口连通着复合制冷装置冷却剂通道3的一端；

工作时，所述空气压缩机的进口和复合制冷装置冷却剂通道3的另一端之间串联着一个封闭空间；所述空气压缩机、复合制冷装置和封闭空间形成空气制冷循环回路。

另一种基于上述复合制冷装置的制冷系统包括依次串联形成回路的第一泵、所述复合制冷装置、蓄热材料、第二泵、散热器、第一换热器和第二换热器；所述蓄热材料为相变材料石蜡；

所述第一泵的出口连通着复合制冷装置冷却剂通道3的一端,冷却剂通道3的另一端连通第一换热器的一端，第一换热器的另一端连通第一泵的入口，同时所述第一换热器和蓄热材料接触；所述第一泵、复合制冷装置与第一换热器形成冷却剂的第一循环回路；所述第二泵的出口连通着散热器的一端,散热器的另一端连通第二换热器的一端,第二换热器的另一端连通第二泵的入口，同时所述第二换热器和蓄热材料接触；所述第二泵、散热器与第二换热器形成冷却剂的第二循环回路。

所述第一泵和第二泵均为压缩机。

所述散热器为基于风冷式金属翅片换热器。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明的优点在于将tec和rsc两者特点进行互补。一方面，利用tec的辅助大大增加了rsc的制冷容量，尽管tec功率消耗为10瓦左右，但综合制冷容量可达到1000w/m²以上。因此通过本发明的技术，可减小rsc的面积以及重量需求，使天空辐射技术适用于便携式冰箱等小型应用。

2.另一方面，通过rsc的辅助，减小tec的功率消耗需求，换言之提高tec的制冷cop。例如，在一个额定的制冷量目标下(例如20w)，通过合理设计rsc与tec的大小，复合制冷系统可以将tec的电能消耗降低25％以上(与tec独立制冷系统相比)。因此，通过本发明的技术，可提升tec的性能，使其与vcc技术相比更具竞争潜力，更适合于日常空调应用。

3.本发明的制冷技术具有全体固态、无噪音和无需移动部件的优势，因此与传统vcc技术相比更可靠和便捷。

附图说明

图1是rsc-tec复合制冷装置的第一种基本结构。

图2是rsc-tec复合制冷装置的第二种基本结构。

图3是基于图1的改进型rsc-tec复合制冷装置，装置增加了用于遮挡rsc的移动隔热板,其中rsc面向天空侧被隔热板遮挡。

图4是基于图1的改进型rsc-tec复合制冷装置，装置增加了用于遮挡rsc的移动隔热板,其中rsc面向天空侧未被隔热板遮挡。

图5是rsc-tec复合制冷装置的第三种基本结构。

图6是基于rsc-tec复合制冷装置的制冷系统的第一种结构。

图7是基于rsc-tec复合制冷装置的制冷系统的第二种结构。

上图中序号：天空辐射制冷体1、隔热板2、导热板3、半导体热电偶臂4、连接导线5、冷却剂通道6、三通阀7。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

本发明所用材料简介说明如下：

天空辐射制冷体的材料：根据辐射制冷的工作环境不同，天空辐射制冷体大致分为两类：夜间天空辐射制冷体和全天辐射制冷体。

夜间辐射制冷体：辐射体用于夜间工作，实现低温环境的获取。夜间辐射制冷体需要在大气窗口波段具有较高的发射率。基于此，夜间天空辐射制冷体还可以分为两类，一类是在全部中红外波段(>4微米)具有高发射率的材料，常用的材料有高分子聚酯类，黑漆表面，玻璃，另一类是只在大气窗口波段(8-13微米)具有高发射率，在其余中红外波段具有低的发射率，常用的有一维多层膜结构，聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，有机硅薄膜等。

全天辐射制冷体：全天辐射制冷体需要满足辐射体在白天辐照下也能实现获取低温环境的效果。因此，白天辐射制冷体在满足上述夜间辐射制冷体在中红外波段的要求外，还需要在太阳光波段(0.3-4微米)具有高反射率。目前常用的辐射体有一维多层膜结构，透明的高发射材料与太阳光高反射材料的复合膜；经典的膜材料包括有机硅薄膜(其也在晶体管应用中有商业化)与银膜的复合膜。

导热材料：导热材料必须具有高导热性与绝缘的性能，可选择三氧化铝(al2o3)等陶瓷材料。

绝热材料：绝热材料可选择常用的泡沫材料，如聚苯乙烯泡沫塑料。

热电偶臂材料：用于实现热电效应的特殊材料，如碲化铋(bi2te3)、硅锗(sige)等。

本发明主要是耦合tec制冷和天空辐射制冷技术，以形成一种新型的天空辐射制冷体(rsc)与半导体热电制冷器(tec)复合制冷系统(以下简称为rsc-tec系统)。本发明有多种实施形式，首先介绍本发明的总体系统以解释它的应用范围；图6显示了在空调应用中涉及rsc-tec的总体系统，目的是为一个封闭空间(例如办公室、家庭房间等)提供冷却。该实施例利用空气压缩机或者风扇使空气循环，空气流过rsc与tec设备的冷侧以收集它们所产生的“冷”能源，并流回封闭空间实现封闭空间的冷却。图7显示了涉及一种具有蓄热性能的rsc-tec系统，如图6不同的是，图7在rsc-tec系统和封闭空间之间设置了能量储存介质，首先将系统的冷量储存在能量储存介质中，当用户需要冷量时，再将冷量从能量储存介质中提取出来。

本发明的rsc-tec装置及系统可以通过图1至图7等的结构来实施，而每个实施例在各种具体应用中具有各自的优势，将在以下详细描述。

实施例1

参见图1，一种tec与rsc耦合的复合制冷装置包括矩形管状的冷却剂通道6、天空辐射制冷体1和一个半导体热电制冷器(tec)。

天空辐射制冷体1安装于冷却剂通道6外部的一侧面上，tec通过半导体热电偶臂4和导热板3安装于冷却剂通道6外部的另一个侧面上；冷却剂通道6外部的其它两个侧面上安装有隔热板2。

工作时，冷却剂通道6内的冷却剂为空气。将外部电源连接到tec的电气端子，冷却冷却剂通道6内的空气、同时在tec的另一侧制热。此外，本发明也涉及一个流动通道，将天空净辐射制冷体与tec所提供的“冷”量移动到冷却对象，即冷却剂通道6内的空气。在此实施例，为了维持tec与rsc的制冷能力，冷却剂通道6外部的其它两个侧面上安装有隔热板2。

在本实施例中，tec与rsc的大小是可选以达到定额的制冷容量。例如，tec的导热板3可设置为4cm×4cm，然后设置127对半导体热电偶臂4，并将rsc的面积设置为0.1平方米。在20w的制冷容量目标与温差为10k的情况下，可将tec的能耗由6.6w(没有设置rsc情况下)降低到6w。

在本实施例中，必须将tec连接直流电源，以通过热电效应实现制冷与制热的能力，而直流电源的输入电压与电流应符合tec的工作范围内。此外，在连接直流电源中，也必须注意电线的连接顺序以确保tec将在rsc侧进行制冷(若电线连接方向被颠倒，tec的制冷侧面也将被颠倒到另一侧)。

另外，由于天空辐射制冷体1受到太阳辐照、大气环境以及周围环境的影响，其最低工作温度(制冷功率为零时)存在一个极限。该极限温度与辐射体发射率、天空发射率、大气的相对湿度、与环境空气的换热情况等因素有关。辐射制冷体与环境温度的最大差值的具体表达式为：

δtmax＝f(εrsc,εsky,rh,hair)(1)

式(1)中，δtmax是辐射制冷体与环境温度的最大差值，εrsc是辐射制冷体发射率εsky是天空发射率，rh是大气相对湿度，hair是辐射制冷体与环境空气的对流换热系数。

每当冷却对象的温度低于上述的最低温度极限，天空辐射制冷体将不能实现制冷。因此，在实施例1中，工质和环境之间的温度差必须在天空辐射制冷体的最低温度极限范围内工作：

tamb-t<δtmax(2)

在公式(2)中，tamb是环境温度，而t是冷却剂通道6内的空气温度。经典来说，根据现有的rsc技术，εrsc数值为0.8～1；而当rh为0.1～1时，将使δtmax的温度范围为8k～15k。

实施例2

参见图2，一种tec与rsc耦合的复合制冷装置包括矩形管状的冷却剂通道6、天空辐射散热层1和一对tec；天空辐射制冷体1安装于冷却剂通道6外部的一个侧面上，一对tec通过半导体热电偶臂4和导热板3分别安装于冷却剂通道6外部的另外两个侧面上；所述冷却剂通道6外部的其它侧面上安装有隔热板2。

本实施例2与实施例1的主要区别是，将tec的位置由冷却剂通道6的底面换为两个侧面。然而，本实施例2的工作原理与实施例1相同，实施参数也可如在实施例1中相同。

实施例3

参见图3，在实施例1的基础上，在面向天空一侧的天空辐射制冷体1上安装有活动的隔热板2。

为了解决实施例1与实施例2中rsc在低于最低温度极限工况下的负面影响，本发明增设了移动隔热板2，以在消除大温差情况下该负面影响。每当tamb-t的温差在δtmax范围内，将移动隔热板2移离天空辐射制冷体1(即是图3所显示的状态)，以天空辐射制冷体1与tec进行协助制冷。另一方面，每当tamb-t的温差在δtmax范围外，将移动隔热板2覆盖天空辐射制冷体1(即是图4所显示的状态)，将天空辐射制冷体与外部环境进行热隔离，因此避免了天空辐射制冷体的负面影响。从而，本实施例3的移动隔热板2将按以下逻辑来工作：

δtmax的温度范围为8k～15k。

实施例4

参见图5，一种tec与rsc耦合的复合制冷装置包括天空辐射制冷体1、管状的第一冷却剂通道、管状的第二冷却剂通道和半导体热电制冷器。第一冷却剂通道和第二冷却剂通道串联，天空辐射制冷体1安装于第一冷却剂通道外部的一侧表面上，第一冷却剂通道外部的其它表面上安装有隔热板2；半导体热电制冷器安装于第二冷却剂通道外部的一侧表面上，第二冷却剂通道外部的其它表面上安装有隔热板2。

参见图5，使用了两只三通阀来控制冷却流体的流动方向，控制冷却流体是否流经天空辐射制冷体1。左侧为左三通阀7，右侧为右三通阀8。左三通阀7的上部出口为第一出口，右侧出口为第二出口。右三通阀8上部进口为第一进口，左左侧进口第二进口。当冷却流体温度高于天空辐射制冷体1的最低极限温度时，左三通阀7的第一出口打开，第二出口关闭，右三通阀8的第一进口打开，第二进口关闭。当冷却流体的温度低于天空辐射制冷体1的极限温度时，左三通阀7的第一出口关闭，第二出口打开，右三通阀8的第一进口关闭，第二进口打开。尽管本实施例的复合制冷装置结构与实施例3的复合制冷装置有很大的差别，但由于两者的原理是一样的，所以本实施例的复合制冷装置与实施例3的复合制冷装置设计参数一致，且制冷效果相同。

实施例5

参见图6，一种基于tec与rsc耦合的复合制冷系统，包括串联的空气压缩机和复合制冷装置；空气压缩机的出口连通着复合制冷装置的冷却剂通道3的一端；

工作时，空气压缩机的进口和复合制冷装置的冷却剂通道3的另一端之间串联着一个封闭空间；系统中制冷剂为空气，所述空气压缩机、复合制冷装置和封闭空间形成空气制冷循环回路。所述复合制冷装置是通过tec与rsc的工作制造“冷”量，并且该“冷”量被所述的流动空气收集并运送到封闭空间；所述复合制冷装置为实施例1或2所提供的tec-rsc装置构成，参数也与实施例1或2中的相同。本实施例的封闭空间的容量按便携式冷藏箱规模来设计，为30l左右。

实施例6

参见图7，一种基于tec与rsc耦合的复合制冷系统包括依次串联形成回路的第一泵、复合制冷装置、蓄热材料、第二泵、散热器、第一换热器和第二换热器。蓄热材料为相变材料石蜡，第一泵和第二泵均为压缩机，散热器为基于风冷翅片式换热器。

第一泵的出口连通着复合制冷装置的冷却剂通道6的一端,冷却剂通道6的另一端连通第一换热器的一端，第一换热器的另一端连通第一泵的入口，同时所述第一换热器和蓄热材料接触；所述第一泵、复合制冷装置与第一换热器形成冷却剂的第一循环回路；第二泵的出口连通着散热器的一端,散热器的另一端连通着第二换热器的一端,第二换热器的另一端连通着第二泵的入口，同时所述第二换热器和蓄热材料接触；所述第二泵、散热器与第二换热器形成冷却剂的第二循环回路。

系统中制冷剂为水，或者为空调里常用的r245b、r410a、r22等冷却剂。

第一循环回路将天空辐射制冷体1和半导体热电制冷器所产生的“冷”量收集，并储存到能量储存介质蓄热材料中，当封闭空间有制冷需求时，第二循环回路能把能量储存介质蓄热材料中储存的“冷”量提取出来，并输送给封闭空间，实现制冷的目的。

所述复合制冷装置为实施例1或2所提供的tec-rsc装置构成，参数也与实施例1或2中的相同。本实施例的封闭空间的容量按便携式冷藏箱规模来设计，为30000cm³左右。