基于压电效应的半导体节能冷却系统

1.本发明属于节能环保、高端冷却装备领域，具体涉及基于压电效应的半导体节能冷却系统以实现机械振动产生废能的回收与利用，对机械高温处进行局部冷却的系统。


背景技术：

2.随着社会与科技的迅速发展，各种的机械被广泛的应用在日常生活与实际生产中。随之而来的是充斥在生活和生产环境中的机械振动，其影响着人们的正常生活和身体的生理活动。高频的机械振动还会引起刀具崩刃打刀现象并加速刀具或砂轮的磨损；振动使机床夹具连接部分松动，影响运动副的工作性能，并导致机床丧失精度；高频振动所带来的摩擦，危害机械设备寿命；影响生产效率。
3.本发明着力研究将机械振动产生的力作用在压电材料上发电，压电材料是一种可以进行电力转换的材料,各种由其反压电效应制成的执行器已广泛应用于智能结构中，若对它施加机械应力，使它发生应变，它将产生极化现象并形成表面电荷,把应变的机械信号转换成电信号，产生压电效应来进行局部冷却的压电制冷系统。为了保证局部制冷的均匀性，现有局部制冷的设备多采用管路连接的压缩机、冷凝器及蒸发器，蒸发器包括若干冷却机构，其冷却机构包括冷却板以及固定在冷却板背部的制冷剂通道，所述制冷剂通道的入口通过管路连通冷凝器，出口通过管路连通压缩机，降低了局部制冷技术的性价比和应用范围。因此，设计一种满足局部制冷技术要求且具有较高振动回收率的局部制冷系统，对于减缓和利用浪费的机械振动能使之达到节能的效果意义重大。


技术实现要素：

4.本发明在于提供一种基于压电效应的半导体节能冷却系统，能够实现利用机械振动驱动压电效应来进行半导体制冷，以解决我国工业生产过程中因强烈的振动造成能量浪费以及温度较高的问题，促进清洁和可再生能源技术的研究与应用。
5.以下通过附图对本发明的技术原理及结构进行说明。基于压电效应的半导体节能冷却系统，包括由振动基座、悬臂梁、底部电极、顶部电极、盖板、电源检测装置、压电片、pvc软板、质量块组成的单悬臂梁结构；由稳压整流装置、变压输出装置以及储能设备组成的电源控制箱；由半导体制冷片阵列组成的半导体局部制冷装置。所述单悬臂梁结构的一端为不产生轴向、垂直位移和转动的固定支座质量块，另一端为可产生平行于轴向和垂直于轴向的力的自由端振动基座，压电片上下分别粘有电极置于长方体形悬臂梁之上，两端电极通过导线连接至盖板之上的电源检测装置；所述电源控制箱设计为长方体形，内部依次连接稳压整流装置、变压输出装置以及储能设备，变压输出装置输出端设置为两个端口，一端接储能设备，另一端接半导体局部制冷装置的输入端口；半导体局部制冷装置输入端连接至各个制冷单元，并设置为阵列形式的制冷模块。
6.本发明采用的技术方案如下：压电片上下两侧分别粘贴顶部电极和底部电极，顶部电极粘有pvc软板，底部电极下方为悬臂梁，悬臂梁下方左侧为振动基座右侧为质量块，
装置上方盖有盖板，两个电极通过导线传递至盖板上方的电源检测装置，进而接入电源控制箱中稳压整流装置的输入端，稳压整流装置的输出端接变压输出装置的输入端，变压输出装置的输出端一段接入储能装置进行储能，另一端连接至半导体局部制冷装置总端口，最终传递至各个制冷单元。
7.本发明的工作原理是：外界振动通过基座传递到悬臂梁结构上，悬臂梁在自身重力和质量块重力牵引下发生弯曲和应变，带动贴附在其上的压电材料发生应变产生压电效应，在压电片上下表面产生极性相反的电荷，电荷传递至电极层，电极层通过绝缘导线引入电源检测装置，进一步地，通过电源控制箱传递至半导体阵列，用来进行局部制冷。
8.本发明的特点及有益效果：由于采用单悬臂梁结构、电源控制箱、半导体制冷片，所带来的有益效果是：
9.通过单悬臂梁结构利用机械振动，激励压电材料产生压电效应，将机械振动产生浪费的能量得以回收利用，并减缓振动，将其转换成电能，加以收集和利用，用来对机械高温处进行局部冷却。
10.每块半导体制冷单元上下均独立进行局部制冷，且可按不同频次收集振动源将能量回收储存从而实现将能量形式转化并根据实际需降温系统各处温度情况匹配相应的冷却效果，有效提高能量利用率与冷却效率。
11.采用半导体制冷片，不需任何制冷剂，简单方便，工作时没有振动和噪音，采用阵列形式，可增大冷却面积，用于不同机械结构的局部冷却。
附图说明
12.图1为本发明系统结构示意图。
13.图2为单悬臂梁结构示意图。
14.图3为电源控制箱示意图。
具体实施方式
15.以下结合附图并通过实施例对本发明的结构原理做进一步说明。
16.基于压电效应的半导体节能冷却系统，系统组成包括三部分：单悬臂梁结构1、电源控制箱2和半导体局部制冷装置12。其中单悬臂梁结构1由振动基座3、悬臂梁4、底部电极5、顶部电极6、盖板7、电源检测装置8、压电片9、pvc软板10、质量块11组成，其数量取决于实际设备的大小和振动频率；电源控制箱2由稳压整流装置13、变压输出装置14以及储能设备15组成；半导体局部制冷装置12由若干个半导体制冷片以阵列形式组成，半导体制冷片的数量取决于实际需冷却设备的形状与冷却需求。系统的连接结构是：压电片9上下两侧分别粘贴顶部电极6和底部电极5，顶部电极6粘有pvc软板10，底部电极下方为悬臂梁4，悬臂梁4下方左侧为振动基座3右侧为质量块11，装置上方盖有盖板7，底部电极5和顶部电极6通过导线传递至盖板7上方的电源检测装置8，进而连接电源控制箱2中稳压整流装置13的输入端，稳压整流装置13的输出端接入变压输出装置14的输入端，变压输出装置14的输出端一端接入储能设备15，另一端连接至由半导体阵列组成的半导体局部制冷装置12。
17.外界振动通过振动基座3传递到悬臂梁4上，悬臂梁4在自身重力和质量块11重力牵引下发生弯曲和应变，带动贴附在其上的压电片9发生应变产生压电效应，在压电片9上
下表面产生极性相反的电荷，电荷传递至底部电极5和顶部电极6，底部电极5和顶部电极6通过绝缘导线汇入电源检测装置8，进一步地，通过电源控制箱2中的稳压整流装置13、变压输出装置14传递至半导体阵列，用来进行局部冷却，从而实现了利用压电效应，将机械振动产生的废能转换成电能，进而为半导体供电而进行制冷，多余电量则进入储能设备15进行储能。
18.以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。


技术特征：
1.基于压电效应的半导体节能冷却系统，系统组成包括三部分：单悬臂梁结构（1）、电源控制箱（2）和半导体局部制冷装置（12），其特征在于单悬臂梁结构（1）由振动基座（3）、悬臂梁（4）、底部电极（5）、顶部电极（6）、盖板（7）、电源检测装置（8）、压电片（9）、pvc软板（10）、质量块（11）组成，其数量取决于实际设备的大小和振动频率；电源控制箱（2）由稳压整流装置（13）、变压输出装置（14）以及储能设备（15）组成；半导体局部制冷装置（12）由若干个半导体制冷片以阵列形式组成，半导体制冷片的数量取决于实际需冷却设备的形状与冷却需求，系统的连接结构是：压电片（9）上下两侧分别粘贴顶部电极（6）和底部电极（5），顶部电极（6）粘有pvc软板（10），底部电极下方为悬臂梁（4），悬臂梁（4）下方左侧为振动基座（3）右侧为质量块（11），装置上方盖有盖板（7），底部电极（5）、顶部电极（6）通过导线传递至盖板（7）上方的电源检测装置（8），进而连接电源控制箱（2）中稳压整流装置（13）的输入端，稳压整流装置（13）的输出端接入变压输出装置（14）的输入端，变压输出装置（14）的输出端一端接入储能设备（15），另一端连接至由半导体阵列组成的半导体局部制冷装置（12）。2.根据权利要求1所述的基于压电效应的半导体节能冷却系统，其特征在于由发电系统、电源控制系统和局部制冷系统组成，通过外界振动由振动基座（3）传递给悬臂梁（4），悬臂梁（4）在自身重力和质量块（11）重力牵引下发生弯曲和应变并带动贴附在其上的压电片（9）发生应变产生压电效应的模式运行。

技术总结
本发明提供一种基于压电效应的半导体节能冷却系统，采用单悬臂梁结构、电源控制箱、半导体局部制冷装置，所带来的有益效果是：通过单悬臂梁结构利用机械振动，激励压电材料产生压电效应，将机械振动产生浪费的能量得以回收利用，并减缓振动，将其转换成电能，加以收集和利用，用来对机械高温处进行局部冷却。每块半导体制冷单元上下均有独立的进行局部制冷，且可按不同频次收集振动源将能量回收储存从而实现将能量形式转化并根据实际需降温系统各处温度情况匹配相应的冷却效果，有效提高能量利用率与冷却效率。采用半导体制冷片，不需任何制冷剂，简单方便，工作时没有振动和噪音，采用阵列形式，可增大冷却面积，用于不同机械结构的局部冷却。构的局部冷却。构的局部冷却。


技术研发人员：赵松松 高磊 蔡茅 郑超凡 何成辉 韦晓妍 陈亚菲 张海涛
受保护的技术使用者：天津商业大学
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2022/10/13