[发明专利]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

说明书

本发明涉及一种半导体热电制冷器（TEC）与天空辐射制冷体（RSC）耦合的复合制冷装置，属于制冷技术领域。包括冷却剂通道、RSC和一个以上的TEC；RSC设于冷却剂通道外部的一侧面上，一个以上的TEC通过导热板设于冷却剂通道外部的另外的侧面上，其它外部侧面上设有隔热板。工作时，RSC面向天空，以热辐射形式释放热量，形成局部冷源的目的；另一方面，通过流动工质在冷却剂通道中流动，实现TEC的冷却侧和RSC两者的冷能量收集在一起。本发明利用TEC的辅助大大增加了RSC的制冷容量，尽管TEC功率消耗10瓦左右，但综合制冷容量可达到1000W/m²以上，适合于便携式冰箱等小型应用。

技术领域

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。

发明内容

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。