一种半导体制冷与电磁加热技术的节能饮水机

祝元恺

摘要：目前能源是人类社会进步的制约因素，不可循环能源越来越少，现在的时代就是追寻新能源以及节约已有的能源，减缓能源压力。我们团队以日常生活为例，通过创新设计来实现日常电器更高效率的实现功能，增大能源利用率，设计新型饮水机实现节能减排的目的，顺应时代发展。

关键词：电磁发热技术;半导体制冷;能量利用

1研究背景及意义

饮水机是人们生活中必用的设备，一般饮水机具有制热和制冷功能，以便于满足不同用户的冷热需求。现有的饮水机中，制冷和制热分别进行工作，一般采用半导体制冷片进行制冷。由于半导体制冷片同时具有制冷端和制热端，其中，制冷端用于制冷，制热端需要设置散热装置以散发制热端产生的热量，如此，不仅浪费了制热端的热量，而且还需对散热装置进行供能，不利于节能。很多不同种类的饮水机，发热原理以及制冷原理都是类似的，及电阻加热以及半导体制冷片进行制冷，虽然目前饮水机的原理以及装置都日趋发展，但是依然有其无法突破的局限性。

首先，常用饮水机的加热是采用电阻加热，用热电阻来对水进行直接加热，目前技术虽很完善，运用也很广泛，但是改变不了加热速率较慢以及发热效率不够高，能量利用率始终在85%左右，不够高。第二，电阻加热会产生水垢，对人体产生不利影响，而且长期使用会使电阻丝表面布满水垢从而降低加热效率。第三，制冷一般采用半导体制冷，半导体制冷一般有两端，制热端和制冷端，制冷端用于制冷，制热端的能量一般都挥发掉，白白浪费了这部分的能量。第四，市场上的饮水机保温功率有限，总是反复加热，造成千滚水，对人体造成较大危害。

2装置设计方案

2.1装置工作基本原理

本装置利用电磁加热及电磁涡流加热原理对水进行加热，实现热水的功能。采用半导体制冷片制冷端对水进行降温，实现冷水的功能。同时，我们巧妙的采用半导体制热端与变热器原理将能量由半导体制热端传递到热罐，进行沸水的保温。以此来实现饮水机加热，保温与制冷功能。

2.2电磁加热设计

电磁加热装置的工作原理是通过由整流电路将50/60 Hz的交流电压变成直流电压， 再经过控制电路将直流电压转换成频率为20～40 KHz的高频电压， 高速变化的电流流过线圈会产生高速变化的磁场， 当磁场内的磁力线通过导磁又导电材料底部金属体内， 产生无数的小涡流， 使材料本身自行高速发热， 然后再加热器皿内的东西。我们采用电磁加热原理对水进行加热，采用电磁加热的方法能够提高加热的效率与能量利用率，常见的电阻加热一般能量利用率在85%，采用变压器变频器，我们可以将能量利用率提高到93%左右。具体方式是将220v交流电转化为12v直流电，连接感应高频加热器，将直流电转化为高频电流，通过电磁加热线圈，对热罐内部金属丝网进行加热，达到温度的传递，实现热水的加热。当温度达到沸水的温度，停止加热。电磁加热的功率理想值在950W，一般饮水机功率大约在450W，加热速率极快。

2.3半导体制冷设计

我们在制冷方面采用半导体制冷，半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理。半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。一般都有制冷端与散热端，半导体制冷片采用温差效应，将半导体片分为两部分，制冷端与散热端，冷端进行水的降温，热端连接散热风扇，这部分的能量白白浪费，我们制冷采用的是和日常饮水机一样的方式，将制冷片与水进行直接接触，实现制冷，将水温降到3-10摄氏度，不過我们对散热端进行改造这里表明如何改造，提高能量使用效率。

2.4热器保温设计

换热器是热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置。板式换热器由一组平行薄平板叠加组成，两相邻平板之间用特殊设计的密封垫片隔开，形成—个通道，冷、热流体间隔地在每个通道中流动。我们采用板式换热器作为能量传播媒介，作用于热罐与半导体制热端。常见饮水机保温通常采用传感器与电阻加热，当沸水温度低于制定温度，再次加热，达到沸水温度停止加热，这种保温方式造成了热水的反复加热与能量的浪费，产生的千滚水对人体有很大危害。我们将半导体片制热端需要散发的能量通过换热器传递到热罐隔热层，将热罐中空层温度升值60摄氏度左右，延缓沸水的冷却，进行热罐的保温，避免出现千滚水的现象，而且实现了能量的有效利用。

3装置分析与对比

首先，此饮水机在热水加热方面采用高频感应加热，用高效的电磁加热来取代电阻加热，提高加热能量利用率，电磁加热能量利用率最高可以达到95%以上而常用电阻最高大约86%，在同等条件下，比电阻圈加热节电30-70%，利用电磁加热技术时，通过感受涡流而发热，涡流则是由高频电流产生，如此大大缩短了热启动的时间，大大提高了加热效率。加热部分采用环形线圈加热，电缆本身不会产生热量，使用寿命高。电磁材料经过高频电磁作用，热量利用充分，采用特殊导电电缆，电缆自身基本不发热，减少热量损耗，无需担心漏电以及高温差生的危险。同时有效减少水垢产生，有益人体健康。

第二，我们在制冷方面采用半导体制冷，半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理。半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。而市场上的饮水机一般为了提高制冷效果，把制热端的能量白白浪费掉，我们想法是用半导体制热端的能量转移到热罐的中空层，提高中空层温度，减少内外层温差，达到这部分能量的利用。从而达到保温的目的。

第三，我们加热罐和制冷罐通过中间的换热器进行传递半导体制热端的能量，实现半导体制热制冷两部分能量的同时利用，优化结构，实现保温功能，我们采用较为效率较好的半导体片，提高能量转化效率。

第四，我们热罐采用双层结构，内层用来储存及加热水，内层表面环绕绝缘层包裹的线圈，内层与外层之间是中空层，与半导体制热端进行连接，用换热器来提高中空层温度，两层都包裹保温材料，来减少内外层的温差来达到保温功能。

4装置的技术关键及创新点

本装置的技术关键在于实现电磁加热功能以及半导体制热端温度传递到热罐隔层。本装置通过电磁加热线圈环绕热罐隔层管壁，对热罐内部金属丝网进行涡流加热，实现制热功能，通过半导体制冷端散热端连接换热器，直接接触热罐的隔热层，加上隔热泡沫，实现对能量的传递以及沸水的隔离，达到双重保温的作用。

5装置的应用前景

饮水机是我们日常生活中必不可少的家用电器，我国人口众多，需求量大，但是市场上的节能饮水机不多，所以有很大市场。按我国100万台节能饮水机，每年节约大概58400万度电，直接节约大概3.5亿元。每台饮水机的成本大概在200元，比市场上的饮水机较贵，但是不产生千滚水，无水垢，电磁水对人体较为有益，加热块，热能转换效率高，有很大的市场空间。

（作者单位：河南理工大学机械与动力工程学院）