ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ ХОЛОДИЛЬНОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 1997 года по МПК F25B21/02 

Изобретение относится к холодильной технике, в частности, к конструкциям термоэлектрических элементов и батарей.

Известны термоэлектрические элементы, включающие холодные и горячие спаи, последовательно соединенные между собой и снабженные источником постоянного тока.

Недостатком указанных термоэлектрических элементов является наличие значительного теплообмена по материалу термоэлектрической батареи и ее монтажным элементам, что приводит к необходимости использовать для питания значительные токи и снижает КПД термоэлектрической батареи.

Наиболее близким аналогом является термоэлектрическая батарея для производства холода [1] включающая последовательно соединенные между собой холодный и горячий спаи, снабженные источником постоянного тока. Термоэлектрическая батарея снабжена устройством, обеспечивающим разрыв теплового потока между холодной и горячей стороной термоэлектрической батареи по материалу ее монтажных элементов на время в течение которого электропитание отключено.

Основным недостатком аналога является наличие постоянного теплового потока по материалу термоэлемента и по материалу монтажных элементов в течение времени, когда электропитание термоэлектрической батареи включено. Указанные выше недостатки снижают КПД термоэлектрической батареи. Кроме того устройство может быть использовано только в нестационарных термоэлектрических охладителях, что ограничивает область его применения.

Задачей предлагаемого изобретения является создание термоэлектрической батареи с высоким КПД и более широкой областью применения.

Поставленная задача решается тем, что термоэлектрическая батарея холодильного устройства, включающая последовательно соединенные термоэлементы с горячими и термоэлементы с холодными спаями и блок электропитания согласно изобретению батарея снабжена конденсаторами, установленными между термоэлементами, а также между последними и блоком питания, а каждый термоэлемент снабжен вторым спаем, подключенным к блоку питания параллельно первому спаю с противоположным расположением материалов спая и двумя диодами, установленными последовательно спаям в каждой ветви электрической цепи термоэлемента и имеющими противоположное относительно друг друга расположение анодов и катодов, при этом блок электропитания выполнен в виде источника переменного тока.

В первом варианте выполнения термоэлектрической батареи в ветвях электрической цепи двух ближайших последовательно размещенных термоэлементов диоды установлены с противоположным относительно друг друга расположением анодов и катодов (фиг. 1).

Такое выполнение термоэлектрической батареи позволяет как нагреватьтак и охлаждать объект.

Во втором варианте выполнения термоэлектрической батареи в ветвях электрической цепи двух ближайших последовательно размещенных термоэлементов диоды установлены идентично (фиг. 2).

Такое выполнение термоэлектрической батареи позволяет работать либо в режиме охлаждения (холодильник), либо в режиме нагрева.

Конденсаторы в электрической цепи между термоэлементами и блоком электропитания обеспечивают постоянный тепловой разрыв между горячими и холодными спаями термоэлементов, что устраняет переток тепла между ними и, как следствие, повышает КПД устройства. Введение вторых холодных и вторых горячих спаев в термоэлементах, а также выполнение источника электропитания в виде источника переменного тока обеспечивает функционирование термобатареи в непрерывном режиме.

На фиг. 1 представлена схема первого варианта выполнения термоэлектрической батареи холодильного устройства.

На фиг. 2 представлена схема второго варианта выполнения термоэлектрической батареи холодильного устройства.

На фиг. 3 представлен график зависимости I=I(t) для тока через верхнюю ветвь холодного термоэлемента и нижнюю ветвь горячего термоэлемента.

На фиг. 4 представлен график зависимости I=I(t) для тока через нижнюю ветвь холодного термоэлемента и верхнюю ветвь горячего термоэлемента.

На фиг. 5 показана зависимость I=I(t) для тока на входе и выходе термоэлементов 1 и 2.

В первом варианте выполнения термоэлектрическая батарея холодильного устройства содержит последовательно соединенные термоэлементы 1 с холодными, термоэлементы 2 с горячими спаями и блок 3 электропитания, выполненный в виде источника переменного тока. В электрической цепи между термоэлементами 1 и 2 и блоком 3 электропитания установлены соответственно конденсаторы 4, 5 и 6. Термоэлемент 1 содержит параллельно соединенные холодные первый и второй спаи 7 и 8 с противоположным расположением материалов спая и два диода 9 и 10, установленные последовательно спаям 7 и 8 с противоположным относительно друг друга расположением анодов и катодов. Спаи 7 и 8 и диоды 9 и 10 образуют соответственно две параллельные ветви 11 и 12 электрической цепи термоэлемента 1. Термоэлемент 2 содержит параллельно соединенные горячий первый и второй спаи 13 и 14 с противоположным относительно друг друга расположением материалов спая и два диода 15 и 16, установленные последовательно со спаями 13 и 14 с противоположным относительно друг друга расположением анодов и катодов. Спаи 13 и 14 и диоды 15 и 16 образуют соответственно две параллельные ветви 17 и 18 электрической цепи термоэлемента 2.

Кроме того диоды 9 и 10 термоэлемента 1 и соответствующие диоды 15 и 16 термоэлемента 2 имеют противоположное относительно друг друга расположение анодов и катодов (фиг. 1).

Во втором варианте выполнения термоэлектрической батареи (фиг. 2) диоды 9 и 10 термоэлемента 1 и соответствующие им диоды 15 и 16 термоэлемента 2 установлены относительно друг друга идентично.

Термобатарея работает следующим образом. Питание от блока 3 источника электропитания подается на схему (фиг. 1) через конденсатор 4 в виде переменного тока фиксированной частоты (фиг. 4). Через диод 9 проходят импульсы только положительной полярности (фиг. 2). В соответствии с эффектом Пельтье на спае 7 в ветви 11 термоэлемента 1 поглощается тепло из окружающей среды, причем количество поглощенного тепла составляет
(1)
где: Р коэффициент Пельтье (ЭДС Пельтье),
I=I(wt) сила тока;
t время;
w частота.

В ветви 12 термоэлемента 1 диод 10 пропускает импульсы тока только отрицательной полярности (фиг. 3), в результате чего на спае 8 поглощается такое же количество тепла, как и на спае 7.

На выходе термоэлемента 1 течет переменный ток, причем, его частота остается неизменной относительно частоты тока на входе термоэлемента (фиг. 4). Изменение концентрации электронов на одной обкладке конденсатора 5 (аналогично и для конденсаторов 4 и 6) приводит к изменению концентрации электронов на другой обкладке и, соответственно к наличию тока в электрической цепи.

В ветви 17 термоэлемента 2 течет ток через диод 15, который пропускает импульсы только положительной полярности. В соответствии с эффектом Пельтье на спае 13 выделяется тепло в окружающую среду, причем количество выделенного тепла соответствует количеству поглощенного на спае 7 термоэлемента 1. В ветви 18 термоэлемента 2 спай 14 включен в обратном направлении относительно спая 13 в ветви 17, а диод 16 пропускает импульсы тока только отрицательной полярности, в результате прохождения которых через спай 14 в среду его окружающую выделяется такое же количество тепла, сколько его поглощается спаем 8 термоэлемента 1. На выходе термоэлемента 2 течет переменный ток такой же как на входе термоэлемента 1 (фиг. 4).

Во втором варианте выполнения термоэлектрической батареи (фиг. 2) термоэлемент 2 функционирует идентично термоэлементу 1 вследствие одинакового расположения диодов в этих термоэлементах. В этой связи на спаях 7, 8 и 13, 14 идет процесс только поглощения теплоты. Причем в первом варианте конденсаторы 4, 5 и 6 установлены в схеме для предотвращения теплообмена по материалу тоководов между термоэлементами 1 и 2, термоэлементом 1 и источником питания 3, термоэлементом 2 и источником питания 3. Во втором варианте (фиг. 2) конденсатор 5 предназначен для коммуникации спаев 7, 8 и 13, 14 в последовательности, обеспечивающей только поглощение тепла из среды их окружающей. Конденсаторы 4 и 6 установлены для предотвращения теплообмена по материалу тоководов между термоэлементами 1 и 2 и источником питания 3.

Известно, что добротность термоэлектрической батареи описывается следующим соотношением:
Z=α²/p•x (2),
где: α эмпирический коэффициент, имеющий размерность (в/град), р - удельная электропроводность, х суммарный коэффициент теплопроводности среды между холодной и горячей стороной термобатареи (крепежный материал, тоководы термоэлементов и т.д.).

Из соотношения (2) видно, что если х стремится к нулю, что реально позволяет сделать заложенное в предлагаемом устройстве техническое решение, поскольку теплопроводность материала между обкладками конденсаторов 4, 5 и 6
величина управляемая посредством подбора диэлектрика с нужными свойствами, то добротность термоэлемента стремится к бесконечности и, как следствие, КПД устройства, в котором он используется будет стремиться к 100%
По оценочным данным КПД прототипа составляет не более 2,5 5% а КПД предлагаемого устройства не менее 25 50% Кроме того, по сравнению с прототипом предлагаемая термоэлектрическая батарея может работать как в стационарном, так и в нестационарном режиме в холодильных устройствах разного объема и хладопроизводительности, что расширяет область его применения.

Промышленная применимость.

Изобретение может быть использовано для создания температурных полей с требуемой конфигурацией и максимальной температурой ниже температуры среды, окружающей произвольный теплоизолированный объем. В частности, оно может быть использовано для создания пониженной температуры в бытовых и промышленных холодильниках, термостатах.

Использование: в холодильной технике, в бытовых и промышленных холодильниках. Сущность изобретения: термоэлектрическая батарея содержит последовательно соединенные термоэлементы с горячими и термоэлементы с холодными спаями, блок электропитания и конденсаторы, установленные между термоэлементами, а также между последними и блоком питания. Каждый термоэлемент снабжен вторым спаем, подключенным к блоку электропитания параллельно первому спаю с противоположным расположением материалов спая, и двумя диодами, установленными последовательно спаям в каждой ветви электрической цепи термоэлемента и имеющим противоположное относительно друг друга расположение анодов и катодов. Блок электропитания выполнен в виде источника переменного тока. Диоды в ветвях цепи могут быть установлены с противоположным относительно друг друга расположением анодов и катодов или идентично. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Термоэлектрическая батарея холодильного устройства, содержащая последовательно соединенные термоэлементы с холодными и/или горячими спаями и блок электропитания, отличающаяся тем, что батарея снабжена конденсаторами, установленными между термоэлементами, а также между последними и блоком питания, а каждый термоэлемент снабжен вторым спаем, подключенным к блоку электропитания параллельно первому спаю с противоположным расположением материалов спая, и двумя диодами, установленными последовательно со спаями в каждой ветви электрической цепи термоэлемента и имеющими противоположное относительно друг друга расположение анодов и катодов, при этом блок электропитания выполнен в виде источника переменного тока. 2. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что в ветвях электрической цепи двух ближайших последовательно размещенных термоэлементов диоды установлены с противоположным относительно друг друга расположением анодов и катодов. 3. Батарея по п. 1, отличающаяся тем, что в ветвях электрической цепи двух ближайших последовательно размещенных термоэлементов диоды установлены идентично.