СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБЪЕКТА КАСКАДНОЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ БАТАРЕЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F25B21/02 H01M10/50 

Изобретение относится к холодильной технике, конкретнее к термоэлектрическим охладителям, и может быть использовано при создании бытовых, промышленных, торговых холодильников и морозильников, а также медицинских и специальных термоохлаждающих приборов и термостатирующих устройств.

Известен способ термоэлектрического охлаждения, основанный на эффекте Пельтье, в котором при пропускании тока через термоэлемент его один спай нагревается, а другой охлаждается [1] Для получения достаточной степени охлаждения термоэлементы соединяют в последовательную электрическую цепь, образуя термоэлектрическую батарею.

Реализация этого способа обусловливает, однако, резкое уменьшение холодильного коэффициента, определяемого отношением отводимого теплового потока к потребляемой электрической мощности, при увеличении перепада температур между горячими и холодными спаями термобатареи.

Известен способ охлаждения, основанный на использовании каскадной термоэлектрической батареи [2] Данный способ состоит в том, что перенос тепла от объекта осуществляется от каскада к каскаду при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока до выхода ее на стационарный режим работы.

Холодные спаи первого каскада отводят от охлаждаемого объекта тестовой поток, который в совокупности с потребляемой этим каскадом мощностью передается на холодные спаи второго каскада. Тепловой поток, отводимый от охлаждаемого объекта, поступает на холодные спаи третьего каскада уже в совокупности с суммарной электрической мощностью, потребляемой первым и вторым каскадами батареи и т.д. Таким образом каждый последующий каскад батареи должен иметь по сравнению с предшествующим ему каскадом большую холодопроизводительность, что обычно достигается увеличением числа термоэлементов от каскада к каскаду. В связи с этим повышение холодопроизводительности каскадной батареи сопряжено с резким увеличением количества дорогостоящих и дефицитных полупроводниковых материалов. Электрическая мощность, потребляемая каскадной термоэлектрической батареей, представляет собой сумму электрических мощностей, потребляемых каждым ее каскадом.

Применение указанного способа охлаждения целесообразно при необходимости получения относительно небольших перепадов температур (порядка 30 К) между горячими и холодными спаями термоэлектрической батареи.

Стремление увеличить этот перепад температур более 50 K путем увеличения каскадов приводит к резкому возрастанию потребляемой электрической мощности. Поэтому использование термоэлектрических батарей с количеством каскадов более трех считается непрактичным и в большинстве случаев является технически трудно осуществимой задачей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ охлаждения и устройство для его осуществления, основанный на использовании каскадной термоэлектрической батареи, в котором перенос тепла от объекта и от каскада к каскаду осуществляют при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока до выхода ее на стационарный режим работы, соответствующий требуемой температуре охлаждаемого объекта, перенос тепла, отводимого от объекта, осуществляют последовательными во времени порциями от каскада к каскаду с промежуточным накоплением тепловой энергии на тепловых аккумуляторах [3]
Однако данный способ не обеспечивает быстрого выхода на стационарный режим, а в стационарном режиме данный способ и устройство не обеспечивают оптимального режима работы термоэлектрических батарей при различных температурах окружающей среды, что приводит к возрастанию потребляемой электрической мощности. Он также не обеспечивает точной компенсации теплопритока внутрь охлаждаемого объекта при изменении температуры окружающей среды.

Задача, решаемая изобретением, состоит в создании способа охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей и устройства для его осуществления, лишенного недостатков прототипа.

Технический результат, который дает осуществление изобретения заключается в быстром достижении стационарного режима, возможности поддержания требуемой температуры внутри охлаждаемого объекта при любой температуре окружающей среды с большей точностью, а также в обеспечении максимального холодильного коэффициента, т.е. минимального потребления электрической энергии независимо от изменения температуры окружающей среды.

Это достигается тем, что в способе охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей путем переноса тепла от объекта при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока предварительно определяют величины токов для рабочего диапазона изменений температур окружающей среды и объекта при условии обеспечения максимального холодильного коэффициента, в момент включения батареи подают токи, величины которых соответствуют температурам окружающей среды и объекта на момент включения, которые регулируют в зависимости от изменения температуры окружающей среды и объекта; что в момент включения батареи регулируемые токи подают исходя из условия заданного времени выхода на режим.

А устройство для охлаждения объекта, реализующее предлагаемый способ охлаждения, содержащее холодильную камеру с установленным в ней датчиком температуры объекта и датчиком температуры окружающей среды, установленным на внешней ее части, термоэлектрическую батарею, установленную на объекте, блок питания, стабилизаторы тока, соединенные с термоэлектрической батареей, блок управления с компараторами, к которому подключены датчики температуры объекта и окружающей среды, снабжено тремя сумматорами и делителем напряжения, компараторы выполнены в виде триггеров Шмитта; блок управления выполнен в виде двух усилителей, вход одного из которых соединен с датчиком температуры объекта, а вход другого с датчиком температуры окружающей среды, а выходы соединены с первым сумматором и триггером Шмитта, причем выход первого сумматора соединен с вторым сумматором непосредственно, а с третьим сумматором через делитель напряжения, выходы второго и третьего сумматоров соединены с первыми управляющими входами стабилизаторов тока каждой ступени термоэлектрической батареи, вторые управляющие входы которых соединены с выходом триггера Шмитта; блок питания выполнен в виде импульсного преобразователя напряжения с бестрансформаторным входом; управляемый стабилизатор тока выполнен в виде импульсного стабилизатора тока.

Достигаемый технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков в способе охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей и устройства для его осуществления.

Заявитель не обнаружил технических решений, имеющих признаки, сходные с признаками, отличающие заявляемое решение от прототипа как для способа, так и устройства его осуществления, следовательно, предлагаемые технические решения обладают существенными отличиями.

На фиг. 1 приведена графическая зависимость токов питания для двухступенчатой термоэлектрической батареи от температуры окружающей среды, рассчитанная заранее; на фиг. 2 функциональная схема устройства охлаждения объекта, реализующая данный способ; на фиг. З временная диаграмма работы охлаждающего устройства; на фиг. 4 вариант функциональной схемы импульсного блока питания; на фиг. 5 вариант функциональной схемы импульсного стабилизатора тока.

В соответствии с предлагаемым способом охлаждения термоэлектрические батареи с момента включения до выхода на стационарный режим работают в режиме форсированных токов, соответствующих заданному времени выхода на режим. При достижении требуемой температуры охлаждаемого объекта каскадная батарея переключается в следящий режим работы, т.е. каждый каскад управляется током, соответствующим минимальному потреблению электрической энергии для каждого значения температуры окружающей среды при постоянном значении температуры охлаждаемого объекта.

Для этого перед началом охлаждения рассчитываются значения токов питания каждой ступени батареи для каждого значения температуры окружающей среды при фиксированной температуре внутри охлаждаемого объекта исходя из теплового баланса внутри термоэлектрической батареи.

Зависимость холодильного коэффициента ε многокаскадной батареи от ее холодопроизводительности при любом температурном перепаде между холодной и горячей сторонами батареи имеет максимум (, где Q_о - холодопроизводительность термоэлектрической батареи, a W потребляемая батареей электрическая мощность).

Зависимость холодопроизводительности термоэлектрического каскада от подводимого тока питания также имеет максимум для любого температурного перепада. Таким образом, если расчет термоэлектрической батареи проводить на температуру окружающей среды T_oc1 при условии поддержания требуемой температуры внутри теплоизолированного объекта с минимальным потреблением электрической энергии, т.е. на компенсацию теплопритока Q_k k(T_oc-T_k), (где k коэффициент теплопередачи тепловой изоляции охлаждаемого объекта) внутрь объекта при температуре окружающей среды Т_oc2 <Т_oc1 с теми же токами питания, то батарея будет работать не в оптимальном режиме. Это справедливо и для случая Т_ос2 > Т_oс1.

Если же регулировать токи каскадов в соответствии с температурой окружающей среды, то обеспечится полная компенсация теплопритока внутрь охлаждаемого объекта. Это соответствие токов можно определить исходя из системы уравнений, описывающих тепловой баланс внутри батареи

где n число термоэлектрических охлаждающих батарей;
α_b коэффициент термоЭДС термоэлектрической батареи;
R_b электрическое сопротивление термоэлектрической батареи;
σ_b тепловое сопротивление термоэлектрической батареи;
Q_k теплоприток внутрь охлаждаемого объекта;
N число ступеней термоэлектрической батареи;
W_i электрическая мощность, потребляемая i-той ступенью термоэлектрической батареи;
η₀ коэффициент теплопередачи от объекта к термоэлектрической батарее;
η₁ коэффициент теплопередачи теплорассеивающей системы (радиатора) к окружающей среде;
ε холодильный коэффициент;
I_i регулируемый ток i-той ступени термоэлектрической батареи,
Т_i температура холодной стороны i-той ступени термоэлектрической батареи;
Т_о температура холодной стороны термоэлектрической батареи;
T_n температура горячей стороны термоэлектрической батареи.

Эта система уравнений решается методом вариации переменных при постоянных a_b, R_b, σ_b, n, N, η₀, η₁ для конкретной теплоизоляции охлаждаемого объекта (k=const) с неизменной температурой внутри объекта Т_k для ряда температур окружающей среды. В результате получают ряд значений токов каждой ступени N-ступенчатой термоэлектрической батареи.

Например, на фиг. 1 представлена графическая зависимость токов питания от температуры окружающей среды для двухступенчатой термоэлектрической батареи, рассчитанных по вышеописанной системе уравнений.

Устройство, реализующее данный способ охлаждения, автоматически изменяет токи на всех ступенях N-ступенчатой термоэлектрической батареи при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне изменений Т_ос по заранее рассчитанному ряду соответствий T_ос ←_→ I_i, поддерживая заданную температуру внутри охлаждаемого объекта неизменной.

Устройство, реализующее предложенный способ охлаждения объекта, представленное на фиг. 2, выполнено для двухступенчатой термоэлектрической батареи и работает в автоматическом режиме при изменении температуры окружающей среды и объекта. Устройство содержит блок питания 1, датчик температуры окружающей среды 2, первый и второй усилители 3 и 4, сумматоры 5, 9 и 10, источники опорного напряжения 6 и 7, делитель напряжения 8, триггер Шмитта 11. Устройство охлаждения содержит также импульсные стабилизаторы тока 12 и 13, две ступени 14 и 15 термоэлектрической батареи и датчик температуры объекта 16.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на охлаждающее устройство напряжения от источника питания 1, выполненного в виде импульсного преобразователя напряжения с бестрансформаторным входом, принципиальная схема которого изображена на фиг. 4, сигналы от датчиков температур 2 и 16 поступают соответственно на входы усилителей 3 и 4, а с их выходов на входы сумматора 5, где суммируются сигналы от датчиков 2 и 16, а сигнал с усилителя 4 поступает также на триггер Шмитта 11. С выхода сумматора 5 сигнал поступает на сумматор 9 непосредственно, а на вход сумматора 10 через делитель 8. В сумматорах 9 и 10 управляющие сигналы суммируются с опорными напряжениями, поступающими от источников опорного напряжения 7 и 6, а с выхода сумматоров управляющие сигналы подаются на первые управляющие входы импульсных стабилизаторов тока 12 и 13, принципиальная схема которых изображена на фиг. 5. На вторые управляющие входы стабилизаторов подается управляющий сигнал с выхода триггера Шмитта 11.

В начальный момент времени t₀ (фиг. 3) температура охлаждаемого объекта значительно отличается от заданной, поэтому сигнал от датчика 16 имеет большую величину, и уровень напряжения на выходе усилителя 4 превышает верхний порог срабатывания триггера Шмитта 11. При этом триггер Шмитта срабатывает, на его выходе появляется управляющее напряжение высокого уровня, которое подается на входы стабилизаторов тока и устанавливает токи питания термоэлектрических батарей, соответствующие значениям форсированного режима.

Температура объекта быстро понижается до заданного значения (интервал t₀ t₁ фиг. 3). В момент достижения объектом заданной температуры (t₁ фиг. 3) сигнал датчика 16, а, следовательно, и напряжение на выходе усилителя 4, понижается ниже нижнего порога срабатывания триггера Шмитта 11, происходит обратное переключение триггера Шмитта, и управляющий сигнал на его выходе пропадает.

С этого момента стабилизаторы тока 12 и 13 начинают управляться сигналами с выходов сумматоров 9 и 10, и токи термобатарей устанавливаются соответственно расчетным значениям, обеспечивающим максимальный холодильный коэффициент для температуры окружающей среды и температуры объекта в данный момент времени (t₁ фиг. 3).

Если температура окружающей среды не изменяется, то и токи термобатарей также неизменны (интервал t₁ t₂ фиг. 3).

При повышении температуры окружающей среды увеличивается сигнал датчика 2, который проходит через усилитель 3, сумматоры 5, 9 и 10 и соответственно увеличивает токи термобатареи (интервал t₂ t₃ фиг. 3). Величины токов снова соответствуют ε_max для новых значений Т_oc.

При понижении Т_oс токи так же уменьшаются (интервал t₃ - t₄ фиг. 3). Величины токов при этом все время соответствуют ε_max.

Температура внутри охлаждаемого объекта при этом остается неизменной.

В случае резкого повышения температуры охлаждаемого объекта (например при загрузке большого количества продуктов в холодильник) сигнал датчика 16 увеличивается, управляющее напряжение с выхода усилителя 4 превышает порог срабатывания триггера Шмитта 11, и на выходе триггера Шмитта появляется сигнал высокого уровня, который устанавливает в стабилизаторах 12 и 13 токи форсированного режима (t₅ фиг. 3). Температура объекта быстро понижается и достигает заданного значения (интервал t₅ t₆ фиг. 3) и устройство управления снова возвращается в следящий режим работы.

Выполнение источника питания 1 в виде импульсного преобразователя напряжения с бестрансформаторным входом по схеме, представленной на фиг. 4, позволяет существенно повысить КПД охлаждающего устройства и обеспечить его работоспособность в широком диапазоне изменений величин и частоты питающего напряжения. Это достигается тем, что постоянное напряжение с выпрямителя 17 поступает на устройство запуска 18, вырабатывающее питающее напряжение для каскада управления 20, которое выдает управляющее напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой порядка нескольких десятков килоГерц, которые управляют состоянием мощного транзистора ключевого каскада 19, нагрузкой которого является первичная обмотка импульсного высокочастотного трансформатора (ИВТ) 22. Наводимые во вторичной обмотке ИВТ 22 импульсные напряжения прямоугольной формы выпрямляются и сглаживаются вторичными выпрямителями 23 и 24. Импульсный трансформатор 22 гальванически развязывает вторичные цепи от источника питания U_сети. При изменении напряжения сети или сопротивления нагрузки устройство стабилизации 21 через схему управления 20 изменяет время открытого состояния ключевого каскада таким образом, что напряжения на выходах вторичных выпрямителей остаются неизменными.

Выполнение управляемых стабилизаторов тока 12 и 13 в виде импульсных стабилизаторов тока по схеме, представленной на фиг. 5, позволяет обеспечить заданный внешним управляющим сигналом закон изменения силы тока через термоэлектрическую батарею независимо от изменения термоЭДС и внутреннего сопротивления батареи в широком диапазоне значений токов (в 10 и более раз) с сохранением высокого КПД.

Это достигается тем, что поступающее на управляемый стабилизатор тока питающее напряжение постоянного тока преобразуется регулирующим блоком 25 в последовательность прямоугольных импульсов, длительность которых зависит от управляющего напряжения схемы управления 28.

Напряжение в виде прямоугольных импульсов после сглаживающего фильтра 26, выполненного по схеме дроссель L диод D конденсатор C, поступает в нагрузку. В качестве регулирующего блока может быть использован мощный транзистор, работающий в режиме переключений. При открытом транзисторе энергия от источника питания передается в нагрузку через дроссель L сглаживающего фильтра 26, в котором одновременно энергия и накапливается. При закрытом транзисторе эта накопленная энергия через диод D фильтра 26 передается в нагрузку. Конденсатор С фильтра 26 служит для сглаживания пульсации тока нагрузки.

Величина тока нагрузки определяется длительностью импульсов схемы управления 28. Длительность импульсов, вырабатываемых схемой управления 28, определяется величиной внешнего управляющего сигнала U_упр, подаваемого на ее вход. Длительность импульса также зависит и от величины сигнала, поступающего от измерительного элемента 27, который включен последовательно с нагрузкой, он выдает сигнал, пропорциональный силе тока нагрузки, на схему управления 28.

При изменении сопротивления или противоЭДС нагрузки, цепь обратной связи, состоящая из измерительного элемента 27 и схемы управления 28, изменяет длительность управляющих импульсов, а следовательно, и время открытого состояния транзистора таким образом, что ток I_н остается постоянным, а величина его задается внешним сигналом, подаваемым на вход схемы управления 28.

Использование: в холодильной технике, конкретнее при проектировании термоэлектрических охладителей для бытовых, промышленных, торговых холодильников и морозильников, а также медицинских и специальных термоохлаждающих приборов. Сущность изобретения: способ охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей основан на переносе тепла от объекта при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного тока; при этом предварительно определяют величины регулируемых токов для рабочего диапазона изменений температур окружающей среды и объекта при условии обеспечения максимального холодильного коэффициента, а момент включения батареи регулируемые токи подают в соответствии с температурой окружающей среды, которые регулируют в зависимости от изменения температуры окружающей среды и объекта. В момент включения батареи токи подают в соответствии с заданным временем выхода на режим. В устройстве, работающем по данному способу, блок управления выполнен в виде двух усилителей, вход одного из которых соединен с датчиком температуры объекта, а вход другого - с датчиком окружающей среды. Его выходы соединены с первым сумматором и триггером Шмитта, а выход первого сумматора соединен с вторым сумматором непосредственно, а с третьим сумматором через делитель напряжения, выходы второго и третьего сумматоров соединены с управляющими входами стабилизаторов тока каждой ступени термоэлектрической батареи, вторые управляющие входы которых соединены с выходом триггера Шмитта. Блок питания и управляемый стабилизатор тока могут быть выполнены в виде импульсного преобразователя напряжения и импульсного стабилизатора тока. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ охлаждения объекта термоэлектрической батареей путем переноса тепла от объекта при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока, отличающийся тем, что предварительно определяют величины регулируемых токов для рабочего диапазона изменений температур окружающей среды и объекта при условии обеспечения максимального холодильного коэффициента, а в момент включения батареи регулируемые токи подают в соответствии с температурой окружающей среды, которые регулируют в зависимости от изменения температуры окружающей среды и объекта. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в момент включения батареи регулируемые токи подают исходя из условия заданного времени выхода на режим. 3. Устройство для охлаждения объекта, содержащее холодильную камеру с установленным в ней датчиком температуры объекта и датчиком температуры окружающей среды, установленным на внешней ее части, термоэлектрическую батарею, установленную на объекте, блок питания, стабилизаторы тока, соединенные с термоэлектрической батареей, блок управления с компараторами, к которому подключены датчики температуры объекта и окружающей среды, отличающееся тем, что оно снабжено тремя сумматорами и делителем напряжения, причем компараторы выполнены в виде триггеров Шмитта, блок управления выполнен в виде двух усилителей, вход одного из которых соединен с датчиком температуры объекта, а вход другого соединен с датчиком температуры окружающей среды, а выходы соединены с первым сумматором и триггером Шмитта, причем выход первого сумматора соединен с вторым сумматором непосредственно, а с третьим сумматором через делитель напряжения, выходы второго и третьего сумматоров соединены с управляющими входами стабилизаторов тока каждой ступени термоэлектрической батареи, вторые управляющие входы которых соединены с выходом другого триггера Шмитта. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что блок питания выполнен в виде импульсного преобразователя напряжения с бестрансформаторным входом. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что управляемый стабилизатор тока выполнен в виде импульсного стабилизатора тока.