СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ БАТАРЕИ Российский патент 1997 года по МПК H01L35/28 

Изобретение относится к терморегулированию в полостях объектов преимущественно транспортных средств, холодильных установок и приборных отсеков.

Известно транспортное средство [1] содержащее систему охлаждения с насосом для прокачки рабочего теплоносителя и термобатарею, выполненную на кольцевых термоэлементах, работающих на принципе эффекта Пельтье, подключенной к источнику электропитания через переключатель полярности тока.

В качестве наиболее близкого аналога может быть принят термоэлектрический модуль [2] содержащий m последовательно размещенных по потоку теплоносителя термоэлементов, работающих на принципе эффекта Пельтье с ветвями n и р типа, соединенных металлическими пластинами, расположенными на теплопроводящих элементах.

Изобретение по сравнению с аналогами позволяет повысить КПД термобатареи за счет оптимизации режима по максимальному значению холодильного коэффициента каждого из термоэлементов, что достигается благодаря тому, что термоэлектрическая батарея снабжена многоканальным регулятором температуры, а ветви n и р типа каждого из термоэлементов электрически подсоединены к своим выводам и далее к соответствующим выходам многоканального регулятора температуры.

На фиг. 1 показан общий вид конструкции термоэлектрической батареи; на фиг. 2 функциональная схема регулирования термоэлектрической батареи; на фиг. 3 график зависимости оптимального значения холодильного коэффициента; на фиг.4 график зависимости параметров термоэлемента от тока питания.

Термобатарея состоит из m термоэлементов, работающих на принципе эффекта Пельтье, каждый из которых образован элементами с ветвями n и р типа, соответственно 1 и 2, соединенных последовательно металлическими пластинами 3. Форма элементов (тор, кубики, стержень и др.) определяется конструктивными требованиями к термоэлектрической батареи. В описываемой компоновке термоэлектрической батареи использованы две параллельные линии, размещенные последовательно по потоку теплоносителя термоэлементов, каждая из которых состоит из трех термоэлементов, имеющих форму стержней, уложенных на пластины 3 боковыми гранями. Крайние элементы 1 и 2 каждого термоэлемента электрически подсоединены к своим выходным клеммам 4. Между линиями размещен короб для технологического теплоносителя 5, имеющего с обоих торцов патрубки для подключения к трубопроводу прокачки технологического теплоносителя, а с внешней стороны каждой линии размещены коробы с сотовым заполнителем для усиления теплообмена 6, торцы которых выполнены в виде фланцев для подключения трубопровода прокачки рабочего теплоносителя. Между пластинами 3 и корпусами коробов 5 и 6 имеется электроизоляционная прокладка 7 с высокой теплопроводностью.

Для регулирования режима термобатареи ее комплектуют регулятором температуры, состоящим из датчика температуры 8, задатчика температуры 9, блока сравнения 10, усилителя 11, регулирующего органа 12 и многоканального распределителя 13.

В качестве термоэлементов могут быть применены термоэлектрические охлаждающие модули ТОМ-8-127, ТОМ-6-127, а в качестве регулятора температуры - регуляторы температуры в кабинах и салонах самолетов РТА-16, РТА-32, представляющие собой регуляторы с трехпозиционным релейным выходом, требуемые характеристики регулирования в которых обеспечиваются гибкой обратной связью. Многоканальный распределитель 13 может быть выполнен в виде набора постоянных или переменных резисторов, включенных в цепи питания соответствующих термоэлементов.

Оптимизация режима каждого из термоэлементов основывается на его свойстве, а именно зависимости оптимального значения холодильного коэффициента от разности температур (Т_0i Т_1i ) рабочих поверхностей (горячего и холодного спаев) термоэлемента и, следовательно, имеющую от нее прямую зависимость разность температур технологического и рабочего теплоносителей, поступающих на данный термоэлемент i. На графике фиг.3 приведена указанная зависимость для различных значений термоэлектрической добротности термоэлемента Z (при Т₀ 300К), определяемой его конструктивными параметрами и равными соответственно: 1) Z 10^-3К^-1; 2) Z 2•10^-3К^-1; 3) Z 3•10^-3К_-1. Исходя из указанной зависимости оптимальный режим теплосъема определяют из выражения
Q_xi = П•I_i-0,5I2i

•R_i-κ_o(T_oi-T_1i)
где Q_xi количество тепла, отбираемого термоэлементов;
I_i ток через i термоэлемент, соответствующий максимальному значению холодильного коэффициента ε_i, определяют из выражения

где П коэффициент Пельтье для данного термоэлемента;
R_i внутреннее электрическое сопротивление термоэлемента;
Z₀ термоэлектрическая добротность термоэлемента;
Т_0i температура поверхности термоэлемента, контактирующей с технологическим теплоносителем;
Т_1i температура поверхности термоэлемента, контактирующей с рабочим теплоносителем;
κ_o теплопроводность термоэлемента.

Зависимость тепловых характеристик термоэлемента от тока через него протекающего приведены на графике фиг.4, где:
1) Qдж f(I) зависимость джоулевого тепла от тока;
2) Тхс f(I) зависимость температуры холодного спая от тока;
3) ΔQ = F(I) зависимость поглощенного тепла в спае от тока.

При этом общее количество тепла, отбираемого от теплоносителя, определяют из выражения

Таким образом, при прокачивании через короб 6 рабочего теплоносителя, например воздуха, и подаче тока соответствующей величины в термоэлемент, в зависимости от полярности тока происходит нагрев или охлаждение рабочего теплоносителя, а с помощью технологического теплоносителя, например воды или воздуха, прокачиваемого через короб 5, происходит снятие тепла (холода).

Изменение тока через термоэлемент с помощью регулятора осуществляют в функции температуры объекта, измеряемой датчиком 8, сравнения сигнала с него в блоке 10 с заданной температурой, устанавливаемой задатчиком 9. Разностный сигнал с блока сравнения поступает на вход усилителя 11, где он корректируется и усиливается в зависимости от принятого закона регулирования, например с помощью гибкой обратной связи, и далее через регулирующий орган 12 (в РТА-16 и РТА-32 трехпозиционное реле) и многоканальный распределитель 13 подается на клеммы 4 соответствующих термоэлементов. Оптимальное значение тока для каждого термоэлемента, соответствующее максимальному холодильному коэффициенту, устанавливается с помощью резистора данного канала. При необходимости меньшей теплоотдачи оптимальность режима сохраняется, но общее потребление энергии сокращается за счет уменьшения интегрального сигнала управления, например за счет скважности управляющего сигнала, как это имеет место в вышеупомянутых регуляторах.

Предлагаемые способ и устройство его реализующее обеспечивают увеличение КПД по сравнению с аналогичными устройствами не менее чем на 30%
ЛИТЕРАТУРА
1. РФ, патент 2031007, кл. В 60 Н 1/04, 1992.

2. РФ, патент 2033583, кл. F 25 D 21/22, 1993.

Использование: изобретение относится к терморегулированию среды в полостях объектов, преимущественно транспортных средств, холодильных установок и приборных отсеков. Сущность изобретения в оптимизации режима по максимальному значению холодильного коэффициента каждого из термоэлементов, работающих на эффект Пельтье, размещенных последовательно по потоку теплоносителя. 4 ил.

Способ регулирования режима термоэлектрической батареи, содержащей m последовательно размещенных по потоку теплоносителя термоэлементов, работающих на принципе эффекта Пельтье с ветвями n- и p-типа, отличающийся тем, что режим каждого термоэлемента определяют из выражения
Q_xi = П•I_i - 0,5I2i

•R_i - κ_o(T_oi - T_1i),
где Q_x i количество тепла, отбираемое в термоэлементе;
П коэффициент Пельтье для данного термоэлемента;
I_i ток через i-й термоэлемент, соответствующий максимальному значению холодильного коэффициента ε_i, определяют из выражения

T_0 i температура поверхности термоэлемента, контактирующей с технологическим теплоносителем;
T_1 i температура поверхности термоэлемента, контактирующей с рабочим теплоносителем;
R_i внутреннее электрическое сопротивление термоэлемента;
Z₀ термоэлектрическая добротность термоэлемента;
κ_o - теплопроводность термоэлемента,
при этом общее количество тепла, отбираемое от теплоносителя, определяют как

а режим каждого из термоэлементов регулируют автономно путем изменения тока, через него протекающего.