ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ БЛОК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F25B21/02 F28D15/02 

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам и может быть использовано в качестве теплового насоса или холодильной машины, реализующих эффект Пельтье, для нагрева или охлаждения газов, жидкостей и других тел, а также в качестве электрогенератора, реализующего эффект Зеебека.

Известен термоэлектрический блок холодильника, содержащий термоэлектрическую батарею и тепловую трубу, зона испарения которой примыкает к горячим спаям термобатареи, а зона конденсации для интенсификации теплообмена и снижения потребляемой мощности выполнена в виде разветвленной оребренной трубчатой поверхности, расположенной симметрично с уклоном книзу над зоной испарения (а.с. СССР N 464769, кл. F 25 B 21/02, 1973). Однако данный блок обладает низкой компактностью, обусловленной громоздким пространственным расположением теплообменников.

Известен также охлаждающий блок Пельтье, содержащий термоэлектрическую батарею, на холодных и горячих спаях которой в тепловом контакте установлены тепловые трубы в виде бесфитильного замкнутого циркуляционного контура (заявка Германии N 3937017, кл. A 25 B 21/02, 1989). Однако для него свойственны те же недостатки, что и для предыдущего устройства. Кроме того, данный блок обладает низким коэффициентом преобразования.

Известен термоэлектрический блок автомобильного холодильника, содержащий 2-10 термобатарей, на холодных и горячих спаях которых установлены в тепловом контакте тепловые трубы, продольные оси которых параллельны поверхностям спаев (патент России N 2008521, кл. F 25 B 21/02, 1991). Однако данный блок обладает низким коэффициентом преобразования (в данном случае холодильным коэффициентом), а также низкой компактностью. Это обусловлено тем, что наружная теплообменная поверхность тепловых труб теплоизолирована на большей части, как на охлаждающей стороне, так и на теплоотводящей, в связи с чем существенно снижается теплопередающая способность тепловых труб, что приводит как к снижению коэффициента преобразования (в данном случае являющегося холодильным коэффициентом), так и к увеличению габаритов блока для обеспечения требуемой холодопроизводительности.

В качестве прототипа выбран термоэлектрический блок, содержащий реверсивную термобатарею, на противоположных спаях которой установлены с тепловым контактом выполненные в виде бесфитильного, заполненного теплоносителем замкнутого контура гидравлически соединенные между собой трубопроводом с запорным органом тепловые трубы, имеющие соединенные посредством изгиба прямолинейные участки, продольные оси которых параллельны поверхности спаев термобатареи и смещены относительно друг друга, при этом один из участков примыкает к поверхности соответствующих спаев (а.с. СССР N 1688075, кл. F 25 B 21/02. 1989). Однако для данного термоэлектрического блока характерна низкая компактность, обусловленная громоздким пространственным расположением теплообменников, арматуры и вспомогательных трубопроводов, и, кроме того, низкий коэффициент преобразования (холодильный или отопительный коэффициенты) в связи с малой эффективностью полезного использования теплообменной поверхности тепловых труб как в зоне кипения, так и в зоне конденсации.

Задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, - создать термоэлектрический блок, обладающий высокой эффективностью и компактностью и обеспечивающий возможность его использования в качестве теплового насоса, холодильной машины, а также электрогенератора.

Технический результат - повышение коэффициента преобразования и компактности термоэлектрического блока.

Указанный технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом блоке по первому варианту, содержащем по меньшей мере одну термобатарею, на холодных и горячих спаях которой установлены в тепловом контакте тепловые трубы, продольные оси которых параллельны поверхностям упомянутых спаев, согласно изобретению, каждая тепловая труба выполнена с изгибом, образующим два участка, продольные оси которых смещены относительно друг друга, при этом один из участков примыкает к поверхности соответствующих спаев, а другой ориентирован таким образом, что его продольная ось смещена по отношению к продольной оси предыдущего участка в направлении от этой поверхности к центру термобатареи, причем, в случае выполнения блока содержащим более одной термобатареи, последние установлены так, что каждая последующая термобатарея с установленными на ее спаях тепловыми трубами примыкает к предыдущей со стороны одноименных спаев.

Усилению указанного технического результата способствует то, что тепловые трубы, установленные по меньшей мере на одноименных спаях, выполнены идентичными между собой, а продольные оси упомянутых участков тепловой трубы, установленной на одних из спаев термобатареи, смещены относительно друг друга на расстояние, определяемое соотношением:
e = 0,5(b + c),
где
e - расстояние между продольными осями двух участков тепловой трубы, установленной на одних из спаев термобатареи;
b - толщина термобатареи:
c- толщина тепловой трубы, установленной на противоположных спаях данной термобатареи.

Указанный технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом блоке по второму варианту, содержащем четное число термобатарей, на холодных и горячих спаях которых установлены в тепловом контакте тепловые трубы, продольные оси которых параллельны поверхностям упомянутых спаев, согласно изобретению, каждая последующая термобатарея с установленными на ее спаях тепловыми трубами примыкает к предыдущей со стороны одноименных спаев, тепловые трубы, размещенные на одноименных спаях, обращенных внутрь в каждой паре термобатарей, установлены так, что одна тепловая труба является общей для двух термобатарей в каждой последовательно установленной паре, а тепловые трубы, размещенные на противоположных спаях каждой термобатареи, выполнены с изгибом, образующим два участка, продольные оси которых смещены относительно друг друга, при этом один из участков примыкает к поверхности спаев, а другой ориентирован таким образом, что его продольная ось смещена по отношению к продольной оси предыдущего участка в направлении от этой поверхности к центру термобатареи.

Усилению указанного технического результата по второму варианту способствует выполнение тепловых труб, установленных по меньшей мере на одноименных спаях, идентичными между собой, а также смещение продольных осей двух участков выполненных с изгибом тепловых труб на расстояние, определяемое соотношением:
e = 0,5(b+0,5c₁),
где
e - расстояние между продольными осями двух участков выполненной с изгибом тепловой трубы;
b - толщина термобатареи;
c₁ - толщина тепловой трубы, являющейся общей для двух термобатарей.

Указанный технический результат достигается тем, что термоэлектрический блок по третьему варианту, содержащий четное число термобатарей, на одних одноименных спаях которых установлены в тепловом контакте с последними тепловые трубы, продольные оси которых параллельны поверхностям упомянутых спаев, согласно изобретению, снабжен теплообменниками, установленными в тепловом контакте на противоположных одноименных спаях термобатарей, при этом каждая последующая термобатарея с установленными на ее спаях теплообменником и тепловой трубой примыкает к предыдущей со стороны одноименных спаев, причем упомянутые теплообменники размещены на спаях, обращенных внутрь в каждой паре термобатарей, и установлены так, что один теплообменник является общим для двух термобатарей в каждой последовательно установленной паре, а тепловые трубы выполнены с изгибом, образующим два участка, продольные оси которых смещены относительно друг друга и установлены таким образом, что один из участков примыкает к поверхности соответствующих спаев, а другой ориентирован так, что его продольная ось смещена по отношению к продольной оси предыдущего участка в направлении от этой поверхности к центру термобатареи.

Усилению указанного технического результата по третьему варианту способствует выполнение тепловых труб и теплообменников идентичными между собой, а также смещение продольных осей упомянутых участков тепловой трубы на расстояние, определяемое соотношением:
e = 0,5(b+0,5d),
где
e - расстояние между продольными осями двух участков выполненной с изгибом тепловой трубы;
b - толщина термобатареи;
d - толщина теплообменника.

Кроме того, усилению указанного технического результата по каждому из трех вариантов способствует выполнение тепловых труб плоскими многоканальными.

Выполнение по первому варианту тепловых труб, установленных на холодных и горячих спаях, с изгибом, образующим два участка, продольные оси которых смещены относительно друг друга в соответствующем направлении, а также вышеуказанное соответствующее взаимное расположение термобатарей с установленными на их спаях тепловыми трубами позволяет повысить компактность заявляемого блока, а также увеличить, по сравнению с прототипом, поверхность теплообмена, в результате чего повышается теплопередающая способность тепловых труб блока, что в конечном итоге приводит к повышению коэффициента преобразования, который в случае использования термоэлектрического блока в качестве теплового насоса является отопительным коэффициентом, холодильной машины - холодильным, а в качестве электрогенератора - коэффициентом полезного действия.

Установка на одноименных спаях, обращенных внутрь в каждой паре термобатарей, по второму варианту - тепловых труб, а по третьему - теплообменников таким образом, что по второму варианту одна тепловая труба, а по третьему - один теплообменник являются общими для двух термобатарей в каждой последовательно установленной паре и выполнение тепловых труб, установленных на противоположных спаях термобатарей по этим двум вариантам, как и по первому, с изгибом, образующим два участка, продольные оси которых смещены относительно друг друга в соответствующем направлении, также способствует повышению коэффициента преобразования и компактности блока за счет двухкратного увеличения теплообменной поверхности тепловой трубы или теплообменника в месте контакта с поверхностями термобатарей, способствующему снижению их термического сопротивления.

Выполнение тепловых труб, установленных по меньшей мере на одноименных спаях термобатарей, идентичными между собой и смещение продольных осей упомянутых участков трубы относительно друг друга на расстояние, определяемое соответствующим для каждого из трех вариантов соотношением, позволяет обеспечить возможность расположения всех тепловых труб на одинаковом расстоянии друг от друга, что в свою очередь приводит к выравниванию условий теплообмена всех поверхностей тепловых труб с окружающей средой и обеспечить одинаково высокую эффективность работы каждой термобатареи термоэлектрического блока, что в конечном итоге увеличивает коэффициент преобразования упомянутого блока и повышает его компактность.

Выполнение тепловых труб плоскими многоканальными по всем трем вариантам способствует интенсификации теплообмена за счет развития внутренней поверхности теплообмена, лучшей циркуляции теплоносителя по каналам трубы, что приводит в свою очередь к еще большему повышению теплопередающей способности в связи со снижением термического сопротивления и соответственно к повышению коэффициента преобразования и компактности.

На фиг.1, 2 и 3 изображены схемы термоэлектрических блоков соответственно по первому, второму и третьему вариантам; на фиг.4 - поперечный разрез тепловой трубы.

Термоэлектрический блок содержит термобатареи 1 по первому (фиг.1) и второму (фиг.2) вариантам на холодных и горячих, а по третьему (фиг.3) - на горячих спаях которых установлены с помощью теплопроводной пасты тепловые трубы 2, выполненные в виде герметизированных алюминиевых плоских многоканальных труб, частично заполненных теплоносителем и снабженных наружным оребрением 3. Каждая тепловая труба 2, установленная по первому варианту на холодных и горячих спаях термобатареи 1, а по второму и третьему вариантам - на горячих спаях, выполнена с изгибом, образующим два участка 4 и 5, продольные оси которых параллельны поверхностям спаев и смещены относительно друг друга, при этом участок 4 примыкает к поверхности соответствующих спаев, а участок 5 ориентирован таким образом, что его продольная ось смещена относительно продольной оси участка 4 в направлении от поверхности этих спаев к центру термобатареи 1 на расстояние, определяемое соотношением: e=0,5(b+c) (по первому варианту); e=0,5(b+0,5c₁) (по второму варианту) и e=0,5(b+0,5d) (по третьему варианту), благодаря чему в блоке обеспечивается одинаковое расстояние между тепловыми трубами 2, как в случае, когда они выполнены идентичными на холодных и горячих спаях, как показано на фиг., так и в случае, если на одних спаях тепловые трубы выполнены одной толщины, а на противоположных - другой (на фиг. не показано). На холодных спаях термобатарей по третьему варианту установлены с помощью теплопроводной пасты проточные жидкостные теплообменники 6. Термобатареи 1 с размещенными на их спаях по первому и второму варианту тепловыми трубами 2, а по третьему - тепловыми трубами 2 и теплообменниками 6 примыкают друг к другу со стороны одноименных спаев.

На противоположных спаях термобатарей 1 тепловые трубы 2 по второму варианту выполнены без изгиба и так же, как и теплообменники 6 по третьему варианту установлены на спаях, обращенных внутрь в каждой паре термобатарей 1, причем так, что одна тепловая труба 2 по второму варианту и один теплообменник 6 по третьему варианту являются общими для двух термобатарей 1 в каждой последовательно установленной паре.

Термоэлектрический блок собран в единое целое с помощью механических стяжек 7. Торцевые поверхности термобатарей 1 герметизированы с помощью теплоизолирующего материала пенополиуретана 8.

Термоэлектрический блок работает следующим образом. В режиме холодильной машины при включенных термобатареях на холодных спаях поддерживается температура ниже температуры воздуха, окружающего оребренную поверхность 5 тепловой трубы 2. При возникновении перепада температур между зонами кипения и конденсации тепловой трубы 2 находящийся внутри нее легкокипящий теплоноситель начинает кипеть в зоне подвода теплоты от окружающего воздуха, перемещаться по каналам плоской трубы в зону отвода теплоты и конденсироваться на внутренней поверхности тепловой трубы 2, прижатой к холодным спаям термобатареи 1. Таким образом осуществляется подвод теплоты от окружающего тепловую трубу воздуха к холодным спаям. На горячих спаях поддерживается температура выше температуры окружающего воздуха, обдувающего оребренные поверхности 5 тепловых труб 2, имеющих тепловой контакт с данными спаями. При возникновении разности температур по длине тепловой трубы 2, в ней начинает кипеть легкокипящий теплоноситель в зоне, имеющей тепловой контакт с горячими спаями термобатареи. Пар по каналам трубы перемещается в зону, обдуваемую окружающим воздухом, где конденсируется на холодной внутренней поверхности 5 и передает теплоту воздуху.

Таким образом, все тепловые трубы, имеющие тепловой контакт с холодными спаями термобатареи, отводят теплоту от окружающего их воздуха, а тепловые трубы, имеющие тепловой контакт с горячими спаями, передают теплоту от них к другому потоку воздуха. Выполнение тепловых труб 2 с изгибом, образующим два участка 4 и 5, продольные оси которых смещены друг относительно друга на соответствующее расстояние, позволяет скомпоновать термоэлектрический блок таким образом, что между соседними участками 5 тепловых труб 2 образуются одинаковые узкие щелевые каналы для прохода воздуха, которые способствуют повышению коэффициента теплопередачи в этой зоне тепловой трубы и повышению, в конечном итоге, коэффициента преобразования (холодильного коэффициента).

Отвод теплоты от окружающего тепловые трубы 2 воздуха и передача ее к холодным спаям термобатареи 1 может осуществляться с помощью одной тепловой трубы 2 (второй вариант) либо с помощью проточного жидкостного теплообменника 6 (третий вариант), имеющих тепловой контакт сразу с двумя соседними термобатареями 1, что позволяет интенсифицировать процесс конденсации теплоносителя на всей поверхности зоны отвода теплоты тепловой трубы. Работа блока осуществляется аналогично описанной для первого варианта.

В режиме электрогенератора в соответствии с изобретениями по первому и второму вариантам блок работает следующим образом.

Тепловые трубы 2, установленные на одних одноименных спаях, помещены участками 5 в среду с высокой температурой, а тепловые трубы 2, установленные на противоположных одноименных спаях, помещены свободными участками в среду с низкой температурой. Таким образом, на противоположных спаях термобатарей 1 возникает разность температур. В соответствии с эффектом Зеебека в термобатареях возникает электродвижущая сила. Передача теплоты тепловыми трубами между участками 5, помещенными в окружающую среду, и участками 4, примыкающими к спаям термобатарей 1, осуществляется аналогично описанной ранее для режима холодильной машины и теплового насоса.

В соответствии с изобретением по третьему варианту спаи термобатареи 1, примыкающие к проточному жидкостному теплообменнику 6, охлаждаются либо нагреваются жидкостью, прокачиваемой через теплообменники 6. При возникновении на спаях термобатареи 1 разности температур в соответствии с эффектом Зеебака в ней возникает электродвижущая сила.

Использование: в качестве теплового насоса или холодильной машины для нагрева и/или охлаждения газов, жидкостей и других тел, а также в качестве электрогенератора. Сущность: термоэлектрический блок содержит термобатареи, по первому и второму вариантам на холодных и горячих, а по третьему - на холодных или горячих спаях которых установлены тепловые трубы, выполненные в виде алюминиевых плоских многоканальных труб, частично заполненных теплоносителем. Каждая тепловая труба, установленная по первому варианту на холодных и горячих спаях термобатареи, а по второму и третьему вариантам - на одних из спаев, выполнена с изгибом, образующим два участка, продольные оси которых параллельны поверхностям спаев и смещены относительно друг друга, при этом один из участков примыкает к поверхности соответствующих спаев, а другой ориентирован таким образом, что его продольная ось смещена по отношению к продольной оси предыдущего участка на соответствующее расстояние в направлении от поверхности этих спаев к центру термобатареи. На противоположных спаях термобатарей по третьему варианту установлены проточные жидкостные теплообменники. Термобатареи с размещенными на их спаях по первому и второму вариантам тепловыми трубами, а по третьему - тепловыми трубами и теплообменниками примыкают друг к другу со стороны одноименных спаев. При этом тепловые трубы, выполненные без изгиба, по второму и теплообменники по третьему вариантам размещены; на спаях, обращенных внутрь в каждой паре термобатарей и установлены так, что одна упомянутая труба и один упомянутый теплообменник являются общими для двух термобатарей в каждой последовательно установленной паре. 3 с. и 7 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Термоэлектрический блок, содержащий по меньшей мере одну термобатарею с установленными на ее разноименных спаях в тепловом контакте тепловыми трубами, выполненными каждая с изгибом, соединяющим два участка, продольные оси которых параллельны поверхностям упомянутых спаев и смещены относительно одна другой, при этом один из этих участков примыкает к поверхности соответствующих спаев, отличающийся тем, что другой участок каждой тепловой трубы смещен относительно первого и поверхности соответствующего спая к центру своей термобатареи, а при выполнении блока из нескольких термобатарей каждая последующая из последних размещена с примыканием к предыдущей соответствующими участками тепловых труб со стороны одноименных спаев. 2. Блок по п.1, отличающийся тем, что тепловые трубы выполнены плоскими многоканальными. 3. Блок по п. 1 или 2, отличающийся тем, что тепловые трубы, установленные по меньшей мере на одноименных спаях, выполнены идентичными между собой, а продольные оси упомянутых участков тепловой трубы, установленной на одних из спаев термобатареи, смещены относительно одна другой на расстояние, определяемое соотношением
e = 0,5 (b + c),
где e - расстояние между продольными осями упомянутых участков тепловой трубы, установленной на одних из спаев термобатареи;
b - толщина термобатареи;
c - толщина тепловой трубы, установленной на противоположных спаях термобатареи. 4. Термоэлектрический блок, содержащий термобатареи с установленными на разноименных спаях в тепловом контакте с тепловыми трубами, причем каждая из труб, размещенных со стороны первых одноименных спаев, выполнена с изгибом, соединяющим два участка, продольные оси которых параллельны поверхности упомянутых спаев и смещены относительно одна другой, при этом один из этих участков примыкает к поверхности соответствующих спаев, отличающийся тем, что количество термобатарей выполнено четным с образованием пар, обращенных одноименными спаями соответственно встречно в своей паре и к спаям соседних пар, другой участок каждой трубы первых одноименных спаев смещен к центру своей термобатареи, а тепловые трубы вторых одноименных спаев выполнены в виде трубы, общей для двух термобатарей в каждой последовательно установленной паре, причем оси указанных труб параллельны поверхности спаев своих термобатарей, причем каждая последующая термобатарея с установленными на ее спаях тепловыми трубами расположена с примыканием к предыдущей. 5. Блок по п.4, отличающийся тем, что тепловые трубы выполнены плоскими многоканальными. 6. Блок по п. 4 или 5, отличающийся тем, что тепловые трубы, установленные на одноименных спаях, выполнены идентичными между собой, а продольные оси упомянутых участков, выполненных с изгибом тепловых труб, смещены относительно одна другой на расстояние, определяемое соотношением
e = 0,5 (b + 0,5c₁),
где e - расстояние между продольными осями упомянутых участков, выполненных с изгибом тепловых труб;
b - толщина термобатареи;
c₁ - толщина тепловой трубы, являющейся общей для двух термобатарей. 7. Термоэлектрический блок, содержащий термобатареи с установленными на разноименных спаях в тепловом контакте теплообменниками, причем последние, размещенные со стороны первых спаев, образованы тепловыми трубами, выполненными каждая с изгибом, соединяющим два участка, продольные оси которых параллельны поверхности упомянутых спаев и смещены относительно одна другой, при этом один из этих участков примыкает к поверхности соответствующих спаев, отличающийся тем, что количество термобатарей выполнено четным с образованием пар, обращенных одноименными спаями соответственно встречно в своей паре и к спаям соседних пар, другой участок каждой тепловой трубы первых одноименных спаев смещен к центру своей термобатареи, а теплообменники вторых одноименных спаев выполнены проточными и общими для двух термобатарей в каждой последовательно установленной паре. 8. Блок по п.7, отличающийся тем, что тепловые трубы выполнены плоскими многоканальными. 9. Блок по п.7 или 8, отличающийся тем, что теплообменники выполнены жидкостными. 10. Блок по пп.7, 8 или 9, отличающийся тем, что тепловые трубы и теплообменники выполнены идентичными между собой, а продольные оси упомянутых участков, выполненных с изгибом тепловых труб, смещены относительно одна другой на расстояние, определяемое соотношением
e = 0,5(b + 0,5d),
где e - расстояние между продольными осями упомянутых участков, выполненных с изгибом тепловых труб;
b - толщина термобатареи;
d - толщина теплообменника.