ХОЛОДИЛЬНИК Российский патент 1998 года по МПК F25B21/02 F28D15/02 

Изобретение относится к холодильной технике, в частности к конструкции холодильников, например домашних бытовых холодильников или низкотемпературных термостатов для термостабилизации элементов электронной аппаратуры.

Известно устройство холодильника, в котором горячие спаи термоэлектрической батареи погружены в герметичный бак с теплоносителем, а система циркуляции образована двумя трубками, одна из которых теплоизолирована, а другая является каналом нагреваемого объекта - радиатора [1]. Недостатком такого холодильника является его неспособность работать при любой ориентации в пространстве, например при расположении термоэлектрической батареи над каналом нагреваемого объекта.

Известен холодильник, выбранный в качестве прототипа, содержащий термоэлектрическую батарею и систему циркуляции теплоносителя через холодные спаи, канал охлаждаемого объекта, горячие спаи и канал нагреваемого объекта с отводом части потока теплоносителя от выхода канала нагреваемого объекта к входу на горячие спаи через холодные спаи дополнительной секции [2].

Недостатком этой конструкции является, во-первых, ее низкая эффективность. Это объясняется тем, что не все количество холода, произведенного в теплоносителе на холодных спаях, идет на охлаждение канала охлаждаемого объекта. Доказательством этого является то обстоятельство, что температура теплоносителя на входе в холодные спаи (равная температуре теплоносителя на выходе из канала нагреваемого объекта) выше температуры теплоносителя на выходе из канала охлаждаемого объекта. Часть производимого в единицу времени холода, не используемая далее на охлаждение охлаждаемого объекта, определяется как неэффективно используемая часть холодопроизводительности термоэлектрической батареи. В устройстве-прототипе она равна произведению количества циркулирующего через холодные спаи теплоносителя в единицу времени, ее удельной теплоемкости и разности между температурой теплоносителя на входе в холодные спаи и температурой теплоносителя на выходе из канала охлаждаемого объекта.

Во-вторых, известная конструкция работоспособна лишь тогда, когда термоэлектрическая батарея расположена под нагреваемым объектом, но над охлаждаемым объектом. Этот недостаток приводит, например, к неудобствам при компоновке элементов бытового холодильника. Обусловлено это тем, что канал охлаждаемого объекта необходимо размещать в верхней части холодильного шкафа, поскольку лишь в этом случае за счет естественной конвекции воздуха внутри холодильного шкафа имеет место наилучшая теплопередача со всего внутреннего объема шкафа на канал охлаждаемого объекта. Если канал охлаждаемого объекта разместить в верхней части шкафа, то вынуждены располагать канал нагреваемого объекта, с которой тепло сбрасывается в окружающую среду, над шкафом, что делает бытовой холодильник громоздким. При расположении канала нагреваемого объекта равномерно по всей высоте шкафа будем вынуждены разместить канал охлаждаемого объекта в нижней части холодильного шкафа, что ухудшает теплопередачу.

Целью изобретения является повышение эффективности и работоспособности при любой ориентации в пространстве.

Указанная цель достигается тем, что в конструкции холодильника, содержащей термоэлектрическую батарею и частично заполненную теплоносителем систему циркуляции теплоносителя через спаи термоэлектрической батареи и каналы охлаждаемого и нагреваемого объектов, система циркуляции теплоносителя снабжена камерой, в которой образованы конденсационная и испарительная полости, разделенные капиллярно-пористой насадкой, при этом испарительная полость через каналы нагреваемого и охлаждаемого объектов соединена с конденсационной полостью, а поверхности горячих и холодных спаев термоэлектрической батареи соединены с обеспечением теплового контакта с корпусом камеры соответственно в зонах испарительной и конденсационной полостей, в испарительной или в каждой полости осуществлено соединение отдельными участками поверхности капиллярно-пористой насадки и внутренней поверхности корпуса в области теплового контакта. Для обеспечения теплового контакта может быть использована тепловая труба. Соединение отдельными участками поверхности капиллярно-пористой насадки и внутренней поверхности корпуса может быть осуществлено с помощью шипов, изготовленных на внутренней поверхности и контактирующих с поверхностью капиллярно-пористой насадки; шипы могут быть выполнены с прорезями, при этом поверхность капиллярно-пористой насадки в полости может быть покрыта пленкой. Внутренняя поверхность канала охлаждаемого объекта может быть выполнена капиллярно-пористой.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый холодильник отличается тем, что система циркуляции теплоносителя снабжена камерой, в которой образованы разделенные капиллярно-пористой насадкой конденсационная и испарительная полости, при этом испарительная полость соединена через каналы нагреваемого и охлаждаемого объектов с конденсационной полостью, поверхности горячих и холодных спаев термоэлектрической батареи соединены с обеспечением теплового контакта с корпусом камеры соответственно в зонах испарительной и конденсационной полостей, а в испарительной полости или в обеих полостях поверхность капиллярно-пористой насадки выполнена соединенной отдельными участками с внутренней поверхностью корпуса в области теплового контакта с поверхностью спаев.

На фиг.1 и 2 показаны два варианта холодильника; на фиг.2 показано использование тепловой трубы; на фиг.3, 4 и 5 изображены схемы осуществления соединения с помощью шипов: выполнение шипов с прорезями (фиг.4 и 5), покрытие поверхности капиллярно-пористой насадки пленкой (фиг.5).

Холодильник содержит термоэлектрическую батарею 1 и систему циркуляции теплоносителя, состоящую из камеры 2 и каналов нагреваемого 3 и охлаждаемого 4 объектов. Внутри камеры 2 установлена капиллярно-пористая насадка 5, разделяющая камеру на конденсационную 6 и испарительную 7 полости. При этом испарительная полость 7 соединена с помощью трубопроводов 8 через каналы нагреваемого 3 и охлаждаемого 4 объектов с конденсационной полостью 6. Термоэлектрическая батарея 1 поверхностями холодных 9 и горячих 10 спаев соединена с обеспечением теплового контакта с корпусом камеры 2 соответственно в зонах конденсационной 6 и испарительной 7 полостей. При этом в испарительной полости или в каждой полости осуществлено соединение отдельными участками поверхности капиллярно-пористой насадки и внутренней поверхности корпуса в области теплового контакта с поверхностью спаев (фиг.1).

Для обеспечения теплового контакта поверхности спаев термоэлектрической батареи с корпусом камеры может быть использована тепловая труба 11 (фиг.2).

Соединение отдельными участками поверхности капиллярно-пористой насадки и внутренней поверхности корпуса в области теплового контакта с поверхностью спаев может быть осуществлено с помощью шипов 12, выполненных на внутренней поверхности корпуса и контактирующих с поверхностью капиллярно-пористой насадки (фиг. 3, 4 и 5).

Шипы 12 могут быть выполнены с прорезями 13 (фиг.4), которые образуют каналы, соединяющие с объемом полости участки капиллярно-пористой насадки, контактирующие с шипами.

При этом поверхность капиллярно-пористой насадки 5 может быть покрыта пленкой 14 на наружных по отношению к шипам участках поверхности капиллярно-пористой насадки (фиг.5).

Внутренняя поверхность канала 4 охлаждаемого объекта может быть покрыта капиллярно-пористой структурой.

Холодильник работает следующим образом. При включении термоэлектрической батареи 1 выделяющееся на горячих спаях 10 тепло через тепловой контакт и через корпус камеры поступает к местам соединения с поверхностью капиллярно-пористой насадки, которые выполнены отдельными участками. Здесь происходит парообразование на образующихся испаряющих менисках. Из испарительной полости 7 пар поступает по трубопроводу 8 в канал 3 нагреваемого объекта, конденсируясь в котором, отдает теплоту конденсации. Когда поперечное сечение канала нагреваемого объекта в каком-либо месте полностью перекрывается конденсатом, тогда образовавшийся столбик жидкости под действием давления паров переносится далее по каналу нагреваемого объекта, подвергаясь дальнейшему сбросу тепла. После выхода из канала нагреваемого объекта конденсат поступает по трубопроводу 8 в канал 4 охлаждаемого объекта, где происходит парообразование вследствие уменьшения давления паров теплоносителя в конденсационной полости 6, имеющей место за счет отвода тепла с внутренней поверхности корпуса через тепловой контакт на холодные спаи 9. При парообразовании в канале охлаждаемого объекта забирается скрытая теплота парообразования, что приводит к отводу тепла от охлаждаемого объекта. Образующийся пар поступает по трубопроводу 8 в конденсационную полость, где конденсируется на поверхности корпуса в области теплового контакта с поверхностью холодных спаев термоэлектрической батареи. В процессе конденсации количество конденсата увеличивается, образуя скопления на отдельных участках; и когда размер скопления по высоте достигает значения зазора в полости между капиллярно-пористой насадкой и внутренней поверхностью корпуса, происходит впитывание каплеобразных скоплений конденсата капиллярно-пористой насадкой. Конденсат может также просто стекать по внутренней поверхности или отдельными каплями падать под действием массовых сил на капиллярно-пористую насадку. Если и в конденсационной полости поверхность капиллярно-пористой насадки выполнена соединенной отдельными участками с внутренней поверхностью корпуса в области теплового контакта, то имеет место непрерывный процесс отвода конденсата к капиллярно-пористой насадке.

Далее конденсат капиллярными силами через капиллярно-пористую насадку перекачивается к испаряющим менискам, образующимся на поверхности капиллярно-пористой насадки в испарительной полости. Таким образом процесс циркуляции теплоносителя замыкается. Работа устройства в общем виде описана.

Снабжение системы циркуляции теплоносителя камерой, в которой образованы конденсационная и испарительная полости, разделенные капиллярно-пористой насадкой, и соединение испарительной полости через каналы нагреваемого и охлаждаемого объектов с конденсационной полостью, а также соединение с обеспечением теплового контакта поверхностей горячих и холодных спаев термоэлектрической батареи с корпусом камеры соответственно в зонах испарительной и конденсационной полостей и осуществление в испарительной или в каждой полости соединения отдельными участками поверхности капиллярно-пористой насадки и внутренней поверхности корпуса в области теплового контакта повышают эффективность устройства и делают ее работоспособной при любой ориентации в пространстве, т.е. при любом расположении канала охлаждаемого объекта относительно термоэлектрической батареи и канала нагреваемого объекта. Повышение эффективности устройства обусловлено существенным уменьшением неэффективно используемой части холодопроизводительности (равна произведению количества циркулирующего теплоносителя в единицу времени, ее удельной теплоемкости и разности между температурой теплоносителя на выходе из канала нагреваемого объекта и температурой жидкости при парообразовании в канале охлаждаемого объекта). В предложенном устройстве тепло от канала охлаждаемого объекта к охлаждаемой внутренней поверхности корпуса в конденсационной полости переносится паром, поэтому количество циркулирующего теплоносителя существенно меньше, чем в устройстве-прототипе при одинаковых поверхностях теплообмена и тепловых нагрузках в каналах охлаждаемого объекта. Поскольку существенно уменьшается количество циркулирующего теплоносителя, то существенно уменьшается и неэффективно используемая часть холодопроизводительности.

Прокачка теплоносителя по каналам нагреваемого и охлаждаемого объектов и по трубопроводам, соединяющим их между собой, осуществляется за счет разности давлений пара в испарительной и конденсационной полостях, которые определяются температурами горячих и холодных спаев соответственно. Поэтому устройство работоспособно при любой ориентации в пространстве.

Выполнение шипов с прорезями повышает эффективность устройства, поскольку в испарительной полости при этом увеличивается поверхность парообразования за счет того, что прорези позволяют дополнительно осуществлять отвод пара от испаряющих менисков капиллярно-пористой насадки, расположенных под шипами, а в конденсационной полости в этом случае увеличивается поверхность конденсации, одновременно прорези способствуют транспортировке конденсата в капиллярно-пористую насадку.

Покрытие поверхности капиллярно-пористой насадки пленкой на наружных относительно шипов участках также повышает эффективность устройства, поскольку в испарительной полости пленка уменьшает теплопередачу от пара к капиллярно-пористой насадке под пленкой, а в конденсационной полости пленка исключает парообразование на поверхности капиллярно-пористой насадки и, следовательно, уменьшает тепловую нагрузку на холодные спаи.

Теплоноситель в канал охлаждаемого объекта поступает порциями, и для того, чтобы в перерыве между процессами поступления очередной порции вся поверхность канала охлаждаемого объекта была влажной, внутренняя поверхность канала охлаждаемого объекта выполняется капиллярно-пористой. При этом поступившая порция теплоносителя в виде столбика жидкости перемещается по всей длине канала охлаждаемого объекта и пропитывает капиллярно-пористую структуру ее поверхности. Излишек также в виде столбика жидкости поступает в конденсационную полость и далее прокачивается через капиллярно-пористую насадку.

Рассмотрим холодильник, в котором в обеих полостях осуществлено соединение отдельными участками поверхности капиллярно-пористой насадки с внутренней поверхностью корпуса в области теплового контакта с поверхностью спаев. Если изменить направление тока в термоэлектрической батарее на противоположное, то качественно изменятся процессы в полостях камеры и в каналах нагреваемого и охлаждаемого объектов. Произойдет инверсия между процессами конденсации и испарения, изменится также направление циркуляции теплоносителя. В канале охлаждаемого объекта будет иметь место выделение тепла, а в канале нагреваемого объекта - поглощение тепла. Например, при фиксированной температуре канала нагреваемого объекта изменением силы тока и его направления в термоэлектрической батарее можно менять температуру канала охлаждаемого объекта, она будет принимать значения как меньшие, так и большие значения температуры канала нагреваемого объекта.

Литература.

1. Коленко Е. А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. -Л.: Наука, 1967, с. 80-81.

2. А. с. N 309214, F 25 B 21/02, 1971, БИ N 22.

Холодильник содержит термоэлектрическую батарею и систему циркуляции теплоносителя, состоящую из камеры, в которой разделены капиллярно-пористой насадкой испарительная и конденсационная полости, соединенные через каналы нагреваемого и охлаждаемого объектов. При этом поверхности горячих и холодных спаев соединены с обеспечением теплового контакта с корпусами испарительной и конденсационной полостей. В испарительной или в обеих полостях поверхность капиллярно-пористой насадки соединена отдельными участками с внутренней поверхностью корпуса в области теплового контакта с поверхностью спаев. Использование холодильника позволит повысить эффективность и работоспособность холодильника при любой ориентации в пространстве. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Холодильник, содержащий термоэлектрическую батарею и систему циркуляции теплоносителя через спаи термоэлектрической батареи и каналы охлаждаемого и нагреваемого объектов, отличающийся тем, что система циркуляции снабжена камерой, в которой образованы разделенные капиллярно-пористой насадкой конденсационная и испарительная полости, при этом испарительная полость соединена через каналы нагреваемого и охлаждаемого объектов с конденсационной полостью, а поверхности горячих и холодных спаев термоэлектрической батареи соединены с обеспечением теплового контакта с корпусом камеры соответственно в зонах испарительной и конденсационной полостей, причем в испарительной полости или в обеих полостях поверхность капиллярно-пористой насадки выполнена соединенной отдельными участками с внутренней поверхностью корпуса в области теплового контакта с поверхностью спаев. 2. Холодильник по п.1, отличающийся тем, что для теплового контакта поверхности спаев термоэлектрической батареи с корпусом камеры используется тепловая труба. 3. Холодильник по п.1, отличающийся тем, что соединение отдельными участками поверхности капиллярно-пористой насадки и внутренней поверхности корпуса в области теплового контакта с поверхностью спаев осуществляется с помощью шипов, выполненных на внутренней поверхности корпуса и контактирующих с поверхностью капиллярно-пористой насадки. 4. Холодильник по пп.1 и 3, отличающийся тем, что шипы выполнены с прорезями. 5. Холодильник по пп.1, 3 и 4, отличающийся тем, что поверхность каппилярно-пористой насадки в полости покрыта пленкой. 6. Холодильник по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность канала охлаждаемого объекта выполнена капиллярно-пористой.