ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАЖДАЮЩИЙ МОДУЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F25B21/02 

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 термостабилизирующих устройств.

Известен термоэлектрический охлаждающий модуль, реализующий способ охлаждения по а.с. 322821, кл. F 25 B 21/02, 1971.

Охлаждающий модуль состоит из набора каскадных термоэлектрических элементов. Перенос тепла от объекта осуществляется от каскада к каскаду при подаче на клеммы термоэлектрический батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока.

Холодные спаи первого каскада отводят от охлаждаемого объекта тепловой 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. 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.

Известно также устройство двух- и трехступенчатого термоэлектрического охлаждающего модуля, разработанного для реализации способа по патенту РФ N 2034207 кл. F 25 B 21/02, 1994.

Устройство состоит из термоэлектрических батарей с одинаковым числом ветвей, расположенных перпендикулярно оси теплового потока последовательно друг за другом, из аккумуляторов тепла на теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонах модуля, выполненных в виде теплообменников, и аккумуляторов тепла, установленных между батареями, в аккумуляторах тепла на теплопоглощающей стороне модуля и аккумуляторах тепла между батареями установлены датчики температуры, тепловая изоляция из жесткого пенополиуретана расположена по периферии модуля, исключая теплопоглощающую и тепловыделяющую стороны модуля. Тепловая изоляция, имеющая хорошую адгезию с материалом аккумуляторов тепла, скрепляет составные части модуля в единое целое, батареи и аккумуляторы склеены между собой теплопроводным клеем.

Недостатками данной конструкции являются следующие:
- неопределенный по величине и направлению характер нагружения термоэлектрических батарей и тепловых контактов между батареями и аккумуляторами тепла, возникающий при заливке тепловой изоляции вследствие жесткой фиксации батарей и аккумуляторов в изоляции, что приводит к работе батарей и контактов на разрыв или сдвиг.

- возникновение нерегламентированных термических напряжений в батареях и на тепловых контактах вследствие изменения линейных размеров при переменном тепловом режиме работы модуля.

Указанные недостатки приводят к разрушению термоэлектрических батарей или нарушению теплового контакта по теплопередающим поверхностям между батареями и аккумуляторами тепла при разрыве клеевых соединений или по коммутационным спаям батарей, что означает отказ в работе термоэлектрического охлаждающего модуля.

Задача, решаемая изобретением, состоит в создании "Термоэлектрического охлаждающего модуля", лишенного недостатков прототипа.

Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в повышении надежности и ресурса работы термоэлектрического охлаждающего модуля.

Это достигается тем, что в термоэлектрическом охлаждающем модуле, содержащем n термоэлектрических батарей, расположенных последовательно друг за другом n+1 теплопроводных аккумуляторов тепла, расположенных между батареями и на тепловыделяющей и теплопоглощающей сторонах модуля, датчики температуры, расположенные в аккумуляторах тепла, и наружную жесту тепловую изоляцию, расположенную вокруг батарей и аккумуляторов тепла, между наружной тепловой изоляцией и батареями с аккумуляторами тепла установлена дополнительная внутренняя тепловая изоляция, обеспечивающая внутренним элементам модуля осевую подвижность, а также тем, что в модуле установлен механизм с упругими элементами, обеспечивающими постоянное осевое поджатие батарей к аккумуляторам тепла; один или несколько аккумуляторов тепла выполнены составными, сочлененными по цилиндрическим поверхностям, с нанесенным на них слоем теплопроводной пасты, а между торцевых поверхностей составных частей аккумуляторов тепла размещены упругие элементы в сжатом состоянии, внешний силовой слой тепловой изоляции неподвижно скреплен аккумуляторами тепла на теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонах модуля; батареи и аккумуляторы соединены между собой по оси винтом, между головкой которого и одним из внешних аккумуляторов тепла установлен пружинный элемент, а резьбовая часть винта ввернута в аккумулятор тепла на противоположной стороне модуля, а наружный жесткий слой тепловой изоляции скреплен с одним из аккумуляторов тепла; дополнительная изоляция выполнена из парафина или воска; дополнительная изоляция выполнена из поролона; аккумуляторы тепла по теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонам выполнены в виде съемных теплообменников.

Достигаемый технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков в термоэлектрическом модуле.

На фиг. 1 представлен одноступенчатый термоэлектрический охлаждающий модуль; на фиг. 2 - трехступенчатый термоэлектрический охлаждающий модуль; на фиг. 3 - двухступенчатый термоэлектрический охлаждающий модуль; на фиг. 4 - другой вариант реализации двухступенчатого термоэлектрического охлаждающего модуля.

Представленный на фиг. 1 пример конструкции одноступенчатого термоэлектрического охлаждающего модуля, состоящего из одной термоэлектрической батареи 1, аккумулятора тепла 2 на теплопоглощающей стороне модуля, состоящего из двух сочлененных по цилиндрическим поверхностям А частей Б и В, упругих элементов 3, 4, 5, выполненных, например, из резины, находящихся в сжатом состоянии и создающих за счет упругих свойств этих элементов осевое усилие сжатия батареи 1 и ее прижим по теплопередающим поверхностям к аккумуляторам тепла 2 и 6.

На поверхностях А частей аккумулятора Б и В нанесена теплопроводная паста, обеспечивающая передачу тепла от части аккумулятора тепла В к части Б. Тепловой контакт между батареей и аккумулятором тепла осуществляется через теплопроводный клеевой шов или теплопроводную пасту.

Тепловая изоляция выполнена из двух слоев: внешнего слоя 8 из жесткого пенополиуретана и внутреннего слоя 9, например и эластичного пенополиуретана (поролона) или небольшого слоя парафина. Тепловая изоляция 8 жестко фиксирует между собой тепловыделяющий аккумулятор тепла 6 на тепловыделяющей стороне модуля и неподвижную часть В аккумулятора тепла 2 на теплопоглощающей стороне модуля. Часть Б аккумулятора тепла 2 имеет возможность смещаться воль оси модуля под действием упругих сил от элементов 3, 4, 5 внутри слоя изоляции 9, непрерывно поджимая батарею 1 к аккумулятору тепла 6. Датчики температуры 7 устанавливаются в аккумуляторах тепла 2 и 6.

Работа термоэлектрического охлаждающего модуля осуществляется следующим образом. Модуль размещается внутри теплоизоляционной стенки охлаждаемой камеры теплопоглощающей стороной на внутреннем теплообменнике камеры или на охлаждаемом объекте. К тепловыделяющей стороне модуля снаружи камеры крепится внешний теплообменник, рассеивающий тепло в окружающую среду или отводящий тепло теплоносителям.

На термоэлектрическую батарею подается постоянный ток в соответствии с полярностью батареи, величина тока устанавливается в зависимости от сигналов, поступающих от датчиков температуры на устройство управления и питания модуля.

При подаче постоянного тока на батарею вследствие эффекта Пельтье происходит отвод тепла с теплопоглощающей стороны модуля в сторону тепловыделяющей стороны модуля и осуществляется сброс тепла через теплообменник. При изменении полярности тока, подаваемого на батарею, может осуществляться подогрев камеры или объекта.

Представленный на фиг. 2 термоэлектрический трехступенчатый охлаждающий модуль в отличие от одноступенчатого модуля (фиг. 1) имеет три батареи (три ступени) и два промежуточных аккумулятора тепла 10 и 11, расположенных между 2-й и 3-й, 1-й и 2-й ступенями модуля соответственно. Аккумулятор тепла 2, расположенный на теплопоглощающей стороне модуля, выполнен монолитным, а разъемным является промежуточный аккумулятор 11, состоящий из частей Б и В, работающий аналогично рассмотренному ранее аккумулятору тепла 2 ( фиг. 1). Установка разъемного аккумулятора между 1-й и 2-й ступенями модуля или в другом месте определяется оптимизацией режимов работы термоэлектрического охлаждающего модуля и его конструктивных элементов. Аккумулятор тепла 6, расположенный на тепловыделяющей стороне, совмещен с теплообменником, что повышает эффективность рассеивания тепла в окружающую среду.

Работа модуля осуществляется следующим образом. На термоэлектрические батареи 1-й, 2-й и 3-й ступеней подают постоянный ток, значение которого для каждой ступени определяется из условия теплового баланса и получения максимального значения холодильного коэффициента. Отвод тепла за счет эффекта Пельтье происходит от теплопоглощающей стороны модуля к тепловыделяющей. Изменение температур составных частей модуля или как следствие изменение их размеров компенсируется за счет осевой подвижности элементов Б и В аккумулятора 11 внутри теплоизоляции 9. Датчики температуры 7 через устройство питания и управления задают режимы работы термоэлектрических батарей.

Представленный на фиг. 3 двухступенчатый термоэлектрический охлаждающий модуль отличается от ранее рассмотренных на фиг.1 и на фиг. 2 модулей тем, что жесткая тепловая изоляция 3 скреплена только с одним аккумулятором тепла 2, аккумуляторы тепла 2, 5, 8 выполнены неразъемными. Тепловые контакты и регламентированный поджим термоэлектрических батарей осуществляется за счет стягивающего винта 7, между головкой которого и аккумулятором 5 установлен пакет тарельчатых пружин 6, что одновременно позволяет компенсировать осевое изменение размеров аккумуляторов тепла при изменении температурных режимов работы модуля. Модуль снабжен датчиком температуры 9, определяющим температуру в охлаждаемой камере и обеспечивающим регулирование значений токов, подаваемых на батареи, подавая управляющий сигнал на блок управления и питания модуля.

Работа данного модуля осуществляется аналогично работе модуля, представленного на фиг. 2.

В представленном на фиг. 4 двухступенчатом термоэлектрическом охлаждающем модуле в отличие от модуля на фиг. 3 в качестве аккумуляторов тепла на тепловыделяющей и теплопоглощающей сторонах установлены съемные теплообменники 2 и 5, внешний, жесткий слой теплоизоляции 3 скрепляется с промежуточным аккумулятором тепла 8, установленным между батареями 1-й и 2-й ступеней, внутренний слой теплоизоляции 4 разбит на два участка, расположенных около каждой ступени батарей. Теплообменники 2 и 5 крепятся винтами поз. 7 к закладным скобам 11 в теплоизоляции 3. Под головками винтов установлены пакеты тарельчатых пружин 6, создающие постоянные усилия поджима между батареями, теплообменниками и аккумулятором тепла 8. На контактные поверхности нанесены теплопроводные клей или паста.

В качестве теплообменника 2 возможно использование теплообменника охлаждаемой камеры, а также крепление теплообменника 5 непосредственно к корпусу охлаждаемой модулем камеры.

Работа модуля осуществляется аналогично работе модуля, представленного на фиг. 2.

В термоэлектрическом охлаждающем модуле установлены последовательно друг за другом n термоэлектрических батарей и n+1 аккумуляторов тепла из теплопроводного материала, помещенных между батареями и по тепловыделяющей и теплопоглощающей сторонам модуля. Вокруг батарей и аккумуляторов тепла закреплена тепловая изоляция, состоящая из двух слоев: наружного жесткого и внутреннего, обеспечивающего элементам модуля осевую подвижность. В модуле установлен механизм с упругими элементами, обеспечивающими постоянное осевое поджатие термобатарей и аккумуляторов тепла. В модуле может быть установлен один или несколько составных аккумуляторов тепла, сочлененных по цилиндрическим теплопередающим поверхностям, с нанесенной на них теплопроводной пастой. Между торцевыми поверхностями составных частей аккумулятора тепла размещены упругие элементы. Батареи и аккумуляторы могут быть соединены между собой по оси винтом. Внутренняя тепловая изоляция может быть выполнена из парафина или воска, или поролона. Внешние аккумуляторы тепла могут быть выполнены в виде съемных теплообменников. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Термоэлектрический охлаждающий модуль, содержащий n термоэлектрических батарей, расположенных последовательно одна за другой, n + 1 теплопроводных аккумуляторов тепла, расположенных между батареями и на тепловыделяющей и теплопоглощающей сторонах модуля, датчики температуры, расположенные в аккумуляторах тепла, и наружную жесткую тепловую изоляцию, расположенную вокруг батарей и аккумуляторов тепла, отличающийся тем, что между наружной тепловой изоляцией и батареями с аккумуляторами тепла установлена дополнительно внутренняя тепловая изоляция, обеспечивающая внутренним элементам модуля осевую подвижность, а в модуле установлен механизм с упругими элементами, обеспечивающими постоянное осевое поджатие батарей к аккумуляторам тепла. 2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что один или несколько аккумуляторов тепла выполнены составными, сочлененными по цилиндрическим поверхностям, с нанесенным на них слоем теплопроводной пасты, а между торцевыми поверхностями составных частей аккумулятора тепла размещены упругие элементы в сжатом состоянии, а внешний силовой слой тепловой изоляции неподвижно скреплен с аккумуляторами тепла по тепловыделяющей и теплопоглощающей сторонам модуля. 3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что батареи и аккумуляторы соединены между собой по оси винтом, между головкой которого и одним из внешних аккумуляторов тепла установлен пружинный элемент, резьбовая часть винта ввернута в аккумулятор тепла на противоположной стороне модуля, а наружный жесткий слой тепловой изоляции скреплен с одним из аккумуляторов тепла. 4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что дополнительная изоляция выполнена из парафина или воска. 5. Модуль по п.1, отличающийся тем, что дополнительная изоляция выполнена из поролона. 6. Модуль по п.1, отличающийся тем, что аккумуляторы тепла по теплопоглощающей и тепловыделяющей сторонам модуля выполнены в виде съемных теплообменников.