ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР "ЗОДИАК" Российский патент 2001 года по МПК B60H3/00 

Изобретение относится к установкам для производства тепла или холода и предназначено для использования, преимущественно, в транспортных кондиционерах воздуха. Вместе с тем оно может быть применено в стационарных системах кондиционирования (в том числе и в бытовых кондиционерах), в холодильном оборудовании разного назначения, системах локального охлаждения и обогрева рабочих мест операторов в промышленности и на транспорте, а также для охлаждения силовых элементов в электрическом оборудовании и тепловыделяющих элементов в радиоэлектронных устройствах.

Непрерывное совершенствование термоэлектрических элементов, экологически чистый принцип работы которых основан на эффекте Пельтье, т.е. на разделении тепла и холода на их поверхностях при подключении к источнику электропитания, а также стойкость к ударным и вибрационным нагрузкам определяют перспективность применения термоэлектрических элементов и создание новых конструкций термоэлектрических генераторов (ТЭГ).

Новые разработки особенно перспективны в области создания транспортных кондиционеров сравнительно небольшой мощности и холодопроизводительности (до 1 кВт), при которой применение традиционных фреоновых кондиционеров экономически невыгодно.

В условиях ограниченного пространства для размещения ТЭГ и вспомогательных агрегатов транспортных термоэлектрических кондиционеров, а также при ограниченном энергопотреблении от бортовой сети электропитания очень важны конструктивные решения, позволяющие повысить удельные характеристики ТЭГ.

Как правило, термоэлектрические кондиционеры выполняются по традиционной схеме, в которой холод и тепло, выделяемые в ТЭГ, отводятся с помощью циркулирующего в раздельных жидкостных контурах промежуточного теплоносителя. В качестве промежуточного жидкого теплоносителя может использоваться вода или антифриз.

Далее холод через калорифер рабочего контура передается воздуху в кондиционируемом перемещении, а тепло, которого вырабатывается в 1,5-2 раза больше, чем холода, через калорифер вспомогательного контура сбрасывается в окружающую среду. При изменении полярности подключения термоэлектрических элементов к источнику электропитания через калорифер рабочего контура передается тепло, выделяемое в ТЭГ.

По такой схеме, например, работает ТЭГ, состоящий из плоских бачков рабочего и вспомогательного жидкостных контуров циркуляции промежуточного теплоносителя с зажатыми между ними плоскими термоэлементами (RU 2160944 C1, H 01 L 35/00, 20.12.2000).

В сравнительно небольших по мощности и холодопроизводительности ТЭГ можно обеспечить снятие холода с поверхностей термоэлектрических элементов непосредственно воздухом кондиционируемого помещения, что позволяет отказаться от жидкостного рабочего контура с промежуточным теплоносителем, упростить и удешевить конструкцию кондиционера. Для улучшения процесса теплопередачи к холодным поверхностям термоэлектрических элементов прижимается гофрированная медная или алюминиевая лента, через которую проходит воздух, нагнетаемый вентилятором.

По такому принципу работают более близкие по технической сущности к заявленному объекту устройства для кондиционирования воздуха транспортного средства (RU 2140365 C1, В 60 H 3/00, 27.10.1999; RU 2114010 C1, В 60 H 3/00, 27.06.1998 - прототип).

В наиболее близком к предложенному устройству термоэлементы приклеены к плоским бачкам (трубкам), внутри которых циркулирует жидкий промежуточный теплоноситель вспомогательного контура. Между холодными рабочими поверхностями термоэлектрических элементов установлена гофрированная медная лента. Через развитую поверхность холод отводится обдуваемым воздухом непосредственно в помещение.

Недостатком указанного устройства является невозможность поджатия гофрированной ленты для обеспечения ее надежного механического и теплового контакта с термоэлектрическими элементами, поскольку трубки с приклеенными термоэлектрическими элементами жестко закреплены в коллекторах. К числу других недостатков указанного устройства следует отнести высокие требования к точности выдерживания требуемого расстояния между поверхностями термоэлектрических элементов, включая обеспечение строгой параллельности трубок, а также отсутствие дополнительной фиксации ленты, что может привести к ее выпадению при ударах и вибрациях. В данном устройстве предполагается компенсировать неточность сборки и обеспечить амортизацию и поджатие гофрированной ленты применением теплопроводящего клея на основе каучука.

Низкая теплопроводность каучуковой основы не позволяет обеспечить теплопроводность такого клея даже на уровне специальных теплопроводящих паст, обычно применяемых в ТЭГ для компенсации разницы в толщине термоэлектрических элементов, т.е. при незначительной толщине слоя пасты, несопоставимой с толщиной клеевой прокладки.

Нахождение горячих боковых поверхностей плоских бачков в воздушном потоке снижает эффективность охлаждения воздуха и даже без дополнительной их теплоизоляции создает значительное аэродинамическое сопротивление.

В целом сочетание указанных недостатков делает известное устройство сложным в изготовлении, ненадежным в эксплуатации и неэффективным для передачи холода и тепла с поверхностей термоэлементов.

Задачей изобретения является создание ТЭГ, свободного от указанных недостатков прототипа.

Это достигается сочетанием нескольких принципиальных технических решений, среди которых выделяются:
- Устранение клеевых и прочих теплопереходов и реализация полного механического и теплового контакта между теплопередающими поверхностями, что обеспечивается надежным и равномерным по площади сжатием их в единый пакет, причем требуемая величина деформации гофрированной ленты и усилие сжатия могут быть точно заданы и обеспечены.

- Практически полная теплоизоляция нагретых поверхностей бачков жидкостного вспомогательного контура ТЭГ от потока охлаждаемого воздуха без ухудшения аэродинамического сопротивления воздушного тракта.

- Подача охлаждаемого воздуха через гофрированную металлическую ленту в замкнутый внутренний объем ТЭГ и концентрация всех воздушных потоков в едином воздуховоде (или обратное направление подачи воздуха для равномерного его распределения в кондиционируемом помещении).

- Дополнительное снижение тепловых и аэродинамических потерь в воздушном тракте при установке вентилятора непосредственно на ТЭГ или внутри него, т. е. создание компактного моноблока ТЭГ с воздушным вентилятором. В дальнейшем описании понятие "замкнутый внутренний объем ТЭГ" относится к его внутренним полостям, через которые проходит поток охлаждаемого воздуха.

Конструктивно поставленная задача решается тем, что в термоэлектрическом генераторе, содержащем термоэлектрические элементы, подключенные к источнику электропитания, по меньшей мере один плоский бачок, выполненный с внутренними каналами для прокачки жидкого теплоносителя и установленный с примыканием теплопроводящей поверхности к плоским поверхностям горячих спаев термоэлектрических элементов для восприятия выделяемого ими тепла, гофрированные металлические ленты, установленные на входах потока охлаждаемого воздуха в качестве оребрения плоских поверхностей холодных спаев термоэлектрических элементов для отбора выделяемого ими холода, - термоэлектрические элементы, плоский бачок и гофрированные металлические ленты плотно сжаты в единый пакет с использованием ограничительных упоров, высота которых выбрана из условия обеспечения требуемых усилия сжатия, величины упругой деформации гофрированных металлических лент и жесткости всей стянутой конструкции, при этом в плоском бачке между упомянутыми внутренними каналами выполнены сквозные отверстия для направления охлаждаемого воздуха в замкнутый внутренний объем генератора между плоскими бачками и боковыми стенками ограничительных упоров и далее к наружным патрубкам.

Отметим, что предложения по конструктивному стягиванию составных узлов ТЭГ в единый пакет уже имели место (RU 1526526 A1, H 01 L 35/02, 10.10.1999). Однако известные, в частности, бандажные конструкции с призматическими многогранными каналами холодного и горячего агентов, характеризуются весьма ограниченной областью практического использования.

Решению поставленной задачи способствуют также частные существенные признаки изобретения.

Размеры и конфигурация каналов для прохода жидкости внутри плоских бачков соответствуют размерам и конфигурации уложенных на бачки термоэлектрических элементов, за исключением местоположения необходимых перепускных каналов вне мест укладки термоэлектрических элементов.

В ТЭГ имеется, по меньшей мере один замкнутый внутренний объем.

В замкнутом внутреннем объеме ТЭГ давление охлаждаемого воздуха может быть больше или меньше атмосферного давления.

Все или часть замкнутых внутренних объемов соединены между собой или не сообщаются друг с другом.

Замкнутый внутренний объем разделен на изолированные друг от друга части, через которые прокачиваются независимые друг от друга потоки охлаждаемого воздуха.

Все или часть гидравлических соединений между бачками выполнены в замкнутых внутренних объемах.

В ТЭГ, имеющем более одного контура циркуляции жидкого теплоносителя, по меньшей мере два из них не зависят друг от друга.

По меньшей мере, один воздушный вентилятор, прокачивающий охлаждаемый воздух, закреплен непосредственно на корпусе генератора с образованием единого моноблока.

Воздушные вентиляторы полностью или частично размещены в пределах внешних габаритных размеров генератора.

Ограничительные упоры являются внешними стенками замкнутых внутренних объемов, а также внутренними перегородками, разделяющими замкнутый внутренний объем или образующими внутри него воздушные каналы.

Свободные поверхности плоских бачков в замкнутых внутренних объемах покрыты теплоизолирующим материалом.

Плоские бачки выполнены сборными, крышки бачков, на которые уложены термоэлектрические элементы, изготовлены из теплопроводящего материала, а остальные крышки и внутренняя часть бачков между крышками - из материала с низкой теплопроводностью, например из пластмассы.

При построении ТЭГ с указанными общими и частными существенными признаками должны приниматься во внимание отдельные монтажные и технологические аспекты.

Плоские бачки вспомогательного жидкостного контура целесообразно располагать друг над другом с гидравлическим соединением между собой, причем гидравлические соединения между бачками могут быть выполнены во внутренних объемах ТЭГ. Возможен частный вариант конструкции ТЭГ, например, с одним плоским бачком. На одной или на обеих крышках бачка размещаются термоэлектрические элементы с уложенной на них гофрированной медной или алюминиевой лентой. Сжатие сборки в единый пакет производится наружными плоскими крышками, сделанными из теплоизоляционного материала, например из пластмассы. При этом количество замкнутых внутренних объемов ТЭГ может быть равным или большим количества жидкостных бачков.

Равномерное стягивание в единый пакет плоских бачков, термоэлектрических элементов и гофрированных металлических лент обеспечивается длинными винтами или сквозными шпильками, проходящими через отверстия в бачках изолированно от их внутренних жидкостных каналов и, по возможности, равномерно распределенными по площади бачков. Задание усилия и равномерность сжатия ленты, а также жесткость всей сборки обеспечиваются упорами, имеющими одинаковую высоту и установленными между бачками. При стягивании сборки бачки свободно перемещаются на шпильках и сжимают ленты. Одновременно происходит плотное прижатие термоэлектрических элементов к поверхности бачков. Полный механический и тепловой контакт гофрированной ленты с термоэлектрическими элементами обеспечивается при ее упругой деформации, величина которой определяется высотой упоров, ограничивающих перемещение бачков при стягивании сборки.

Конструктивно упоры могут быть выполнены в виде втулок, свободно надетых на стягивающие шпильки, а также в виде перегородок, ограничивающих внутренний объем ТЭГ между плоскими бачками, а также разделяющих его на несколько частей или формирующих воздушные потоки.

Размещение термоэлектрических элементов на плоских бачках производится рядами по периферии, например, вдоль боковых сторон прямоугольных бачков. Внутри бачков ширина и профиль каналов для прохода жидкости должны соответствовать размещению термоэлектрических элементов (кроме необходимых соединительных каналов между основными каналами). В центральной части бачков, не занятой термоэлектрическими элементами, соединительными патрубками и внутренними каналами, должно быть достаточно свободной площади для сквозного отверстия, через которое производится подача воздуха в замкнутый внутренний объем ТЭГ. Площадь сечения отверстия (или нескольких отверстий) должна примерно соответствовать суммарной площади проходного сечения входных воздушных каналов между бачками, заполненных гофрированными лентами.

Плоские бачки имеют сборную конструкцию с использованием рамки с каналами для жидкости и плоских крышек. Крышки, на которые укладываются термоэлектрические элементы, изготовлены из теплопроводного листового металла, например алюминия.

Рамку целесообразно изготавливать из материала с низкой теплопроводностью, например из пластмассы, чтобы ограничить теплопередачу от горячей жидкости к наружным поверхностям плоских бачков и их центральной части с отверстием для прохода воздуха. Дополнительная теплоизоляция открытых поверхностей бачков в замкнутом внутреннем объеме ТЭГ производится накладками из теплоизолирующего материала, толщина которого не должна превышать толщины термоэлектрических элементов, чтобы не создавать аэродинамического сопротивления. Все электрические соединения между термоэлектрическими элементами осуществляются в замкнутом внутреннем объеме ТЭГ. Через отдельные отверстия в бачке соединительные провода выводятся наружу для подключения к источнику электропитания. В бачках могут также иметься другие сквозные отверстия, наличие которых определяется конструктивной необходимостью. На наружной поверхности плоских бачков располагаются также входной и выходной патрубки, предназначенные для подсоединения бачков к магистрали вспомогательного контура.

Для простого и надежного соединения соответствующих патрубков бачков внутри ТЭГ при его сборке они размещаются соосно навстречу друг другу и соединяются отрезком эластичного шланга. Высота патрубков должна обеспечивать гарантированный зазор между их торцами при сборке ТЭГ.

Направление воздушного потока в замкнутом внутреннем объеме ТЭГ может быть от отверстия в бачке наружу через оребренные гофрированной лентой поверхности термоэлектрических элементов с последующим распределением в помещении охлажденного в ТЭГ воздуха. При обратном направлении воздух поступает во внутренний объем ТЭГ, а затем через отверстие в плоском бачке единым потоком направляется к вентилятору. Следовательно, центральное отверстие в бачке ТЭГ может быть подсоединено соответственно к напорному или заборному патрубкам вентилятора. В последнем случае воздух, охлажденный в ТЭГ, может быть направлен после вентилятора в воздуховод или непосредственно в зону локального охлаждения помещения.

Логичным развитием предложенной конструкции ТЭГ является его объединение с вентилятором в общий моноблок, что позволит исключить тепловые и аэродинамические потери в соединительном воздуховоде. Наиболее целесообразно использовать для этого центробежный вентилятор, который крепится к одному из наружных плоских бачков ТЭГ. В ряде случаев возможна установка вентилятора внутри ТЭГ, что позволит уменьшить габаритные размеры моноблока.

Увеличение мощности и холодопроизводительности предлагаемой конструкции ТЭГ возможно при увеличении количества термоэлектрических элементов. Для этого можно увеличить размеры плоских бачков или увеличить количество бачков в сборке. При увеличении размеров бачков на них может быть установлено несколько вентиляторов, работающих совместно или независимо друг от друга. В последнем варианте замкнутый внутренний объем ТЭГ может быть разделен перегородками так, чтобы каждый вентилятор работал совместно с определенным количеством термоэлектрических элементов, то есть ТЭГ может иметь несколько ступеней включения для регулирования холодопроизводительности и подачи охлажденного воздуха в нужные зоны помещения.

При увеличении количества плоских бачков в сборке для уменьшения их суммарного гидравлического сопротивления можно применить параллельно-последовательное соединение их жидкостных трактов или разделить их на группы с подсоединением каждой из них к отдельному вспомогательному контуру циркуляции жидкого промежуточного теплоносителя. Соответствующее разделение внутреннего объема ТЭГ на группы с отдельными вентиляторами также позволит производить его ступенчатое включение.

Частным решением, объединяющим оба принципа увеличения холодопроизводительности термоэлектрического кондиционера, может быть подсоединение нескольких моноблоков к общему вспомогательному жидкостному контуру.

На фиг. 1, 2, 3 и 4 представлены разрезы конструкции одного из вариантов предложенного ТЭГ с видами соответственно спереди, сбоку, в горизонтальном разрезе и сверху, а на фиг. 5 приведена его гидравлическая схема.

ТЭГ состоит из плоских бачков 1 и 2 вспомогательного (горячего) жидкостного контура с наружными патрубками 3 и 4 и внутренними патрубками 5 и 6, соединенными между собой отрезками эластичного шланга 7. Бачки 1 и 2 имеют сборную конструкцию и включают в себя внутренние рамки 8 и 9, а также крышки 10-13. В бачках 1 и 2 имеются отверстия для стягивающих сборку винтов 14, а также отверстие для подачи воздуха в замкнутый внутренний объем ТЭГ и отверстие для вывода наружу электрических проводов 15. Термоэлектрические элементы 16 уложены рядами вдоль двух противоположных боковых сторон бачков 1 и 2. Вдоль остальных противоположных боковых сторон бачков 1 и 2 установлены ограничительные упоры 17.

Профиль и ширина каналов для прохода жидкости внутри плоских бачков 1 и 2 соответствуют наружной укладке термоэлектрических элементов 16. В бачке 2 имеется дополнительный соединительный канал (показан на фиг. 5), также расположенный вдоль его боковой стороны. Между термоэлектрическими элементами 16 установлена гофрированная медная лента 18, сжатая при стягивании бачков 1 и 2 винтами 14 до упругой деформации, обеспечивающей надежный механический и тепловой контакт с термоэлектрическими элементами 16.

Заданная величина усилия сжатия и деформации ленты определяется высотой ограничительных упоров 17, которые также обеспечивают жесткость конструкции.

На внутренних поверхностях плоских бачков 1 и 2 установлены накладки 19-21 из теплоизолирующего материала, толщина которых не превышает толщину термоэлектрических элементов 16. Отверстие для прохода воздуха в бачке 2 примыкает к входному отверстию центробежного вентилятора 22, закрепленного винтами 23 на бачке 2. Наружная крышка 13 бачка 2 и кожух центробежного вентилятора 22 изготовлены из пластмассы, чтобы уменьшить теплопередачу между бачком и охлажденным воздухом в вентиляторе. При необходимости возможна дополнительная наружная теплоизоляция кожуха центробежного вентилятора.

Электрические соединения 24 термоэлектрических элементов 16 выполнены в замкнутом внутреннем объеме ТЭГ и через выведенные наружу ТЭГ электрические провода 15 подключаются к источнику электропитания.

Наружные патрубки 3 и 4 подсоединяются к магистрали вспомогательного жидкостного контура. Направление движения жидкости в бачках ТЭГ в данном случае значения не имеет.

Предложенный ТЭГ, выполненный в виде моноблока с центробежным вентилятором, работает следующим образом.

При подведении к термоэлектрическим элементам 16 электрического тока на одной их стороне, прижатой к плоским бачкам 1 и 2, происходит выделение тепла, а на другой стороне, к которой прижата гофрированная лента 18, тепло поглощается (эффект "теплового насоса").

Выделяемое тепло передается через крышки 11 и 12 к циркулирующему в каналах бачков 1 и 2 жидкому теплоносителю и далее сбрасывается в окружающую среду.

Внутренний объем ТЭГ, ограниченный плоскими бачками 1 и 2 и боковыми стенками упоров 17, сообщается с заборным отверстием центробежного вентилятора 22, поэтому наружный воздух поступает во внутренний объем ТЭГ, проходя вдоль холодных поверхностей термоэлектрических элементов 16, оребренных гофрированной лентой 18. Далее охлажденный воздух поступает из ТЭГ в центробежный вентилятор, подключенный к источнику электропитания, и направляется в кондиционируемое помещение или в воздуховод транспортного средства.

Внутри ТЭГ обеспечивается надежная теплоизоляция охлажденного воздуха от нагретых плоских бачков 1 и 2, что при наличии надежного теплового контакта термоэлектрических элементов 16 с бачками 1 и 2 и гофрированной лентой 18 обеспечивает максимальную эффективность процесса теплопередачи и высокие удельные характеристики компактного транспортного ТЭГ.

Изобретение относится к установкам для производства тепла или холода и предназначено для использования в транспортных кондиционерах воздуха. Генератор содержит термоэлектрические элементы, подключенные к источнику электропитания. Плоские бачки выполнены с внутренними каналами для прокачки жидкого теплоносителя и установлены с примыканием к плоским поверхностям горячих спаев для восприятия выделяемого ими тепла. Гофрированные металлические ленты установлены на входах потока охлаждаемого воздуха с оребрением плоских поверхностей холодных спаев для отбора выделяемого ими холода. Термоэлектрические элементы, бачки и гофрированные ленты плотно сжаты в единый пакет с использованием ограничительных упоров, высота которых выбрана из условия обеспечения требуемых усилия сжатия, величины упругой деформации гофрированных лент и жесткости всей стянутой конструкции. В бачках между упомянутыми внутренними каналами выполнены сквозные отверстия для направления охлаждаемого воздуха в замкнутый внутренний объем генератора и далее к наружным патрубкам. Изобретение обеспечивает максимальную эффективность процесса теплопередачи и высокие удельные характеристики компактного транспортного термоэлектрического генератора. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Термоэлектрический генератор, содержащий термоэлектрические элементы, подключенные к источнику электропитания, по меньшей мере один плоский бачок, выполненный с внутренними каналами для прокачки жидкого теплоносителя и установленный с примыканием теплопроводящей поверхности к плоским поверхностям горячих спаев термоэлектрических элементов для восприятия выделяемого ими тепла, гофрированные металлические ленты, установленные на входах потока охлаждаемого воздуха с оребрением плоских поверхностей холодных спаев термоэлектрических элементов для отбора выделяемого ими холода, отличающийся тем, что термоэлектрические элементы, плоские бачки и гофрированные металлические ленты плотно сжаты в единый пакет с использованием ограничительных упоров, высота которых выбрана из условия обеспечения требуемых усилия сжатия, величины упругой деформации гофрированных металлических лент и жесткости всей стянутой конструкции, при этом в плоских бачках между упомянутыми внутренними каналами выполнены сквозные отверстия для направления охлаждаемого воздуха в замкнутый внутренний объем генератора между плоскими бачками и боковыми стенками ограничительных упоров и далее к наружным патрубкам. 2. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что размеры и конфигурация каналов для прохода жидкости внутри плоских бачков соответствуют размерам и конфигурации уложенных на бачки термоэлектрических элементов, за исключением местоположения необходимых перепускных каналов вне мест укладки термоэлектрических элементов. 3. Термоэлектрический генератор по п.1 или 2, отличающийся тем, что в его замкнутом внутреннем объеме давление охлаждаемого воздуха может быть больше или меньше атмосферного давления. 4. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в нем имеется более одного замкнутого внутреннего объема. 5. Термоэлектрический генератор по п.4, отличающийся тем, что в нем все или часть замкнутых внутренних объемов не сообщаются друг с другом. 6. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что в нем замкнутый внутренний объем разделен на изолированные одна от другой части, через которые прокачиваются независимые друг от друга потоки охлаждаемого воздуха. 7. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что все или часть гидравлических соединений между бачками выполнены в замкнутых внутренних объемах. 8. Термоэлектрический генератор по п. 7, отличающийся тем, что в нем имеются, по меньшей мере, два независимых друг от друга контура циркуляции жидкого теплоносителя. 9. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что в нем, по меньшей мере, один воздушный вентилятор, прокачивающий охлаждаемый воздух, закреплен непосредственно на корпусе генератора с образованием единого моноблока. 10. Термоэлектрический генератор по п.9, отличающийся тем, что воздушные вентиляторы полностью или частично размещены в пределах внешних габаритных размеров генератора. 11. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что ограничительные упоры являются внешними стенками замкнутых внутренних объемов, а также внутренними перегородками, разделяющими замкнутый внутренний объем или образующими внутри него воздушные каналы. 12. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что свободные поверхности плоских бачков в замкнутых внутренних объемах покрыты теплоизолирующим материалом. 13. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что плоские бачки выполнены сборными, крышки бачков, на которые уложены термоэлектрические элементы, изготовлены из теплопроводящего материала, а остальные крышки и внутренняя часть бачков между крышками - из материала с низкой теплопроводностью, например из пластмассы.