СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ВНУТРЕННИХ ПОЛОСТЕЙ ЦЕНТРАЛЬНЫХ СЕКЦИЙ ТЕПЛООБМЕННИКА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА Российский патент 2003 года по МПК F25B21/02 

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии, в частности к установкам для производства тепла и холода, снабженным теплообменниками, работающими на жидком теплоносителе, и может быть использовано для кондиционирования воздуха как на транспортных средствах, так и в стационарных системах кондиционирования, в радиоэлектронных и электрических устройствах.

Известен способ герметизации внутренних полостей центральных секций теплообменника термоэлектрического генератора, включающий предварительное нанесение слоя герметика на обезжиренную поверхность контактирования крышек центральных секций с их рамками и разделительными перегородками, образующими направляющие каналы, и последующую равномерную стяжку секций крепежными элементами, размещенными по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек теплообменника. Указанный способ реализован в известном из патента РФ 2160944. Н 01 L 35/00, 35/28, F 25 В 29/00, 1999 г. термоэлектрическом генераторе, содержащем источник питания и подключенную к нему по меньшей мере одну термобатарею, выполненную из полупроводниковых термоэлементов типов "n" и "р", соединенных между собой коммутационными пластинами с плоскими теплопередающими поверхностями, образующими горячие и холодные спаи, и теплообменник, примыкающий к ним через эластичные теплопроводящие прокладки плоскими параллельными противолежащими крышками центральных секций, состоящих из узких по высоте рамок с креплением и разделительных перегородок с креплением, ориентированных перпендикулярно плоскости теплопроводящих, примыкающих к спаям, поверхностей крышек с образованием во внутренней полости каждой центральной секции направляющих теплоноситель каналов, выполненных с возможностью турбулизации теплоносителя. Центральные секции теплообменника установлены параллельно друг другу с чередованием с термобатареями и возможностью герметизации внутренней полости секций для предотвращения утечки теплоносителя, а затем стянуты в единый пакет посредством крепежных элементов, равномерно размещенных по плоской теплопередающей поверхности крышек теплообменника.

Центральные секции гидравлически сообщены между собой посредством впускных и выпускных патрубков с образованием холодного и горячего контуров циркуляции теплоносителя. Рамки центральных секций могут быть выполнены в виде единой детали с одной из крышек, а детали теплообменника: крышки, рамки и места крепления центральных секций могут быть соединены и герметизированы посредством прокладок или слоя герметика.

Указанное известное техническое решение позволяет достаточно эффективно передавать тепло и холод, выделяемые на поверхности термоэлементов за счет эффекта Пельтье, однако надежность работы этого генератора недостаточна, поскольку при длительной эксплуатации в условиях максимального перепада температур между горячими и холодными спаями, равного, например, 71^oС, может сказаться недостаточная жесткость рамок центральных секций теплообменника, поскольку они выполнены узкими при значительной длине, особенно для генераторов больших мощностей, а также плохая герметизация внутренних полостей, центральных секций теплообменника, содержащих теплоноситель, поскольку в указанном известном решении выполнение герметизирующего слоя между крышкой и рамкой, а также между рамками не является обязательным, следовательно, приводит к теплопотерям из-за нарушения герметизации этих полостей, снижает эксплуатационную надежность и эффективность работы генератора.

Способ герметизации внутренних полостей центральных секций теплообменника вышеуказанного термоэлектрического генератора является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому техническому результату и взят в качестве прототипа.

Задача изобретения состоит в повышении эксплуатационной надежности работы термоэлектрогенератора путем компенсации термомеханических нагрузок высокой эффективностью герметизации стыков узких центральных секций теплообменника, повышении прочности их соединения.

Для решения поставленной задачи с заявляемым техническим результатом в известном способе герметизации внутренних полостей центральных секций теплообменника термоэлектрического генератора, включающем предварительное нанесение слоя герметика на обезжиренную поверхность контактирования крышек центральных секций с их рамками и разделительными перегородками, образующими направляющие каналы, и последующую равномерную стяжку секций и термобатарей крепежными элементами, размещенными по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек теплообменника, согласно изобретению, дополнительно осуществляют армирование нанесенного слоя герметика по меньшей мере одним рядом скрученной в несколько сложений нити, выполненной их натурального волокна диаметром 0,5-1,0 мм и размещенной в виде замкнутого кольца по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек, равномерную стяжку центральных секций достигают дополнительной установкой крепежных элементов по средним линиям разделительных перегородок и внутри герметизированных от теплоносителя осевых отверстий бобышек, размещенных во внутренней полости центральных секций, например между разделительными перегородками; поверхности контактирования крышек с рамками центральных секций, разделительными перегородками и торцами бобышек механически обрабатывают до величины максимального отклонения профиля шероховатости, равного 3,2-3,4 мкм; нанесение герметика на поверхность контактирования осуществляют сплошным слоем, толщину которого до сжатия крепежными элементами выполняют равной 0,5-1,0 мм, причем после нанесения герметика на поверхность контактирования производят выдержку в течение 15-20 мин до начала поверхностной полимеризации герметика, а затем осуществляют стяжку крепежными элементами с величиной крутящего момента на один крепежный элемент, равной предпочтительно 1,1-1,4 нм, а оси крепежных элементов, размещенных по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек, удаляют от наружной кромки этих крышек на расстояние, по меньшей мере равное 1,0-1,2 диаметра крепежного элемента.

В качестве натурального волокна для армирования герметика может быть взят шелк и/или лен.

В качестве герметика может быть взят полимеризующийся при нормальных атмосферных условиях клей-герметик, например, силиконовый, Боди-920, Крафт.

Проведенный анализ патентной и научно- технической литературы не выявил известности предлагаемого технического решения.

На фиг.1 представлен продольный разрез термоэлектрического генератора на виде спереди; на фиг.2 - продольный разрез его на виде сбоку; на фиг.3 показан вид сверху на генератор.

Термоэлектрогенератор содержит теплообменник, состоящий из узких центральных секций, образованных рамками 1, снабженными сверху и снизу крышками 2 и незамкнутыми разделительными перегородками 3, высота которых равна высоте рамок 1. Перегородки 3 установлены перпендикулярно плоским теплопередающим поверхностям крышек 2 с образованием каналов 4, направляющих теплоноситель. Рамки центральных секций могут быть выполнены за одно целое по меньшей мере с одной из крышек 2.

Во внутренней полости 5 центральных секций между разделительными перегородками 3 или в них установлены бобышки 6, снабженные сквозными герметизированными от внутренней полости секций с теплоносителем отверстиями под крепежные элементы 7.

Разделительные перегородки 3 могут быть выполнены с креплением на рамке 1 или за одно целое с ней или с креплением на крышке 2. Ширина перегородок 3 и расстояние между наружной кромкой 8 крышек 2 и плоскостью размещения осей 9 крепежных элементов 7, размещенных по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек 2, оптимизированы.

Крышки 2 установлены с примыканием к торцам рамок 1, разделительных перегородок 3 и торцам бобышек 6 обязательно через герметизирующий слой оптимальной толщины, армированный, например, шелковой скрученной нитью 10, размещенной в виде замкнутого кольца по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышке 2, причем количество параллельных рядов таких нитей может быть по меньшей мере равным одному.

Для лучшей адгезии с деталями центральных секций поверхности последних обработаны механически с максимальным отклонением профиля шероховатости, равным 3,2-3,4 мкм.

Гидравлически центральные секции теплообменника сообщены между собой посредством впускных 11 и выпускных 12 патрубков и соединительных шлангов соответственно с образованием горячего и холодного контуров циркуляции теплоносителя.

Соединяемые патрубки центральных секций выполнены с длиной, меньшей половины расстояния между их торцами, на величину гарантированного зазора для стяжки крепежными элементами в пакет. Центральные секции теплообменника установлены друг над другом с чередованием с термобатареями 13. Спаи термобатарей контактируют с крышками 2 теплообменника через эластичную теплопроводящую прокладку, выполненную в виде слоя пасты, например, кремнийорганической, с оптимизированным коэффициентом теплопроводности.

Для снижения теплопотерь при передаче тепла оптимизирована теплопроводность материалов рамок и крышек центральных секций, причем крышки выполнены с более высокой величиной теплопроводности.

Пример реализации способа.

Поверхность контактирования крышек 2 центральных секций с их рамками 1 и разделительными перегородками 3, обработанную до максимального отклонения профиля шероховатости, равного 3,2 мкм, сначала обезжиривают ацетоном, сухую поверхность, а затем наносят на ее сплошным покрытием слой клея-герметика, например, силиконового "Эластосил" (ТУ 6-02-1-037-91 с рабочим диапазоном рабочих температур от -60 до +200^oС). Применяемый клей-герметик полимеризуется при нормальных атмосферных условиях.

Толщину слоя герметика выполняют равной 0,54-1,0 мм. Сразу же после нанесения герметика производят армирование его натуральной скрученной в несколько сложений, например, шелковой нитью толщиной/диаметром/, например, равным 0,6 мм, прокладывая ее по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек 2 между их наружной кромкой 8 и плоскостью размещения осей 9 крепежных элементов 7, предпочтительно на расстоянии от наружной кромки, равном 1,0 диаметра крепежного элемента/шпильки/ 7. Армирование нитью 10 производят таким образом, чтобы нить была размещена в виде замкнутого кольца, по меньшей мере одно, а свободные концы ее были положены с перекрытием друг друга на 3-5 см.

После выдержки в течение 15 минут до начала поверхностной полимеризации герметика осуществляют равномерную стяжку центральных секций крепежными элементами, причем равномерности стяжки достигают как равномерным расположением крепежных элементов, по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек, так и равномерный расположением крепежных элементов по средним линиям разделительных перегородок или по равномерно расположенным бобышками, заглубленным во внутреннюю полость центральных секций и выполненных с герметизацией отверстий под крепежные элементы, от теплоносителя.

Стягивание крепежными элементами осуществляют с оптимизированной величиной крутящего момента на один крепежный элемент, равной, например, 1,1 нм.

Работа предлагаемого термогенератора осуществляется следующим образом.

При подведении к термоэлементам батареи электрического тока на одной из коммутационных пластин за счет эффекта Пельтье происходит выделение тепла, а на другой - поглощение его. Термобатареи установлены в контакте с центральными секциями теплообменника, причем крышки этих секций выполнены из материала с высокими показателями теплопроводности и обработаны специальными средствами ее повышения. В результате контакта в одних центральных секциях осуществляется нагрев теплоносителя, а в других - его охлаждение. Секции сгруппированы в два контура циркуляции: холодный и горячий. Холодный теплоноситель может быть использован для охлаждения воздуха, например, в салоне автомобиля. Горячий теплоноситель также может быть использован в различных нагревательных устройствах.

Реализация предлагаемого способа герметизации внутренних полостей центральных секций теплообменника термоэлектрического генератора позволит существенно повысить эксплуатационную надежность работы термогенератора путем компенсации термомеханических и вибрационных нагрузок высокой эффективностью герметизации стыков узких при значительных теплопередающих поверхностях центральных секций теплообменника.

Термоэлектрический генератор с предлагаемым способом герметизации его центральных секций теплообменника успешно прошел испытания и подготовлен к производству.

Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии, в частности к установкам для производства тепла или холода, снабженным теплообменниками, работающими на жидком теплоносителе, и может быть использовано для кондиционирования воздуха как на транспортных средствах, так и в стационарных системах кондиционирования, в электрических и радиоэлектронных устройствах. Технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности генератора путем компенсации термомеханических нагрузок высокой эффективностью герметизации стыков узких центральных секций теплообменника и достигается тем, что в способе герметизации внутренних полостей центральных секций теплообменника термоэлектрического генератора, содержащего термобатареи, выполненные из полупроводниковых термоэлементов типов "n" и "р", путем предварительного нанесения слоя герметика на обезжиренную поверхность контактирования крышек центральных секций с их рамками и разделительными перегородками, образующими направляющие каналы, и последующую равномерную стяжку секций крепежными элементами, размещенными по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек теплообменника, согласно изобретению дополнительно армируют нанесенный слой герметика по меньшей мере одним рядом скрученной нити, выполненной из натурального волокна, например шелка, и размещенной в виде замкнутого кольца по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек, достигают равномерной стяжки центральных секций дополнительной установкой крепежных элементов по средним линиям разделительных перегородок и внутри герметизированных от теплоносителя осевых отверстий бобышек, размещенных во внутренней полости центральных секций, а также оптимизируют величину максимального отклонения профиля шероховатости, толщину слоя герметика, нанесенного сплошным слоем на поверхности контактирования до стяжки крепежными элементами, и величину крутящего момента на один крепежный элемент. Кроме того, оптимизирована ширина поверхности контактирования по периметру крышек. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ герметизации внутренних полостей центральных секций теплообменника термоэлектрического генератора, включающий предварительное нанесение слоя герметика на обезжиренную поверхность контактирования крышек центральных секций с их рамками и разделительными перегородками, образующими направляющие каналы, и последующую равномерную стяжку секции и термобатарей крепежными элементами, размещенными по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек теплообменника, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют армирование нанесенного слоя герметика по меньшей мере одним рядом скрученной в несколько сложений нити, выполненной из натурального волокна, имеющей диаметр 0,5-1,0 мм, и размещенной в виде замкнутого кольца по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек; равномерную стяжку центральных секций достигают дополнительной установкой крепежных элементов по средним линиям разделительных перегородок; поверхности контактирования крышек с рамками центральных секций и разделительными перегородками механически обрабатывают до величины максимального отклонения профиля шероховатости, равного 3,2-3,4 мкм; нанесение герметика на поверхность контактирования осуществляют сплошным слоем, толщину которого до сжатия крепежными элементами выполняют равной 0,5-1,0 мм, причем после нанесения герметика на поверхность контактирования производят выдержку в течение 15-20 мин до начала поверхностной полимеризации герметика, а затем осуществляют стяжку крепежными элементами с величиной крутящего момента на один крепежный элемент, равной предпочтительно 1,1-1,4 нм, а оси крепежных элементов, размещенных по периметру периферийной части плоских теплопередающих поверхностей крышек, удаляют от наружной кромки этих крышек на расстояние, по меньшей мере равное 1,0-1,2 диаметра крепежного элемента. 2. Способ герметизации по п. 1, отличающийся тем, что равномерную стяжку центральных секций дополнительно достигают установкой крепежных элементов внутри герметизированных от теплоносителя осевых отверстий бобышек, размещенных во внутренней полости центральных секций. 3. Способ герметизации по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве натурального волокна для армирования берут натуральный шелк и/или лен. 4. Способ герметизации по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве герметика берут полимеризующийся при нормальных атмосферных условиях клей-герметик, например силиконовый, Боди-920 или Крафт.