УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА АККУМУЛЯТОРА И ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ЕГО ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01M10/50 G01K17/00 

Предлагаемое изобретение относится к теплотехнике и может найти преимущественное применение при экспериментальных исследованиях теплоэнергетического режима отдельного аккумулятора аккумуляторной батареи космического аппарата.

Известны устройства аналогичного назначения, смотри патент РФ №2100876, МПК H01L 35/28. Устройство содержит термобатарею, состоящую из m термоэлементов, работающих на принципе эффекта Пельтье, скомпонованных в две параллельные размещенные последовательно по потоку теплоносителя линии, между линиями размещен короб для технологического теплоносителя, с внешней стороны каждой линии размещены коробы с сотовым заполнителем для усиления теплообмена с рабочим теплоносителем (воздухом), а для регулирования режима термоэлектрической батареи ее комплектуют регулятором температуры, состоящим из датчика температуры, блока сравнения, усилителя, регулирующего органа и многоканального распределителя, обеспечивающего оптимальное значение тока для каждого термоэлемента (ТЭ).

Недостатки аналога в том, что он направлен на оптимизацию режима работы термоэлемента, а не на измерение мощности тепловыделения (или поглощения, - термоэлементы обратимы). Звенья, реализующие последнюю, в аналоге отсутствуют.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является патент на полезную модель №104383, МПК H01L 35/28, принятый за прототип. Устройство содержит теплопроводник, который своей одной плоскостью находится в тепловом контакте с первыми датчиками температуры и большими гранями m тепловых концентраторов, выполненных в виде призм и имеющих в сечении форму равнобокой трапеции, а противоположные и параллельные им малые грани - в тепловом контакте со вторыми m датчиками температуры и плоскостями m термоэлементов, противоположные плоскости которых находятся в тепловом контакте с плоскостью теплообменника, по которому прокачивается технологический теплоноситель. Для уменьшения теплового сопротивления контакт обеспечивается слоем теплопроводного вещества, а для исключения обратного перетекания тепла (теплового шунтирования) пространство между теплопроводником и теплообменником заполнено теплоизолирующим веществом. Другая плоскость теплопроводника находится в тепловом контакте с теплопроводной плитой аккумуляторной батареи. Выходы датчиков температуры присоединены ко входам m элементов сравнения. Выходы элементов сравнения присоединены к первым m входам коммутатора, первый выход коммутатора присоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выход АЦП присоединен к шине данных электронной вычислительной машины (ЭВМ), ко входу цифроаналогового преобразователя (ЦАП), к управляющим входам АЦП, ЦАП и коммутатора, m аналоговых выходов которого присоединены ко входам усилителей мощности, в нагрузку которых включены m соответствующих термоэлектрических элементов.

Недостатками указанного прототипа являются:

- неудовлетворительная точность измерения мощности тепловыделения отдельно взятых аккумуляторов малой единичной емкости (10÷20 А·ч);

- большая инерционность теплового концентратора, выполненного в виде массива, вследствие его большой теплоемкости;

- неравномерность температурного поля по плоскости грани концентратора, находящегося в тепловом контакте с гранью аккумулятора, вследствие неодинакового теплового сопротивления, обусловленного геометрическим эффектом.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение точности и быстродействия измерения мощности тепловыделения аккумулятора, равномерный отвод тепла по плоскости теплового контакта концентратора и аккумулятора.

Данная задача решается за счет того, что в устройстве, содержащем тепловой концентратор, два датчика температуры, один из которых находится в тепловом контакте с поверхностью термоэлемента, противоположная поверхность которого находится в тепловом контакте с плоскостью теплообменника, второй датчик температуры, находящийся в тепловом контакте с аккумулятором, причем выходы датчиков температуры присоединены ко входу блока сравнения, выход блока сравнения присоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя, его выход - к шине данных электронной вычислительной машины, выходы которой подключены ко входу цифроаналогового преобразователя и к управляющим входам аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, выход цифроаналогового преобразователя присоединен ко входу усилителя мощности, в нагрузку которого включен термоэлемент, сам тепловой концентратор выполнен в виде параллельных металлических пластин, одна из которых находится в тепловом контакте с гранью аккумулятора и первым датчиком температуры, другая - со вторым датчиком температуры, а металлические пластины скреплены n тонкими дугообразными теплопроводящими пластинами, причем шаг их крепления на первой - переменный и уменьшается от центра к периферии обратно пропорционально длине n-й теплопроводящей пластины, а на второй - постоянный. Для обеспечения чувствительности толщину n дугообразных теплопроводящих пластин выбирают в 40-50 раз меньше расстояния между параллельными металлическими пластинами, а для уменьшения ошибки наносят на них слой теплоизолирующего материала толщиной ≈0,5 мм.

На фиг.1 изображен общий вид устройства.

На фиг.2 изображена блок-схема для измерения мощности тепловыделения.

Заявляемое устройство содержит тепловой концентратор (ТК), представляющий собой сборку из параллельных металлических пластин 1 и 4, скрепленных посредством n теплопроводящих пластин 3, причем шаг их крепления на пластине 4 - постоянный, а на пластине 1 - переменный и уменьшается от центра к периферии обратно пропорционально длине n-й теплопроводящей пластины. Длина n теплопроводящих пластин 3 выбирается из условия обеспечения необходимого перепада температур на параллельных металлических пластинах 1 и 4 в зависимости от точности измерительной и вычислительной аппаратуры и датчиков. При высоте концентратора h и толщине теплопроводящей пластины d мм отношение h/d должно лежать в пределах 40-50. Для повышения точности сборки и плотности прилегания пластины 1 к грани аккумулятора (и как следствие уменьшения ошибки измерения мощности тепловыделения аккумулятора) n теплопроводящие пластины выполнены дугообразно с нелинейностью ≈2 мм. Также для уменьшения ошибки от вредного влияния теплового шунтирования, обусловленного конвекцией воздуха в межпластиночном пространстве, поверхности n теплопроводящих пластин покрыты слоем теплоизолирующего материала толщиной ≈0,5 мм.

Пластина 1 находится в тепловом контакте с первым датчиком температуры 2 и одной из граней аккумулятора 10, а пластина 4 - в тепловом контакте с одной стороны со вторым датчиком температуры 5, а с другой с ТЭ 6, который противоположной гранью находится в тепловом контакте с плоскостью теплообменника (ТО) 7, по которому прокачивается технологический теплоноситель 8. Для уменьшения теплового сопротивления контакт между металлической пластиной 1 и аккумулятором, металлической пластиной и ТЭ 6, ТЭ 6 и ТО 7 обеспечивается слоем теплопроводного вещества 9. Выходы датчиков температуры 2 и 5 присоединены ко входу элемента сравнения 11. Выход блока сравнения 11 присоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 12, выход АЦП 12 присоединен к шине данных электронной вычислительной машины (ЭВМ) 13, которая в свою очередь присоединена ко входу цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 14, который присоединен ко входу усилителя мощности 15, в нагрузку которого включен ТЭ 6.

Работает устройство следующим образом. При циклировании аккумулятор 10 выделяет тепло, при этом температура пластины 1 повышается и тепловой поток от нее начинает течь через теплопроводящие пластины 3, металлическую пластину 4 и ТЭ 6 к ТО 7, где передается технологическому теплоносителю 8. При этом на металлических пластинах 1 и 4 возникает перепад температур, приводящий к появлению разностного сигнала от датчиков температуры 2 и 5 на блоке сравнения 11, пропорциональный мощности тепловыделения. Этот сигнал преобразуется в цифровой код с помощью АЦП 12 и обрабатывается ЭВМ 13, выполняющей также функцию управления АЦП 12 и ЦАП 14. Управление режимом ТЭ 6 осуществляется по заданной программе ЭВМ 13 с помощью ЦАП 14 и усилителя мощности (УМ) 15.

Заявленное устройство выполнено на базе термоэлементов Пельтье, производимых фирмой «Криотерм» Drift-0.8 либо Frost-74, теплопроводящие поверхности которых изготовлены из керамики и выполняют одновременно функцию электроизолятора. Составляющие элементы теплового концентратора (см. фиг.1) выполнены из листовой стали КП-08 и для аккумулятора ЛИПГ-10 (10 А·ч) размеры пластины: 1 - 25×130 мм, 4 - 40×40 мм, пластины 3 имеют трапецеидальную форму с отгибами на концах по всей ширине пластин 1 и 4 и скрепляются с последними пайкой. При высоте концентратора h=35 мм и толщине пластин d=0,8 мм отношение h/d=43,75. Для обеспечения требуемой чувствительности указанное соотношение должно лежать в пределах 40-50. Датчиками температуры 2 и 5 служат полупроводниковые терморезисторы СТ3-14В, как более чувствительные по сравнению с металлическими, включенные по дифференциальной схеме. Нелинейность полупроводниковых элементов терморезисторов линеаризуется программно ЭВМ.

Заявляемое устройство, в отличие от прототипа, позволяет повысить точность измерения мощности тепловыделения за счет увеличения перепада температур на параллельных плоскостях теплового концентратора, а также повысить быстродействие устройства за счет уменьшения теплоемкости теплового концентратора.

Изобретение относится к теплотехнике и может найти преимущественное применение при экспериментальных исследованиях теплоэнергетического режима отдельного аккумулятора аккумуляторной батареи космического аппарата. Сущность: устройство содержит тепловой концентратор, состоящий из параллельных металлических пластин, скрепленных n теплопроводящими пластинами с нанесенным слоем теплоизолирующего материала, первого и второго датчиков температуры для измерения разности температур на параллельных металлических пластинах, возникающих в результате выделения тепла при циклировании аккумулятора. Стабилизация температуры и отвод тепла осуществляются термоэлементом, работающим на принципе эффекте Пельтье. Избыток выделившегося тепла на горячей стороне термоэлемента отводится технологическим теплоносителем, который прокачивается через теплообменник. Технический результат: повышение точности измерения мощности тепловыделения аккумулятора и быстродействия устройства, выравнивание температуры по площади контакта аккумулятора и теплового концентратора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для регулирования теплового режима аккумулятора и измерения мощности его тепловыделения, содержащее тепловой концентратор, два датчика температуры, один из которых находится в тепловом контакте с поверхностью термоэлемента, противоположная поверхность которого находится в тепловом контакте с плоскостью теплообменника, второй датчик температуры, находящийся в тепловом контакте с аккумулятором, причем выходы датчиков температуры присоединены ко входу блока сравнения, выход блока сравнения присоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя, его выход - к шине данных электронной вычислительной машины, выходы которой подключены ко входу цифроаналогового преобразователя и к управляющим входам аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, выход цифроаналогового преобразователя присоединен ко входу усилителя мощности, в нагрузку которого включен термоэлемент, отличающееся тем, что тепловой концентратор выполнен в виде параллельных металлических пластин, одна из которых находится в тепловом контакте с гранью аккумулятора и первым датчиком температуры, другая - со вторым датчиком температуры, а металлические пластины скреплены n дугообразными теплопроводящими пластинами, причем шаг их крепления на первой - переменный и уменьшается от центра к периферии обратно пропорционально длине n-й теплопроводящей пластины, а на второй - постоянный.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что толщину n дугообразных теплопроводящих пластин выбирают в 40-50 раз меньше расстояния между параллельными металлическими пластинами.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхность n теплопроводящих пластин нанесен слой теплоизолирующего материала толщиной ≈0,5 мм.