РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЯЧЕЙ СТОРОНЫ МОДУЛЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F25B21/02 H01L23/02 

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится в целом к охлаждению тепловой нагрузки посредством модуля термоэлектрического охлаждения, более точно к увеличению охлаждающей способности модуля путем снижения температуры его горячей стороны.

Охлаждение имеет широкую область применения, включая охлаждение овощей, напитков, охлаждение воздуха в кондиционерах и т.д. В настоящее время охлаждение в некоторых из этих целях обычно осуществляется посредством систем охлаждения на основе герметичных компрессоров. Поскольку такие охладители рассчитаны на снижение высоких температур тепловой нагрузки, например, от температуры 41-46°C, которая преобладает в некоторых тропических регионах, до пониженной температуры, например, 4-6°C, такое охлаждение сопровождается высоким потреблением энергии. Кроме того, оно приводит к высоким эксплуатационным и производственным затратам, а для обеспечения присущих ему высоких норм потребления энергии, в частности, также требуется охлаждающий двигатель большой мощности. Кроме того, применение таких компрессоров с постоянными электрическими и механическими потерями не является предпочтительным для такого охлаждения. Помимо этого, такие традиционно применяемые компрессоры не обеспечивают соизмеримых экономических выгод даже при уменьшении размера или мощности охладителя. К тому же, достигаемое изменение температуры происходит с низкой скоростью.

Одним из альтернативных решений, обеспечивающих такое охлаждение, для которого требуются охлаждающие двигатели большой мощности, служат, в частности, модули термоэлектрического охлаждения. Тем не менее, относительно более высокая охлаждающая способность таких термоэлектрических устройств обеспечивается только при такой температуре окружающего воздуха, когда температура горячей стороны термоэлектрического модуля может оставаться ниже определенной пороговой температуры. Более точно, улучшенная охлаждающая способность обеспечивается только при минимальной разности температур горячей стороны и холодной стороны термоэлектрического охладителя.

Таким образом, существует возможность усовершенствования систем термоэлектрического охлаждения за счет снижения температуры горячей стороны, охлаждения тепловой нагрузки посредством улучшенной охлаждающей способности и обеспечения относительно более эффективного охлаждения.

Краткое изложение сущности изобретения

В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложена система термоэлектрического охлаждения, имеющая горячую сторону с первой температурой. Кроме того, горячая сторона системы термоэлектрического охлаждения окружена средой с температурой окружающего воздуха. Система охлаждения также имеет холодную сторону для размещения тепловой нагрузки. Помимо этого, вблизи горячей стороны предусмотрен механизм поддержания первой температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения предложен способ охлаждения посредством термоэлектрического модуля. Модуль имеет горячую сторону с первой температурой, окруженную средой с температурой окружающего воздуха. Модуль имеет холодную сторону для размещения тепловой нагрузки. Способ включает поддержание первой температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха, расположенного вблизи горячей стороны посредством механизма поддержания первой температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха. В расположенном вблизи горячей стороны механизме поддержания первой температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха используется воздух, текучая среда и пластина. Более точно, пластина смачивается текучей средой, хранящейся в резервуаре и распределяемой по пластине, через которую проходит воздух и которая охлаждает текучую среду и пластину.

Краткое описание чертежей

На описанных далее чертежах представлен и проиллюстрирован ряд примеров осуществления изобретения. На всех чертежах одинаковые или функционально сходные элементы обозначены одинаковыми позициями. Чертежи являются пояснительными по своему характеру и изображены не в масштабе.

На фиг. 1А схематически проиллюстрирован один из примеров системы традиционного термоэлектрического охлаждения.

На фиг. 1Б схематически проиллюстрирован один из примеров системы термоэлектрического охлаждения согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2 показана диаграмма, иллюстрирующая один из примеров термоэлектрического охлаждения.

На фиг. 3А проиллюстрировано действие термоэлектрического охладителя посредством активного охлаждения испарением.

На фиг. 3Б проиллюстрировано действие термоэлектрического охладителя посредством пассивного охлаждения испарением.

На фиг. 4А проиллюстрирована система активного охлаждения испарением.

На фиг. 4Б проиллюстрирована система пассивного охлаждения испарением.

На фиг. 5 показана психрометрическая диаграмма согласно настоящему изобретению.

Подробное описание

Далее изобретение подробно описано со ссылкой на чертежи. Описанные примеры осуществления имеют целью проиллюстрировать объект изобретения, а не ограничить его объем, который определен прилагаемой формулой изобретения.

Общее представление

Настоящее изобретение относится в целом к способам и системам охлаждения нагрузки в модуле термоэлектрического охлаждения путем снижения температуры горячей стороны охлаждающего модуля. С этой целью применяется охлаждение испарением с целью снижения температуры горячей стороны, что позволяет постоянно поддерживать температуру горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха. Более точно, с целью поддержания температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха и улучшения охлаждающей способности модуля термоэлектрического охлаждения в нем конструктивно объединены системы пассивного и активного охлаждения испарением.

Примеры осуществления

Горячая сторона традиционного термоэлектрического охладителя обычно имеет температуру выше температур, преобладающих в среде, окружающей горячую сторону. Это объясняется тем, что горячая сторона термоэлектрического охладителя примыкает к теплоотводу и образует участок, высвобождающий тепло при подаче мощности постоянного тока.

Соответственно, на фиг. 1А показано традиционно известная и применяемая система 100а термоэлектрического охлаждения. Как хорошо известно из техники, система 100а охлаждения имеет холодную сторону 102 для размещения тепловой нагрузки, горячую сторону 104, имеющую первую температуру и действующую как теплоотвод, и устройство 106, содержащее традиционно применяемые полупроводники, медные пластины и керамические подложки. Устройство 106, хорошо известное специалистам в данной области техники, не будет описано дополнительно.

В процессе работы системы 100а разность температур (РТ) холодной стороны 102 и горячей стороны 104 образует фактор, определяющий относительную эффективность процесса охлаждения. Большая РТ подразумевает пропорционально большую требуемую мощность (охлаждающую способность), а меньшая РТ подразумевает пропорционально меньшую требуемую мощность (охлаждающую способность). В таких традиционных системах охлаждения РТ зависит в основном от количества тепла, отводимого в процессе охлаждения, и температуры, преобладающей в области 150 вокруг горячей стороны 104.

На фиг. 1Б показан пример другой системы 100b термоэлектрического охлаждения, в которой температура горячей стороны 104 постоянно поддерживается на уровне ниже температуры окружающего воздуха с целью повышения относительной эффективности и охлаждающей способности термоэлектрического охлаждения. В частности, предложенное в настоящем изобретении решение имеет целью снижение температуры горячей стороны 104 до уровня, близкого к температуре по влажному термометру, относительно температуры и соответствующей относительной влажности (ОВ), преобладающей в окружающей области 150. Следовательно, при достигнутой РТ холодной стороны 102 и горячей стороны 104 относительно меньшей, чем традиционно наблюдаемая РТ, улучшается охлаждающая способность и также пропорционально повышается соответствующая достигнутая эффективность.

На фиг. 2 показана диаграмма 200, иллюстрирующая зависимость между РТ при традиционном термоэлектрическом охлаждении и соответствующей охлаждающей способностью термоэлектрического охлаждающего двигателя. Соответственно, по оси X отложена разность температур (РТ) в °C, а по оси Y отложена охлаждающая способность термоэлектрического охлаждающего двигателя в ваттах. Линией 202 обозначено потребление тока, составляющее 14 ампер, для выполнения относительного объема работы термоэлектрическим охладителем. Видно, что при уменьшении РТ от 50°C до 30°C относительная охлаждающая способность термоэлектрического охлаждающего двигателя возрастает от 50 ватт до 90 ватт. Подразумевается, что все аналогичные изменения температуры (РТ) будут приводить к пропорциональному увеличению охлаждающей способности термоэлектрического двигателя и повышению общей относительной эффективности применяемого термоэлектрического охладителя. Аналогичные результаты можно наблюдать для всех кривых тока (не показанных), таких как линия 202. Кроме того, подразумевается, что все величины, приведенные выше при рассмотрении диаграммы 200, служат примерами и могут точно не соответствовать реальным величинам.

Рассмотренные выше системы дополнительно описаны со ссылкой на наглядные чертежи. Так, на фиг. 3А проиллюстрирован один из примеров системы охлаждения посредством термоэлектрического модуля, именуемой системой 300а термоэлектрического охлаждения. Система 300а имеет традиционно известную холодную сторону 102, горячую сторону 104, охлаждающую оболочку 302 для размещения тепловой нагрузки 304, которая представляет собой от овощей, напитков, потребительских товаров до кондиционированного помещения, а также другие объекты охлаждения.

В соответствии с особенностями настоящего изобретения находящийся вблизи горячей стороны механизм поддержания первой температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха, а именно устройство 350а активного охлаждения испарением конструктивно находится в постоянном контакте с системой 300а термоэлектрического охлаждения. В частности, устройство 350а непосредственно контактирует с горячей стороной 104 системы 300а, как показано на фиг. 3А. Более точно, устройство 350а активного охлаждения испарением содержит испарительную пластину 316 для удерживания или улавливания определенного количества текучей среды, именуемой водой 306. Вода 306, циркулирующая по стрелке В, хранится в резервуаре 308. Водяной насос 310 обеспечивает циркуляцию и распределение воды 306 по обозначенному стрелкой контуру 312, по которому вода 306 достигает испарительной пластины 316. Затем вода 306 распределяется по пластине 316 и смачивает ее. Кроме того, предусмотрен вентилятор 314 для нагнетания определенного количества воздуха, обозначенного стрелкой А, в первую структуру 317 для размещения главным образом пластины 316, воды 306 и насоса 310.

В частности, первая структура 317 содержит прорезь 321, которая позволяет вставлять испарительную пластину 316 и вводить ее в контакт с первой структурой 317. Кроме того, прорезь 321 может быть снабжена зажимами или защелками (не показанными), которые обеспечивают надежную установку пластины 316 в заданное положение внутри первой структуры 317.

Более подробно, упомянутая испарительная пластина 316 может иметь, например, кубовидную структуру, позволяющую ей входить в прорезь 321 в первой структуре 317. Отверстия или поры, имеющиеся в пластине 316, могут иметь больший размер, чем в пластине при пассивном охлаждении испарением (рассмотренном далее), что позволяет большему количеству воздуха проходить через пластину 316 в процессе эксплуатации. На пластину 316 могут наноситься гидрофобные покрытия, чтобы сделать ее водоотталкивающей, а также подавить рост бактерий и грибков. Испарительная пластина 316 может быть рассчитана на установку и извлечение из прорези 321 в первой структуре 317 посредством съемного картриджа 319, позволяющего легко вставлять и извлекать пластину, когда она изнашивается или теряет свою эффективность и должна быть заменена новой пластиной. Кроме того, как отмечено выше, защелки или зажимы прорези 321 способны обеспечивать точное размещение картриджа 319 с пластиной 316 внутри первой структуры 317. В некоторых случаях в зависимости от среды и преобладающих условий энергоснабжения испарительная пластина 316 может быть заменена поглощающей пластиной 316' (показанной на фиг. 3Б). Кроме того, структура, материал, методы конструирования и изготовления испарительной пластины 316 хорошо известны специалистам в данной области техники и не будут рассматриваться далее.

Вентилятор 314 служит для нагнетания определенного количества воздуха, обозначенного стрелкой А, в первую структуру 317 через испарительную пластину 316. Кроме того, вентилятор 314 приводится в действие посредством электрической проводки 309, проложенной от источника электропитания через всю систему 300а. Режим электрических соединений и соответствующих операций обеспечивается пультом 307 управления. Кроме того, насос 310 также приводится в действие источником электропитания.

Насосом 310 может являться широко применяемый насос, сконфигурированный на перекачивание, циркуляцию и распределение воды 306 по испарительной пластине 316. Поскольку применение насоса 310 хорошо известно, он не будет рассматриваться далее в описании.

В процессе работы электрический вентилятор 314 вращается и направляет окружающий воздух из окружающей области 150 в первую структуру 317. Электрический насос 310 включается и начинает нагнетать воду 306 через контур 312 в направлении по стрелке В. В контур 312 входит система труб, обеспечивающая циркуляцию воды 306, и водораспределитель, которые описаны далее. На входе в первую структуру 317 поступающая вода взаимодействует с испарительной пластиной 316. Поскольку пластина 316 рассчитана на смачивание при циркуляции воды 306, приточный воздух, обозначенный стрелкой А, снижает температуру по сухому термометру окружающей области 150 и приближает ее к относительной температуре по влажному термометру в зависимости от преобладающей относительной влажности (ОВ). Вода 306 и приточный воздух охлаждаются, вызывая падение температуры. Кроме того, при прохождении воздуха через испарительную пластину 316 падение температуры сопровождается увеличением массы воздуха за счет повышения содержания влаги в воздухе при его прохождении через пластину 316. Соответственно, стрелкой А′ обозначен почти насыщенный влагой воздух. Затем постоянно действующий вентилятор 314 подает воздух по каналу 318, как показано на чертежах, на горячую сторону 104, которая охлаждается, в результате чего первая температура горячей стороны 104 становится ниже температуры окружающей области 150. В качестве альтернативы, также может применяться любое устройство для подачи воздуха или насос (не показанный), способный перекачивать желаемое количество воздуха на горячую сторону 104. Воздух выходит из первой структуры 317 и всей системы 300а через выход 320, обозначенный стрелкой С. Подразумевается, что для поддержания потребления энергии на минимальном уровне в некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрено, что термоэлектрическое охлаждение начинается только после того, как первая температура горячей стороны 104 падает ниже температуры окружающего воздуха.

Из описанного процесса ясно, что падение температуры приточного воздуха сопровождается также падением температуры воды 306, протекающей через пластину 316. Соответственно, вода 306, стекающая в резервуар 308, как указано стрелкой В, является более холодной и имеет более низкую температуру, чем температура окружающего воздуха. Таким образом, помимо охлажденного воздуха, обозначенного стрелкой А′, на горячую сторону 104 посредством альтернативных контуров (не показанных) может подаваться также охлажденная вода 306, чтобы температура горячей стороны 104 упала ниже температуры окружающего воздуха. Тем не менее, в таких конфигурациях может требоваться водяной насос (не показанный) для перекачивания охлажденной 306 воды из резервуара 308 на горячую сторону 104 системы 300а термоэлектрического охлаждения, чтобы температура горячей стороны 104 упала ниже температуры окружающего воздуха.

В некоторых вариантах осуществления системы термоэлектрического охлаждения, действующие согласно описанному принципу, могут иметь датчики температуры, способные определять температуру горячей стороны 104 и окружающей области 150 и, соответственно, приводить в действие термоэлектрическое охлаждение только, когда определено, что температура горячей стороны 104 упала ниже температуры окружающей области 150. После того как определено, что температура горячей стороны 104 равна температуре по сухому термометру окружающей области 150 или превышает ее, термоэлектрическое охлаждение прекращается. Кроме того, термоэлектрическое охлаждение может возобновляться только, когда температура горячей стороны 104 падает ниже температуры окружающей области 150 в процессе работы устройства 350а. Прекращение термоэлектрического охлаждения, такое как упомянуто выше, может обеспечиваться посредством механизма защитной блокировки, который срабатывает, когда количество воды 306 становится меньше заданного порогового количества или когда выключается вентилятор 314, нагнетающий воздух.

Соответствующие сигналы температуры, генерируемые датчиками, могут обрабатываться контроллером (не показанным) с целью приведения в действие/прекращения термоэлектрического охлаждения, когда это требуется. Такие средства, если они предусмотрены, способны обеспечивать уменьшение неправильного использования энергии и снижать эксплуатационные и производственные затраты в процессе охлаждения.

В качестве альтернативы, снижение температуры горячей стороны 104 осуществляется путем пассивного охлаждения испарением. Соответственно, система 300b термоэлектрического охлаждения может конструктивно контактировать с устройством 350b пассивного охлаждения испарением, как показано на фиг. 3Б, а не устройством 350а. Как и в случае системы 300а термоэлектрического охлаждения, устройство 350b непосредственно контактирует со стороной 104 системы 300b. В отличие от испарительной пластины 316, применяемой в системе 300а, при пассивном охлаждении испарением используется поглощающая пластина 316′ с открытыми микропорами для поглощения воды 306 по мере ее распределения через показанный водораспределитель 340, при этом поглощение воды 306 происходит за счет капиллярного действия. Кроме того, пластина 316′ является гибкой наподобие ткани и дополнительно может содержать микропоры, поглощающие воду или любую другую жидкость, в контакте с которой находится пластина 316′. Помимо этого, размер пор выбран таким образом, что, когда через пластину 316′ продувается определенное количество воздуха, температура горячей стороны 104 снижается. За счет выбора размера микропористой структуры вода 306 или любая другая жидкость может поглощаться и удерживаться внутри пластины 316′ в течение достаточно длительного времени.

В одном из вариантов осуществления на одной из сторон пластины 316′, обращенной в сторону окружающей области 150, как показано на чертежах, может быть нанесено название компании, логотип и т.п. для размещения на обращенном наружу участке, который, соответственно, также может быть выполнен водоотталкивающим. Соответственно, до применения пластины 316′ она может быть обработана известными средствами, такими как гидрофобное покрытие для подавления роста бактерий и грибков в течение длительных периодов применения. Тем не менее, подразумевается, что такие покрытия наносят на ограниченную площадь поверхности с одной сторону пластины 316′, чтобы покрытие не перекрывало поток воздуха, а размещенное на ограниченной площади поверхности название компании, логотип и т.п. было бы заметным.

Как и рассмотренная испарительная пластина 316, поглощающая пластина 316′ также может быть установлена или закреплена на горячей стороне 104 с помощью съемного картриджа 319′. Соответственно, кронштейн 321′, расположенный на горячей стороне 104, может быть снабжен средствами, аналогичными средствам прорези 321, и обеспечивать установку пластины 316′ в заданное положение на горячей стороне 104. Кронштейн 321′ может быть снабжен зажимами или защелками, позволяющими надежно крепить пластину 316′ к горячей стороне 104. Структура, материал, методы конструирования и изготовления пластин такого рода и соответствующих картриджей хорошо известны специалистам в данной области техники и не будут рассматриваться далее.

Также предусмотрен резервуар, такой как резервуар 308. Как указано выше, резервуар 308 может быть приспособлен для сбора воды 306, которая через разбрызгиватели 336 просачивается или стекает каплями из поглощающей пластины 316′. Кроме того, может быть предусмотрен контур 334, позволяющий возвращать воду 306, накапливающуюся в резервуаре 308, в сборник 330. Предусмотрен обратный клапан 338, который допускает только однонаправленный поток воды 306 через контур 334 из резервуара 308 в сборник 330 и предотвращает поток в противоположном направлении. В частности, сборником 330 может являться водосборная камера, которая может быть сконфигурирована таким образом, чтобы в ней имелся гидростатический напор, создаваемый заполняющей ее текучей средой. Кроме того, предусмотрен трубопровод 332, по которому вода 306 через распределитель 340 может поступать из сборника 330 в поглощающую пластину 316′.

В процессе работы вода в сборнике 330 с определенным гидростатическим напором обеспечивает поток воды 306 из сборника 330 в поглощающую пластину 316′, как указано стрелкой Е. Вода 306 достигает распределителя 340 и самотеком распределяется по поглощающей пластине 316′. Такая подача воды в пластину 316' самотеком дополнительно способствует капиллярному действию пластины 316′ и распределению воды 306 по пластине 316′, позволяя потоку воздуха проходить через пластину 316′ за счет естественной конвекции и охлаждать горячую сторону 104, к которой прикреплена пластина 316′. Подразумевается, что в таком случае проходящий воздух и вода 306, контактирующие с горячей стороной 104, образуют фактор снижения температуры горячей стороны 104. Вода, поглощаемая пластиной 316′, впоследствии сливается через стоки на дне поглощающей пластины 316′ или на дне картриджа 319′, в котором помещается пластина 316′. Такими стоками могут являться отверстия. Кроме того, вода 306, накапливающаяся в резервуаре 308, возвращается в сборник 330 по контуру 334 через обратный клапан 338.

В одном из вариантов осуществления вода 306 в системах 300а и 300b может быть заменена эквивалентными текучими средами. В частности, текучие среды, которыми может быть заменена вода 306, могут обладать такими свойствами, как поверхностное натяжение, вязкость и т.д., аналогичными свойствам воды или превосходящими их и позволяющими перекачивать и распределять их как воду при охлаждении горячей стороны 104. Поскольку такие текучие среды хорошо известны специалистам в данной области техники, свойственные им особенности не будут рассматриваться далее.

В дополнительных вариантах осуществления системы 300а и 300b могут содержать контроллер (не показанный) помимо уже описанного выше контроллера, который может быть сконфигурирован на приведение в действие и прекращение термоэлектрического охлаждения в системах 300а и 300b с программируемой выдержкой во времени. В данном случае под выдержкой во времени подразумевается период времени между двумя последовательными приведениями в действие термоэлектрического охлаждения. За счет такой программируемой выдержки во времени может быть синхронизировано тепловое равновесие между холодом, который генерируется путем термоэлектрического охлаждения в системах 300а и 300b и затем переносится на тепловую нагрузку 304 с экономией энергии в процессе всего охлаждения.

Рассмотренные выше принципы действия активного и пассивного охлаждения испарением могут быть поняты при рассмотрении фиг. 4А и 4Б. Кроме того, на фиг. 5 представлена психрометрическая диаграмма 500, на которой подробно проиллюстрированы эти принципы действия.

Соответственно, на фиг. 4А показана система 400а активного охлаждения испарением, способная обеспечивать снижение температуры горячей стороны 104 в системах термоэлектрического охлаждения. Кроме того, в систему 400а входит описанная ранее испарительная пластина 316, расположенная, как показано на фиг. 4А. В частности, при охлаждении горячей стороны 104 этим способом используется резервуар 308 и водяной насос 310 для перекачивания воды 306, хранящейся в резервуаре 308, по трубопроводу 402. Кроме того, трубопровод 402 служит для подачи воды 306 посредством водораспределителя 404 через испарительную пластину 316 с целью смачивания испарительной пластины 316. В частности, конструкция и действие контура 312, показанного на фиг. 3А, ясны из расположения трубопровода 402 и водораспределителя 404. Областью 406 может являться область внутри первой структуры 317.

В процессе работы насос 310 перекачивает по трубопроводу 402 воду 306, хранящуюся в резервуаре 308, и распределяет ее по испарительной пластине 316. Вода 306, проходящая через поры или отверстия в испарительной пластине 316, позволяет воздуху, подаваемому через пластину 316, охлаждаться до более низкой температуры, что дополнительно обеспечивает падение температуры горячей стороны 104, вокруг которой протекает охлажденный воздух, ниже температуры окружающего воздуха. Как указывалось, подача воздуха обеспечивается вентилятором 314. Вода 306, поступающая в испарительную пластину 316, сливается в резервуар 308 через отверстия (не показанные), выполненные на дне пластины 316 или на дне картриджа 319, в котором помещается пластина 316, в результате чего образуется контур циркуляции воды. Как описано выше, поступающий в пластину 316 воздух, обозначенный стрелкой А и подаваемый посредством вентилятора 314, снижает температуру горячей стороны 104 при прохождении через пластину 316. Соответственно, воздух, обозначенный стрелкой А′, будет иметь более низкую температуру и более высокое содержание влаги. Кроме того, также повысится относительная влажность (ОВ) охлажденного воздуха, обозначенного стрелкой А′, и воздух станет более насыщенным влагой. К тому же, вместе с охлаждением воздуха также охлаждается вода 306, вытекающая из пластины 316.

Аналогичным образом, система 400b пассивного охлаждения испарением, показанная на фиг. 4Б, способна служить альтернативой системы 400а активного охлаждения испарением. Соответственно, структура, компоненты и функционирование системы 400b не отличаются или минимально отличаются от системы 400а. Такие отличия состоят в основном в необязательном вентиляторе 314 и альтернативном способе смачивания пластины 316′. В частности, вентилятор 314 может быть полностью исключен, и воздух может подаваться на горячую сторону 104 посредством естественной конвекции. Кроме того, в пластине 316′ имеется множество отверстий, делающих ее открытой и микропористой по структуре и позволяющих поглощать воду 306 посредством капиллярного действия. Соответственно, в показанной системе 400b может отсутствовать водяной насос или вентилятор, такой как в рассмотренной системе 400а, но может иметься резервуар 308 и водораспределитель 340, аналогичные уже описанным. Кроме того, в систему 400b входит сборник 330 для накопления воды 306, и контур 334, соединяющий резервуар 308 со сборником 330. Трубопровод 332 обеспечивает подачу воды 306 из сборника 330 в поглощающую пластину 316′ посредством распределителя 340.

В процессе работы системы 400b пассивного охлаждения испарением в сборнике 330 с хранящейся в нем водой 306 имеется гидростатический напор. Соответственно, за счет гидростатического напора вода 306 по трубопроводу 332 поступает в водораспределитель 340, как показано стрелкой Е, и затем распределяется по пластине 316′, как показано на чертежах. Распределение воды 306 аналогично распределению, рассмотренному со ссылкой на фиг. 4А. Поглощающая пластина 316' поглощает контактирующую с ней воду 306 и за счет капиллярного действия распределяет ее по всей поверхности пластины 316′. Затем вода 306, поступающая в пластину 316′, через отверстия на дне пластине 316′ или на дне картридж 319′, в котором помещается пластина 316′, стекает в резервуар 308, откуда вода 306 возвращается в сборник 330 по контуру 334. В частности, контур 334 имеет обратный клапан 338, который обеспечивает однонаправленный поток воды 306, чтобы вода 306, хранящаяся в сборнике 330, не поступала в резервуар 308, а только вытекала из резервуара 308 и поступала в сборник 330, как показано стрелкой F. Подразумевается, что любое протекание воздуха через пластину 316′ обеспечивается посредством естественной конвекции. Соответственно, когда определенное количество воздуха, обозначенное стрелкой D, за счет естественной конвекции достигает пластины 316′ и протекает через пластину 316′, воздух, обозначенный стрелкой D′, становится насыщенным влагой. Аналогично системе 400а активного охлаждения испарением воздух, проходящий через пластину 316′, имеет более высокую влажность и более низкую температуру в результате взаимодействия со смоченной пластиной 316′. Кроме того, подразумевается, что вместе с охлажденным воздухом, обозначенным стрелкой D′, также охлаждается вода 306, вытекающая из пластины 316′.

Кроме того, поглощающая пластина 316′ может содержать легко изменяющий фазу материал (РСМ), который способен затвердевать при низкой температуре окружающего воздуха.

Такое затвердевание РСМ в пластине 316′ способно улучшать охлаждающую способность системы 300b или системы 400b с учетом потока воздуха через пластину 316′ за счет естественной конвекции. Кроме того, такая конфигурация может, в частности, применяться при большой разности дневной и ночной температур окружающего воздуха.

Описанное охлаждение горячей стороны 104 в системе термоэлектрического охлаждения путем активного и пассивное охлаждения испарением может быть подробно понято из психрометрической диаграммы 500, представленной на фиг. 5. На диаграмме 500, хорошо известной специалистам в данной области техники, по оси X отложена температура по сухому термометру (°C), а по оси Y отложено соответствующее соотношение влажностей (в фунтах на фунт сухого воздуха). В частности, кривой 502 обозначена ТВТ 15,5°C, кривой 504 обозначена относительная влажность (ОВ) 80%, кривой 506 обозначено насыщение 100%, а кривой 508 обозначена ОВ 20%. Кроме того, диаграмма 500 представлена не в масштабе.

Из диаграммы 500 может быть лучше понят принцип действия обоих описанных способов охлаждения, а именно систем 400а и 400b активного и пассивного охлаждения испарением соответственно. Показатели температуры, соотношения влажностей и т.д. приведены с целью обеспечения лучшего понимания систем 400а и 400b. Также подразумевается, что такие показатели служат примерами и могут точно не соответствовать реальным показателям.

Соответственно, определенное количество окружающего воздуха для подачи в сторону испарительной пластины 316 или поглощающей пластины 316′ может иметь температуру по сухому термометру, например, 30°C при относительной влажности 20% и иметь соответствующую ТВТ около 15,5°C. В результате перемещения воздуха из окружающей области 150 на горячую сторону 104, через испарительную пластину 316 или поглощающую пластину 316′ температура по сухому термометру снижается от 30°C до около 18,3°C. Такое снижение возможно, поскольку воздух, проходящий через пластины 316 и 316′, становится насыщенным влагой за счет воды, содержащейся в пластинах 316 или 316′. Кроме того, уровень такого насыщения может варьировать в пределах, например, изначально от 20% ОВ окружающего воздуха до 80% ОВ после прохождения воздуха через пластины 316 или 316′. Соответственно, на диаграмме 500 показано, что относительное изменение содержания влаги в воздухе или соотношение удельных влажностей воздуха также варьирует. Такие изменения также могут находиться в пределах, например, от начальной величины около 0,00525 фунт/фунт до величины около 0,01070 фунт/фунт сухого воздуха. Соответственно, ясно, что у окружающего воздуха, направляемого внутрь в область 406 или на горячую сторону 104, будет изменяться температура по сухому термометру за счет отдачи тепла, сопровождающейся изменением массы в результате повышения удельной влажности воздуха.

Таким образом, охлажденный воздух или вода 306 сконфигурирована на протекание вокруг горячей стороны 104 с целью снижения температуры горячей стороны 104 и постоянного поддержания первой температура горячей стороны 104 ниже температуры окружающего воздуха. Соответственно, обеспечивается охлаждение тепловой нагрузки 304 посредством описанных систем 300а и 300b, когда температура горячей стороны 104 падает ниже температура окружающей области. Следовательно, при использовании систем 400а и 400b улучшается охлаждающая способность и повышается соответствующая эффективность систем 300а и 300b термоэлектрического охлаждения.

В некоторых вариантах осуществления, в которых поддерживается более низкая температура горячей стороны 104, для поддержания первой температура горячей стороны 104 ниже температуры окружающего воздуха в любой из систем 300а и 300b может использоваться легко изменяющий фазу материал (РСМ), который затвердевает при более низкой температуре окружающего воздуха. Затвердевание и соответствующее накопление скрытой тепловой энергии может происходить во время нормального охлаждения, после чего накопленная скрытая тепловая энергия может высвобождаться с целью охлаждения горячей стороны 104 или поглощения ее тепла и поддержания температуры горячей стороны 104 ниже температуры окружающего воздуха. При таком поглощении тепла происходит плавление РСМ. Этот цикл плавления и последующего затвердевания РСМ помогает выполнять такой вариант осуществления на непрерывной основе.

Хотя в описании рассмотрено несколько конкретных вариантов осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что эти варианты осуществлений предусматривают разновидности, которые могут быть предложены в процессе воплощения объекта изобретения в конкретных условиях реализации. Кроме того, подразумевается, что такие, а также иные разновидности входят в объем изобретения. Ни эти возможные разновидности, ни приведенные выше конкретные примеры не ограничивают объем изобретения. Напротив, объем заявленного изобретения определяется исключительно приведенной далее формулой изобретения.

Изобретение относится к системам термоэлектрического охлаждения. Система имеет горячую сторону с первой температурой и холодную сторону для размещения тепловой нагрузки. Горячая сторона окружена областью с температурой окружающего воздуха. Система содержит контактирующий с ней механизм постоянного поддержания первой температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха с целью повышения охлаждающей способности системы термоэлектрического охлаждения. Использование изобретения позволяет понизить температуру горячей стороны элемента термоэлектрического охлаждения, что приводит в итоге к повышению охлаждающей способности. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система термоэлектрического охлаждения, содержащая:
горячую сторону с первой температурой, окруженную средой с температурой окружающего воздуха,
холодную сторону для размещения тепловой нагрузки,
расположенный вблизи горячей стороны механизм поддержания первой температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха, в котором используется сочетание воздуха, текучей среды, насоса и испарительной пластины, смачиваемой текучей средой для подачи через пластину, через которую продувается воздух и которая охлаждает текучую среду и воздух до температуры ниже температуры окружающего воздуха путем охлаждения испарением и
защитную блокировку для выключения системы термоэлектрического охлаждения при одном из следующих условий:
когда количество текучей среды становится меньше заданного порогового количества, и
когда выключается вентилятор, нагнетающий воздух.

2. Система по п. 1, в которой испарительная пластина помещается в картридже.

3. Система по п. 1, в которой первая температура поддерживается ниже температуры окружающего воздуха при одном из следующих условий:
когда охлажденная текучая среда сконфигурирована на перекачивание вокруг горячей стороны и
когда охлажденный воздух сконфигурирован на перекачивание вокруг горячей стороны.

4. Система по п. 1, в которой расположенный вблизи горячей стороны механизм поддержания первой температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха, содержит заполненный текучей средой сборник с гидростатическим напором, создаваемым текучей средой, поглощающую пластину с открытыми микропорами, смачиваемую за счет капиллярного действия при контакте пластины с текучей средой, и резервуар для текучей среды, стекающей каплями с пластины, которая прикреплена к горячей стороне.

5. Система по п. 4, в которой поглощающая пластина с открытыми микропорами помещается в картридже.

6. Система по п. 4, в которой первая температура поддерживается ниже температуры
окружающего воздуха путем крепления поглощающей пластины к горячей стороне в сочетании с подачей текучей среды самотеком и естественной конвекцией воздуха, протекающего через пластину, которая охлаждает текучую среду и воздух вместе с горячей стороной.

7. Система по п. 4, в которой поглощающая пластина с открытыми микропорами содержит легко изменяющий фазу материал.

8. Система по п. 1, в которой расположенный вблизи горячей стороны механизм поддержания первой температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха дополнительно содержит легко изменяющий фазу материал для поддержания первой температуры ниже температуры окружающего воздуха путем затвердевания при более низкой температуре окружающего воздуха

9. Система по п. 1, дополнительно содержащая контроллер для приведения в действие и выключения системы термоэлектрического охлаждения с программируемой выдержкой во времени, которой является период времени между двумя последовательными приведениями в действие системы термоэлектрического охлаждения.

10. Способ охлаждения посредством термоэлектрического модуля, имеющего горячую сторону с первой температурой, окруженную средой с температурой окружающего воздуха, и холодную сторону для размещения тепловой нагрузки, содержащий:
поддержание первой температуры горячей стороны ниже температуры окружающего воздуха посредством механизма с использованием воздуха, текучей среды и пластины, смачиваемой текучей средой, которая хранится в резервуаре и распределяется по пластине, через которую протекает воздух и которая охлаждает текучую среду и воздух, и
охлаждение горячей стороны холодным воздухом и таким образом охлаждение тепловой нагрузки посредством термоэлектрического модуля при первой температуре ниже температуры окружающего воздуха, и
выключение системы термоэлектрического охлаждения при одном из следующих условий:
когда количество текучей среды становится меньше заданного порогового количества и
когда выключается вентилятор, нагнетающий воздух.

11. Способ по п. 10, в котором пластина представляет собой одно из следующего:
испарительную пластину, устанавливаемую и извлекаемую посредством картриджа, при этом пластина смачивается текучей средой, перекачиваемой и распределяемой по пластине посредством насоса, и
поглощающую пластину с открытыми микропорами, устанавливаемую и извлекаемую посредством картриджа, при этом пластина смачивается за счет капиллярного действия при контакте с текучей средой, заполняющей сборник с гидростатическим напором, обеспечиваемым заполняющей его текучей средой, которая стекает каплями с пластины в резервуар.

12. Способ по п. 11, в котором первая температура поддерживается ниже температуры окружающего воздуха при одном из следующих условий:
когда охлажденная текучая среда сконфигурирована на перекачивание вокруг горячей стороны,
когда охлажденный воздух сконфигурирован на перекачивание вокруг горячей стороны,
когда крепление поглощающей пластины с открытыми микропорами к горячей стороне сочетается с подачей текучей среды самотеком и естественной конвекцией воздуха, протекающего через пластину, которая охлаждает текучую среду, воздух и горячую сторону, поддерживая ее температуру ниже температуры окружающего воздуха.

13. Способ по п. 11, в котором поглощающая пластина с открытыми микропорами содержит легко изменяющий фазу материал.

14. Способ по п. 10, дополнительно содержащий приведение в действие и выключение термоэлектрического модуля контроллером с программируемой выдержкой во времени, которой является период времени между двумя последовательными приведениями в действие термоэлектрического модуля.

15. Способ по п. 10, дополнительно содержащий защитную блокировку для выключения термоэлектрического модуля при одном из следующих условий:
когда количество текучей среды становится меньше заданного порогового количества, и
когда выключается вентилятор, нагнетающий воздух через пластину.

16. Способ по п. 10, в котором механизм дополнительно содержит легко изменяющий фазу материал для поддержания первой температуры ниже температуры окружающего воздуха путем затвердевания при более низкой температуре окружающего воздуха.