Термоэлектрическое охлаждающе-нагревательное устройство

Реферат

 

В термоэлектрическом охлаждающе-нагревательном устройстве термоэлектрические блоки контактируют с наружным и внутренним рассеивателями тепла через передающие тепловой поток дистанцеры, выполненные в виде стержней. Наружный рассеиватель выполнен модульным из набора пластин и расположен на наружной стенке корпуса. Внутренний рассеиватель выполнен в виде набора листов и закреплен на задней стенке камеры. Роль одного из листов может играть задняя стенка внутренней камеры. Пластины наружного и листы внутреннего рассеивателей соединены между собой дистанционными шайбами. Противостоящие дистанцеры наружного и внутреннего рассеивателей жестко соединены между собой через термоэлектрический блок и теплоизолированы один относительно другого. Все детали тепловой схемы изготовлены из высокопроводного материала, а их контактирующие поверхности покрыты слоем теплопроводной пасты. Термоэлектрический блок смещен к наружному краю теплоизоляции корпуса. 5 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам для охлаждения и нагрева пищевых продуктов, напитков, лекарственных препаратов, а также других веществ при температуре окружающей среды -20 - 40oC, обеспечивает перепад температуры между окружающей средой и внутренним объемом камеры 22 - 24oC и может найти широкое применение в качестве встраиваемого модуля в бытовую кухонную мебель для хранения овощей и фруктов (режим охлаждения) или для поддержания температуры разогретых продуктов (режим нагрева). Возможно также его автономное применение в жилых и служебных комнатах, спальнях, гостиницах, офисах, кемпингах, медицинских учреждениях, на транспорте и предприятиях питания.

Принцип термоэлектрического способа охлаждения и нагрева основан на эффекте Пельтье и заключается в том, что при прохождении постоянного тока через границу двух разнородных материалов выделяется или поглощается тепло (в зависимости от направления тока).

Этот принцип реализуется в сравнительно небольших термоэлектрических блоках кристаллов, изготовленных из полупроводниковых материалов - висмута, теллура, селена, сурьмы и др. В них непосредственно происходят процессы преобразования электрической энергии в тепловую. Отвод тепла и холода от них осуществляется за счет применения рассеивателей в виде радиаторов. Поэтому для работы термоэлектрических устройств нет принципиальной необходимости в движущихся, а следовательно, изнашивающихся частях и деталях, рабочих жидкостях и газах, требующих их регламентированного перемещения и герметичности систем как это имеет место, например, в компрессионных холодильниках.

Вследствие этого термоэлектрические охладители и нагреватели имеют большой срок службы, надежны, совершенно бесшумны (если для обдува радиаторов не применяется вентилятор) и почти не требуют эксплуатационного обслуживания.

К важным достоинствам термоэлектрического способа преобразования энергии следует отнести такие, как экологическая чистота и компактность.

Следует особо остановиться на важности такого качества термоэлектрических устройств, как экологическая чистота, на отсутствии в них хладонов, состоящих из озоноразрушающих веществ.

Пятнадцать лет понадобилось мировому сообществу, чтобы осознать опасность и на Монреальской конференции 1987 г. договориться о конкретных действиях по защите от разрушения озонного слоя, защищающего жизнь на Земле. На Лондонской конференции 1990 г. , также посвященной этой проблеме, принято решение об ускоренном сокращении производства и использования озоноразрушающих веществ, а это в основном хлор-фторуглероды (ХФУ), используемые в холодильной технике, - на 50% в 1995 г. и о их полном запрещении с 2000 г.

Россия, как и все развитые страны, взяла на себя обязательство выполнять эти требования. Поэтому ясно, какую важную роль в выполнении этих обязательств могут сыграть термоэлектрические охладители, совершенно не использующие ХФУ.

Однако существующие термоэлектрические устройства в режиме охлаждения несколько уступают по энергетическим показателям компрессионным и абсорбционным охладителям, а в режиме нагрева - обычным электрическим нагревателям. Но эти различия уменьшаются при снижении холодо- и теплопроизводительности, а также при малой глубине охлаждения и нагрева.

Конструкторская проработка рассеивателей тепла и холода, выполненная авторами при объемах камер до 200 дм3, позволяет существенно повысить их конкурентоспособность.

Пригодность термоэлектрических охлаждающе-нагревательных устройств для хранения продуктов питания и других веществ была подтверждена натурными испытаниями, в процессе которых определились потери продуктов от загнивания, естественная убыль массы, изменение химического состава продуктов, ухудшение их потребительских свойств. Простота автоматического регулирования температуры, стабильность температурно-влажностных показателей во всем объеме камеры термоэлектрического устройства обеспечивают значительно лучшую сохраняемость пищевой продукции, чем в домашнем холодильнике за счет того, что в режиме охлаждения создается температура 0 - 10oC, обеспечивающая снижение потерь воды и некоторых питательных веществ (т.е. почти отсутствует явление сублимации). Поэтому продукты, хранимые в термоэлектрическом охладителе, отличаются лучшим товарным видом, большей С-витаминной активностью, повышенной питательной ценностью. При переключении устройства на режим нагрева в камере создается температура 25 - 60oC, обеспечивающая равномерный прогрев продуктов без подгорания в отдельных местах и их постоянную готовность к употреблению.

Разработки термоэлектрических охладителей и нагревателей в настоящее время ведутся в ряде стран. Это обусловлено тем, что применение термоэлектрического преобразования энергии для охлаждения и нагрева в одном и том же устройстве позволяет получить многофункциональный и бесшумный агрегат небольших размеров и веса, экологически чистый, работа которого практически не зависит от ориентации в пространстве, надежный и долговечный.

В настоящее время среди термоэлектрических устройств распространена конструкция охладителя для переносных, автомобильных и малых домашних холодильников, в котором в качестве холодного рассеивателя используется внутренний корпус холодильной камеры, выполненной из алюминиевого сплава, а горячий рассеиватель имеет форму Ш-образного радиатора, как правило, обдуваемого вентилятором.

Бытовые холодильники были одними из первых объектов практического использования термоэлектрического способа охлаждения. Однако отсутствие высокоэффективных термоэлектрических материалов и технологий, а также несовершенство конструкции рассеивателей тепла и холода не позволило создать эффективные домашние холодильники большой емкости.

Известна в настоящее время конструкция термостата - подставки под домашний холодильник для хранения овощей и фруктов емкостью 60 л, которая обеспечивает температурный перепад около 18oC при температуре окружающей среды до 28oC без применения вентилятора обдува горячего рассеивателя (Киевское НПО "Веста", 1989 г.).

Известная конструкция содержит термоизолированный корпус с дверцей, уплотнитель двери, холодильную камеру, выполненную из алюминиевого сплава, горячий и холодный рассеиватели, термоэлектрический блок (холодопроизводитель) и систему питания и управления.

Достоинством данного термостата является то, что в его конструкции нет дополнительных устройств, интенсифицирующих рассеивание тепла в пространстве (вентилятор и др. ), и реализовано одно из преимуществ термоэлектрического способа охлаждения перед компрессионным и абсорбционным - практически линейная зависимость холодопроизводительности от размеров и веса охладителя при неизменных энергетических показателях.

Кроме того, он имеет сравнительно небольшие размеры и вес, экологически чист, не имеет движущихся частей и его работа не зависит от ориентации в пространстве.

Недостатком известного устройства является обеспечение им относительно низкого (не более 18oC) перепада температур между окружающей средой и внутренним объемом холодильной камеры, что в целом снижает эффективность его применения, особенно в периоды, когда температура окружающей среды превышает 25oC. Это обусловлено несовершенством конструкции его рассеивателей тепла и холода.

Задачей известного технического решения являлось при относительной простоте конструкции реализовать термоэлектрический способ охлаждения в конкретной разработке с максимально возможным перепадом температур между окружающей средой и внутренним объемом холодильной камеры.

Общими признаками термостата-подставки с предлагаемым авторами устройством является наличие термоизолированного корпуса с дверцей, уплотнителя двери, холодильной камеры, горячего (наружного) и холодного (внутреннего) рассеивателей, контактирующих с ними через тепловой контакт термоэлектрических блоков и системы питания и управления.

Известен промышленно освоенный портативный термоэлектрический холодильник фирмы США Koolation Corporation модели Р34 (патент США N 4326383), принятой за прототип.

Известный термоэлектрический холодильник содержит термоизолированный корпус с дверцей, уплотнитель, холодильную камеру, горячий и холодный рассеиватели, контактирующий через тепловой контакт с ними термоэлектрический блок и систему питания и управления. Для повышения экономичности и обеспечения заданного перепада температур в нем применен горячий наружный рассеиватель, который находится в тепловом контакте с термоэлектрическим блоком и расположен в противоположной стороне от первой торцевой стенки камеры. Он имеет основание, выполненное из теплопроводного металла и множество расположенных рядом параллельных ребер, перпендикулярных основанию, а в качестве внутреннего холодного рассеивателя использована облицовка камеры из монолитного теплопроводного материала.

Достоинством данного термоэлектрического холодильника является то, что он имеет небольшие размеры и вес, экологически чист, не имеет движущихся частей и не зависит от ориентации в пространстве. Кроме того, за счет более совершенных теплоизоляции и теплосъема как с холодного внутреннего, так и с горячего наружного рассеивателей (более совершенная их конструкция), он позволяет обеспечить получение перепада температур между окружающей средой и внутренним объемом камеры 21oC.

Однако, как показали исследования при развитии поверхности горячего наружного рассеивателя традиционным способом (увеличением его площади), в условиях естественной конвекции это ведет к возрастанию кондуктивного сопротивления теплоотвода от источников тепла к ребрам рассеивателя, что влечет за собой недопустимое повышение температуры горячих граней рассеивателя и, следовательно, к повышению температуры в холодильной камере.

Попытки увеличения теплосъема с горячих граней рассеивателя путем принудительного обдува вентилятором дали незначительный прирост перепада температур, который составил 22oC. Однако применение вентилятора для обдува рассеивателя ведет к увеличению габаритов, снижению его надежности, увеличению цены, энергопотребления и шумности.

Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) является разработка термоэлектрического холодильника, обеспечивающего за счет более совершенной конструкции рассеивателей получение перепада температур до 22oC.

Общими признаками с предлагаемым устройством является наличие теплоизолированного корпуса, двери с уплотнителем и магнитной вставки, внутренней камеры, наружного и внутреннего рассеивателей тепла, контактирующих с ними через тепловой контакт термоэлектрических блоков, и системы питания и управления.

В отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении наружный и внутренний рассеиватели дополнительно снабжены передающими тепловой поток дистанцерами, выполненными в виде стержня, причем наружный торец дистанцера внутреннего рассеивателя по форме и площади идентичен форме и площади рабочего торца термоэлектрического блока, наружный рассеиватель выполнен модульным, каждый модуль которого соединен со своим дистанцером, содержит набор пластин и закреплен на задней стенки корпуса, внутренний рассеиватель жестко закреплен со своими дистанцерами и выполнен в виде одного или нескольких листов, причем роль одного из листов может играть задняя стенка внутренней камеры, пластины наружного и листы внутреннего рассеивателей соединены между собой дистанционными шайбами, установленными напротив дистанцеров и выполненных с диаметром не меньше диаметра описанной окружности поперечного сечения дистанцеров, внутренний рассеиватель закреплен на задней стенке корпуса, а противостоящие дистанцеры наружного и внутреннего рассеивателей жестко соединены между собой через термоэлектрический блок и теплоизолированы один относительно другого, при этом термоэлектрический блок смещен к наружному краю теплоизоляции корпуса, все детали тепловой схемы изготовлены из высокотеплопроводного материала, а их контактирующие поверхности покрыты слоями теплопроводной пасты.

Проведение сопоставительного анализа показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного и отвечает критерию "Новизна".

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны.

Задачей изобретения является повышение экономичности и холодопроизводительности путем улучшения теплосъема как с холодного, так и с горячего рассеивателей, повышение перепада температур между окружающей средой и внутренним объемом камеры без применения принудительной конвекции, т.е. вентиляторов.

Изобретение имеет преимущества перед прототипом. А именно, за счет более совершенного теплосъема как с холодного, так и с горячего рассеивателей, уменьшения передачи тепловой энергии на корпус устройства, а также передающих тепловой поток дистанцеров и дистанционных шайб обеспечить получение более высокого периода температур между окружающей средой и внутренним объемом камеры. Все это в совокупности позволило несколько увеличить холодопроизводительность предлагаемого устройства без увеличения габаритов, энергопотребления, повысить его комфортность и получить период температур около 24oC.

Сущность изобретения заключается в том, что термоэлектрическое охлаждающе-нагревательное устройство, содержащее теплоизолированный корпус, дверь с уплотнителем и магнитной вставкой, внутреннюю камеру, наружный и внутренний рассеиватели тепла, контактирующие с ними через тепловой контакт термоэлектрические блоки, и систему питания и управления, в отличие от прототипа согласно изобретению его наружный и внутренний рассеиватели дополнительно снабжены передающими тепловой поток дистанцерами, выполненными в виде стержня, причем наружный торец дистанцера внутреннего рассеивателя по форме и площади идентичен форме и площади рабочего торца термоэлектрического блока, наружный рассеиватель выполнен модульным, каждый модуль которого соединен со своим дистанцером, содержит набор пластин и закреплен на задней стенке корпуса, внутренний рассеиватель жестко скреплен со своими дистанцерами и выполнен в виде одного или нескольких листов, причем роль одного из листов может играть задняя стенка внутренней камеры, пластины наружного и листы внутреннего рассеивателей соединены между собой дистанционными шайбами, установленными напротив дистанцеров и выполненными с диаметром не меньше диаметра описанной окружности поперечного сечения дистанцеров, внутренний рассеиватель закреплен на задней стенке камеры, а противостоящие дистанцеры наружного и внутреннего рассеивателей жестко соединены между собой через термоэлектрический блок и теплоизолированы один относительно другого, при этом термоэлектрический блок смещен к наружному краю теплоизоляции корпуса, все детали тепловой схемы изготовлены из высокотеплопроводного материала, а их контактирующие поверхности покрыты слоем теплопроводной пасты.

На фиг. 1 изображено термоэлектрическое охлаждающе-нагревательное устройство, вид сбоку; на фиг. 2 - вид на заднюю стенку устройства; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2, в месте крепления блока питания и управления к задней стенке; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2, в месте крепления наружных рассеивателей к задней стенке; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 2 дистанцеров и модуля наружного рассеивателя.

Предлагаемое устройство выполнено в виде шкафа и содержит термоизолированные корпус 1 и дверцу 2 с уплотнителем 3, внутри которого находится магнитная вставка, обеспечивающая плотное прилегание уплотнителя 3 к корпусу 1 и удерживание дверцы 2 в закрытом положении.

Внутри корпуса 1 закреплена камера 4, на боковых стенках которой установлены полки 5 для хранения продуктов. Камера 4 может быть изготовлена как из полистирола, так и из металла. На ее задней стенке смонтирован внутренний рассеиватель тепла, выполненный из одного или нескольких листов 6, соединенных между собой дистанционными шайбами 7.

На задней стенке корпуса 1 закреплен блок питания и управления 8 со шнуром 9 и штепсельной вилкой 10, а также основания 11, на которых установлены и закреплены посредством винтов 12 модули 13 наружного рассеивателя тепла. Блок питания и управления 8 удерживается винтами 14, а основания 11 - винтами 15. Основания 11 с корпусом 1 не контактируют, они установлены на пластмассовых втулках 16.

Для горизонтирования шкафа в нижней части корпуса выполнены винтовые регулируемые опоры 17, а для защиты модулей 13 и блока питания и управления 8 на задней стенке корпуса 1 смонтировано ограждение 18.

Модуль 13 наружного рассеивателя представляет собой набор пластин 19 и дистанционных шайб 20, соединенных воедино винтами 21, которые ввинчиваются в дистанцер 22 наружного рассеивателя. С листом 6 через тепловой контакт контактирует дистанцер 23 внутреннего рассеивателя. Неподвижность контакта обеспечивается винтами 24.

Между дистанцерами 22 и 23 ближе к наружной стенке корпуса 1 размещен термоэлектрический блок 25, реализующий эффект Пельтье. Тепловой контакт между торцами блока 25 и дистанцерами 22 и 23 обеспечивается за счет винтов 26 и гаек 27, теплоизолированных как от дистанцеров 22 и 23, так и термоэлектрического блока 25 с помощью втулок 28 и рамок 29 и 30. При этом торец дистанцера 23, контактирующий с торцом термоэлектрического блока 25, выполнен идентичным ему по форме, а торец дистанцера 22 может быть или идентичным, или представлять собой описанную окружность. Такими же по конфигурации выполняются и шайбы 7 и 20.

Все поверхности, контактирующие между собой у пластин 19, шайб 20, дистанцеров 22 и 23, термоэлектрического блока 25, листов 6 и шайб 7, плотно прижаты друг к другу и покрыты тонким слоем теплопроводной пасты, обеспечивая благодаря этому надежный тепловой контакт.

Размерная цепь, образованная жестким соединением термоэлектрического блока 25, дистанцеров 22 и 23, а также листов 6 и шайб 7 внутреннего рассеивателя между собой, замыкается на корпус 1 с камерой 4 через компенсационные кольца 31, выполненные из эластичного материала и поджимаемые при сборке саморезами 32.

Теплоизоляционные втулки 28, рамки 29 и 30, а также теплоизоляция 33 выполнена из вспененного полистирола различной плотности или других материалов, подходящих для этой цели. Все металлические детали тепловой схемы изготовлены из высокотеплопроводного материала.

В данной конструкции теплосъем с наружного и внутреннего рассеивателей осуществляется только за счет естественной конвекции, поэтому снизу корпуса 1 и сзади обеспечен свободный проход для воздуха. Применение вентиляторов, усиливающих конвекцию, дополнительно повышает перепад температур между внутренней камерой и окружающей средой.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Переменный ток от сети напряжением 220 В поступает в блок питания и управления 8, где преобразуется в постоянный ток напряжением 12 - 36 В, который питает термоэлектрические блоки 25. В зависимости от направления постоянного тока (которое изменяется путем переключений в блоке питания) термоэлектрические блоки 25 нагревают или охлаждают контактирующие с ними дистанцеры 22 и 23.

В случае, когда холодным становится дистанцер 23, холодный поток устремляется к листам 6 внутреннего рассеивателя и охлаждает их. Если внутренняя камера 4 устройства выполнена из высокотеплопроводного материала, дистанцер 23 контактирует с ней, а между ней и первым листом 6 внутреннего рассеивателя устанавливается дистанционная шайба 7. В этом случае охлаждаются и камера 4, и листы 6. Холод стекает с них и охлаждает воздух внутри камеры, а также, естественно, продукты и другие изделия, которые лежат на полках 5. В результате во внутренней камере 4 через определенное время стабилизируется температура примерно на 24oC ниже, чем в среде, окружающей устройство.

В это же время дистанцер 22 нагревается. Через тепловые контакты тепловой поток переходит через дистанционные шайбы 20 на листы 19 и рассеивается в окружающий их воздух. За счет естественной конвекции горячий воздух поднимается вверх и уходит от устройства, а на смену ему снизу подходит холодный воздух. Таким образом, модули 13 наружного рассеивателя нагревают окружающую среду, а устройство работает в режиме охлаждения.

Если предлагаемое устройство встраивается в стену или блок мебели, то необходимо обеспечить приток холодного воздуха снизу под днищем корпуса и отвод теплого воздуха сверху выше ограждения 18.

Благодаря тому, что винты 26 теплоизолированы от дистанцеров 22 и 23, перенос тепла и холода через них практически исключается, что повышает эффективность тепловой схемы и устройства в целом.

Смещение термоэлектрического блока к наружному краю теплоизоляции корпуса 1 способствует быстрейшему рассеиванию тепла и меньшему прогреву наружных стенок корпуса 1, в результате чего эффективность устройства повышается.

Этому же способствует и крепление оснований 11 к корпусу 1 через теплоизоляционные втулки 16, а также выполнение наружного торца дистанцера 23 идентичным рабочему торцу блока 25, а внутреннего торца дистанцера 22 и торцов шайб 7 и 20 по диаметру не менее диаметра окружности описанной вокруг торца блока 25.

После изменения направления постоянного тока, проходящего через термоэлектрические блоки 25, картина меняется: внутренний рассеиватель нагревается, и температура внутри камеры 4 повышается, становясь на 30 - 35oC выше температуры окружающей среды, а наружный рассеиватель охлаждается - устройство работает в режиме нагрева.

Благодаря выполнению наружного рассеивателя модульным становится возможным различная компоновка устройства по габаритам и применение различных схем подключения термоэлектрических блоков 25: последовательное, параллельное и параллельно-последовательное. Учитывая, что каждый модуль 13 рассчитан на определенное напряжение и силу тока, применение различных схем их включения позволяет варьировать напряжением, падаваемым на устройство, и применять его при различном напряжении бортовых систем питания постоянным током: 12, 24, 27, 36 и т.д. В, которые имеются на автомобилях, теплоходах, самолетах, тепловозах и т.д. Это расширяет область применения устройства и удешевляет его, т. к. при этом упрощается блок питания 8 (отпадает необходимость в трансформаторе).

Регулирование температуры внутри камеры 4 устройства обеспечиваются схемой управления, смонтированной в блоке 8, и датчиком, установленным внутри камеры. При этом обеспечивается температура 0 - 60oC. Весь интервал этой температуры разбит на диапазоны в 3 - 5oC, внутри которых температура обеспечивается с точностью 1oC.

По изобретению разработана конструкторская документация, по которой были изготовлены опытные образцы термоэлектрических устройств и испытаны.

Испытания подтвердили высокие эксплуатационные его характеристики (Протокол испытаний опытного образца от 1995 г.). А именно обеспечение стабильности температурно-влажностных режимов, равномерности температур во внутреннем объеме камеры и достижение перепада температур между окружающей средой и внутренним объемом охлаждаемой камеры до 24oC при температуре окружающей среды свыше 30oC.

Он имеет небольшие размеры и вес, экологически чист, не зависит от ориентации в пространстве и может применяться как в режиме охлаждения, так и нагрева, не имеет движущихся частей, обладает повышенными потребительскими свойствами и функциональными возможностями.

По результатам испытаний предлагаемая конструкция термоэлектрического устройства признана перспективной и в настоящее время организуется их производство. Интерес к данной разработке проявили ряд заводов РФ, Украины, а также зарубежные фирмы. В настоящее время ведутся переговоры с представителями ряда отечественных предприятий о передаче им технической документации для освоения производства предлагаемого изобретения. Предприятием ГНПП "Сплав" ведется подготовка серийного производства указанных устройств.

Формула изобретения

Термоэлектрическое охлаждающе-нагревательное устройство, содержащее теплоизолированный корпус, дверь с уплотнителем и магнитной вставкой, внутреннюю камеру, наружный и внутренний рассеиватели тепла, контактирующие с ними через тепловой контакт термоэлектрические блоки и систему питания и управления, отличающееся тем, что наружный и внутренний рассеиватели дополнительно снабжены передающими тепловой поток дистанцерами, выполненными в виде стержня, причем наружный торец дистанцера внутреннего рассеивателя по форме и площади идентичен рабочему торцу термоэлектрического блока, наружный рассеиватель выполнен модульным, каждый его модуль соединен со своим дистанцером, содержит набор пластин и закреплен на задней стенке корпуса, внутренний рассеиватель жестко скреплен со своими дистанцерами и выполнен в виде одного или нескольких листов, причем роль одного из листов может играть задняя стенка внутренней камеры, пластины наружного и листы внутреннего рассеивателей соединены между собой дистанционными шайбами, установленными напротив дистанцеров и выполненными диаметром не меньше диаметра описанной окружности поперечного сечения дистанцеров, внутренний рассеиватель закреплен на задней стенке камеры, а противостоящие дистанцеры наружного и внутреннего рассеивателей жестко соединены между собой через термоэлектрический блок и теплоизолированы один от другого, при этом термоэлектрический блок смещен к наружному краю теплоизоляции корпуса, все детали тепловой схемы изготовлены из высокотеплопроводного материала, а их контактирующие поверхности покрыты слоем теплопроводной пасты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5