Термоэлектрический кондиционер

Термоэлектрический кондиционер

Реферат

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям кондиционеров для охлаждения воздуха.

Известно большое количество различных термоэлектрических кондиционеров, используемых в производстве, быту и на транспорте. Например, серия кондиционеров КТТ фирмы КОНВЕРСМАШ [www.konversmash.rn].

Основным элементом в данных установках является экологически чистый полупроводниковый термоэлектрический модуль, работающий на принципе эффекта Пельтье.

Преимуществами данных установок являются

отсутствие механически движущихся узлов и легко испаряющихся жидкостей в блоке охлаждения;

высокая надежность и длительный срок службы;

устойчивость к вибрации и ударным нагрузкам;

возможность работы в любом положении.

Однако недостатком всех этих кондиционеров является то, что термоэлектрические модули в этих устройствах используются типовые, т.е. состоящие из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно p- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем коммутация обеих ветвей (p- и n-типа) к коммутационной пластине производится к одной и той же плоской поверхности по краям последней. При этом термоэлемент имеет "П-образную" форму, где вертикальные элементы - p- и n-ветви, а горизонтальные - коммутационные пластины.

Данная конструкция типовых термоэлектрических модулей имеет три недостатка, а именно:

1) в результате механических напряжений, возникающих в термоэлектрических модулях из-за различных коэффициентов температурного расширения нагреваемого и охлаждаемого спаев, термоэлектрические модули со временем выходят из строя;

2) площадь контакта термоэлектрических модулей, как правило, меньше, чем поверхность теплообмена между потоками охлаждаемого (нагреваемого) воздуха и теплоотводящей жидкости (хладагента) и присутствие теплоперетоков от горячих спаев к холодным по межтермоэлементным промежуткам снижает термодинамическую эффективность теплопередачи в целом;

3) эти кондиционеры построены, как правило, на однокаскадных термоэлектрических батареях, что не позволяет получать КПД, достигаемый при каскадировании термобатарей.

Ближайшим аналогом изобретения является устройство термоэлектрического кондиционера, содержащее термоэлектрическую батарею, состоящую из двух каскадов, и теплообменники для потоков воздуха и теплоотводящей воды (см. патент RU 2140365, В60Н 3/00, 1999).

Техническим результатом изобретения является повышение надежности устройства, повышение разности температур на горячем и холодном теплообменниках за счет каскадирования термобатарей, а также увеличение термодинамической эффективности теплообменника за счет оптимального использования площади теплообмена.

Технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом кондиционере, содержащем термоэлектрическую батарею, состоящую из двух каскадов, теплообменник для потока воздуха и проточный теплообменник теплоотводящей воды, согласно изобретению каскады образованы чередующимися ветвями, изготовленными соответственно из полупроводника n-типа и p-типа, последовательно соединенными в электрическую цепь посредством трех типов коммутационных пластин, причем первый тип коммутационных пластин одновременно играет роль теплоперехода между двумя каскадами, поскольку участвует в коммутации ветвей и первого каскада и второго, третий тип коммутационных пластин снабжен оребрением, расположенным снаружи, вдоль потока охлаждаемого воздуха в одной плоскости с контактной площадкой, а второй тип коммутационных пластин снабжен оребрением, расположенным внутри проточного теплообменника вдоль потока теплоотводящей жидкости и перпендикулярно плоскости контактной площадки, при этом электрическое соединение ветвей первого каскада осуществляется посредством контакта ветвь n-типа - коммутационная пластина первого типа - ветвь p-типа - коммутационная пластина третьего типа - ветвь n-типа - коммутационная пластина первого типа, тогда как электрическое соединение ветвей второго каскада осуществляется посредством контакта ветвь p-типа - коммутационная пластина первого типа - ветвь n-типа - коммутационная пластина второго типа - ветвь p-типа - коммутационная пластина первого типа, причем ветвь n-типа контактирует с одной из поверхностей прямоугольной контактной площадки любой коммутационной пластины, а ветвь p-типа - с противоположной поверхностью контактной площадки той же самой коммутационной пластины, при этом канал проточного теплообменника находится между парами, представляющими собой первый и второй каскады термобатареи, и отсоединен от последней посредством слоя теплоизоляции.

Для этой цели предлагается конструкция термоэлектрического кондиционера, структурная схема которого в продольном сечении приведена на чертеже.

Термоэлектрическая батарея кондиционера состоит из двух каскадов, собранных на четырех столбиках, образованных чередующимися ветвями, изготовленными соответственно из полупроводника n-типа 1 и p-типа 2, последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин 3, 4 и 5. Электрическое соединение ветвей первого каскада осуществляется посредством контакта ветвь n-типа 1 - коммутационная пластина 3 - ветвь p-типа 2 - коммутационная пластина 4 - ветвь n-типа 1 - коммутационная пластина 3 и т.д. Электрическое соединение ветвей второго каскада осуществляется посредством контакта ветвь p-типа 2 - коммутационная пластина 3 - ветвь n-типа 1 - коммутационная пластина 5 - ветвь p-типа 2 - коммутационная пластина 3 и т.д. Каждая коммутационная пластина представляет собой прямоугольную контактную площадку, выполненную из материала с высокой электро- и теплопроводностью (медь). Коммутационная пластина 3 одновременно играет роль теплоперехода между двумя каскадами, поскольку участвует в коммутации ветвей и первого каскада и второго. Отличие между коммутационными пластинами 4 и 5 в том, что у коммутационных пластин 4 оребрение расположено снаружи вдоль потока охлаждаемого (нагреваемого) воздуха, причем находится в одной плоскости с контактной площадкой. У коммутационных пластин 5 оребрение расположено внутри проточного теплообменника 6 вдоль потока теплоотводящей жидкости и перпендикулярно плоскости контактной площадки. Оребрение представляет собой параллельные друг другу тонкие металлические пластины, причем форма оребрения при коммутационной пластине 5 прямоугольная, а у коммутационной пластины 4 представляет собой половинку диска. Ветвь n-типа 1 контактирует с одной из поверхностей контактной площадки коммутационной пластины 3, 4 или 5, а ветвь p-типа 2 - с противоположной поверхностью контактной площадкой той же коммутационной пластины. Каждая ветвь в полупроводниковой термоэлектрической батарее контактирует противоположными поверхностями с двумя коммутационными пластинами либо 3 и 4, либо 3 и 5. Термоэлектрическая батарея и проточный теплообменник 6 заключены в теплоизоляцию 7, а оребрение выводится за пределы последней.

Суть работы термоэлектрического кондиционера в следующем. При пропускании электрического тока через оба каскада термоэлектрической батареи в результате эффекта Пельтье происходит "перекачка" тепла с одних спаев на другие. При этом, если спаи 3 в первом каскаде нагреваются, то во втором каскаде они уже охлаждаются, за счет чего достигается большая разность температур между проточным и воздушным теплообменниками. Отвод тепла от второго каскада термоэлектрической батареи осуществляется через коммутационные пластины 5. Теперь, при пропускании через проточный теплообменник 6 потока теплоотводящей жидкости, будет осуществляться отвод тепла от коммутационных пластин 5. При этом регулируется температура воздушного потока, продуваемого вдоль оребрения коммутационных пластин 4.

Преимуществом данной конструкции является отсутствие поперечных напряжений, неизбежно возникающих в ветвях типовых термоэлектрических модулей за счет линейной компенсации теплового расширения одних концов (горячих) термоэлементов с их линейным сжатием других концов (холодных), что приводит к повышению надежности устройства. Кроме этого, в заявляемой конструкции в значительной мере устраняются перетоки тепла с горячих спаев на холодные по межтермоэлементным пространствам за счет более плотной упаковки ветвей.

Термоэлектрический кондиционер, содержащий термоэлектрическую батарею, состоящую из двух каскадов, теплообменник для потока воздуха и проточный теплообменник теплоотводящей воды, отличающийся тем, что каскады образованы чередующимися ветвями, изготовленными соответственно из полупроводника n-типа и p-типа, последовательно соединенных в электрическую цепь посредством трех типов коммутационных пластин, причем первый тип коммутационных пластин одновременно играет роль теплоперехода между двумя каскадами, поскольку участвует в коммутации ветвей и первого каскада и второго, третий тип коммутационных пластин снабжен оребрением, расположенным снаружи вдоль потока охлаждаемого воздуха в одной плоскости с контактной площадкой, а второй тип коммутационных пластин снабжен оребрением, расположенным внутри проточного теплообменника вдоль потока теплоотводящей жидкости и перпендикулярно плоскости контактной площадки, при этом электрическое соединение ветвей первого каскада осуществляется посредством контакта ветвь n-типа - коммутационная пластина первого типа - ветвь p-типа - коммутационная пластина третьего типа - ветвь n-типа - коммутационная пластина первого типа, тогда как электрическое соединение ветвей второго каскада осуществляется посредством контакта ветвь p-типа -коммутационная пластина первого типа - ветвь n-типа - коммутационная пластина второго типа - ветвь p-типа - коммутационная пластина первого типа, причем ветвь n-типа контактирует с одной из поверхностей прямоугольной контактной площадки любой коммутационной пластины, а ветвь p-типа - с противоположной поверхностью контактной площадки той же коммутационной пластины, при этом канал проточного теплообменника находится между парами, представляющими собой первый и второй каскады термобатареи, и отсоединен от последней посредством слоя теплоизоляции.