ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНИК

Полезная модель относится к области транспортных термоэлектрических холодильных устройств и предназначена для использования преимущественно на железнодорожном транспорте.
Термоэлектрические транспортные холодильники общеизвестны и их описание содержится, например, в патентах РФ №2140365, В60Н 3/00, F25B 29/00, 1999 г.; №2098725, F25B 21/02, Н01М 10/50, 1997 г.; №2110021, F25B 21/02, 1998 г.
Подобные холодильники содержат теплоизолированный корпус с внутренней холодильной камерой, холодильный агрегат, состоящий из одной или нескольких однотипных сборок, содержащих термоэлектрические модули, холодные пластины которых термически соединены с холодильной камерой, а горячие - с внешними теплоотводящими радиаторами с вентиляторами воздушного охлаждения или с жидкостными охладителями, и систему защиты термоэлектрических модулей от перегрева внешних радиаторов.
Наибольшее распространение на железнодорожном транспорте получили холодильники ХТЭ-30-110, ХТЭ-80-110, ХТЭ-80-50, выпускаемые корпорацией РИФ г.Воронеж, и мини-холодильники РХ-30/30, РХ-30/55, выпускаемые НПО «Русский холод» г.Москва.
Техническое решение питания низковольтных термоэлектрических модулей указанных холодильников от бортовой сети подвижного состава стандартными напряжениями 50, 75 или 110 В одинаково: термоэлектрические сборки соединены параллельно и подключены к бортовой сети через DC/DC преобразователь относительно высокого постоянного напряжения бортовой сети в низковольтное постоянное напряжение питания термоэлектрических модулей (12 или 24 В).
Например, выбранный в качестве прототипа холодильник РХ-30/55 (описание приведено в «Инструкции по эксплуатации РСКГ. 701511.002» г.Москва, 2006 г.), имеет две параллельно соединенные термоэлектрические сборки напряжением 12 В, подключенные к бортовой сети 50 В через импульсный DC/DC преобразователь, а для защиты термоэлектрических модулей от перегрева в случае выхода из строя вентиляторов использована относительно сложная схема защиты путем снабжения наружных радиаторов термодатчиками, подключенными к отдельному электронному блоку терморегулятора, обеспечивающего отключение питания в модулей аварийной ситуации.
Недостатком прототипа и ему подобных термоэлектрических холодильников является несоответствие надежности их работы п.4.4 ГОСТ Р 52307-2005 «Холодильники пищи термоэлектрические для подвижного составам, согласно которому «установленная безотказная наработка должна быть не менее 35000 ч».
Опыт эксплуатации и ремонта упомянутых холодильников показывает, что вопреки распространенному мнению, наиболее часто встречающейся причиной их отказа в работе является не износ подвижных деталей электромеханических элементов холодильника, каковыми являются вентиляторы обдува наружных радиаторов, а выход из строя импульсных DC/DC преобразователей вследствие воздействия импульсных перенапряжений бортовой сети, достигающих, согласно табл.1 вышеуказанного ГОСТа амплитуды 500-800 В при длительности от 0,1 до 0,15 мс.
Задача полезной модели - повышение надежности работы холодильника при воздействии импульсных перенапряжений бортовой сети и упрощение схемы защиты термоэлектрических модулей от перегрева в случае выхода из строя вентиляторов обдува наружных радиаторов.
o
max
o
max
Технический результат достигается тем, что внешние радиаторы термоэлектрических сборок снабжены нормально замкнутыми термоконтакторами, а сами сборки соединены последовательно и непосредственно подключены к бортовой сети подвижного состава через цепь последовательно соединенных термоконтакторов, терморегулятор и развязывающий диод, причем число сборок определено соотношением n=(1,5÷2,5)U/U, где U - напряжение бортовой сети, U - максимально допустимое напряжение питания модуля одной сборки.
На фиг.1 представлена блок-схема заявляемой полезной модели. Холодильный агрегат содержит терморегулятор 1, одну или несколько однотипных термоэлектрических сборок 2, внешние радиаторы которых снабжены термоконтакторами 3, и развязывающий диод 4. Термоэлектрические сборки 2 соединены последовательно и подключены к бортовой сети постоянного тока через последовательно соединенные термоконтакторы 3, терморегулятор 1 и развязывающий диод 4.
На фиг.2 показана фотография опытного образца полезной модели, выпускаемой ООО «Системы СТК» г.Пермь.
Полезная модель работает следующим образом. При подключении холодильника к бортовой сети напряжение питания через диод 4, терморегулятор 1 и нормально замкнутые контакты термоконтакторов 3 поступает на термоэлектрические модули и соединенные с ними вентиляторы сборок 2. Холодные пластины термоэлектрических модулей, термически соединенные с холодильной камерой, начинают интенсивно охлаждаться, вызывая понижение температуры внутри холодильной камеры, а тепловая мощность, выделяемая на горячих пластинах термоэлектрических модулей, отводится в окружающий воздух внешними радиаторами сборок, обдуваемых установленными на них вентиляторами. При достижении температуры внутри холодильной камеры заданного терморегулятором 1 значения, этот терморегулятор в зависимости от установленного в нем закона регулирования либо разрывает цепь питания термоэлектрических сборок с их последующим включением при подъеме температуры внутри камеры (позиционное регулирование), либо ограничивает потребляемую агрегатом электрическую мощность до величины компенсации теплового натекания в холодильную камеру (ПИД - регулирование).
o
max
o
max
Надежность работы полезной модели, в составе которой отсутствует используемый в прототипе импульсный DC/DC преобразователь, обеспечивается непосредственным питанием от бортовой сети последовательно соединенными термоэлектрическими сборками, число которых определено соотношением n=(1,5÷2,5)U/U, где U - напряжение ботовой сети, U - максимально допустимое напряжение питания модуля одной сборки. Основанием заявленного соотношения являются результаты исследования электропитания модулей, проведенных в СКТБ НОРД и опубликованных на сайте данной компании. Согласно этим исследованиям, импульсы тока длительностью менее 1 мс, даже при пятикратном превышении максимально допустимого тока модуля (что соответствует пятикратному превышению максимально допустимого напряжения питания модуля) «не оказывают влияния на ресурс работы ТЭ модуля». Таким образом, благодаря вышеуказанному соотношению в полезной модели амплитуда импульсов перенапряжения бортовой сети, отмеченных в табл.1 ГОСТ Р 52307 - 2005 и воздействующих на один термоэлектрический модуль сборки, существенно ниже пятикратного превышения его минимально допустимого напряжения питания, а последовательное соединение термоэлектрических модулей, каждый из которых по данным производителя имеет наработку на отказ более 200000 часов, практически не влияет на уменьшение ресурса работы полезной модели.
Благодаря установке между ребер внешних радиаторов термоконтакторов 3 и их последовательному соединению в полезной модели существенно упрощена схема защиты термоэлектрических модулей от перегрева, т.к. при этом не требуется как у прототипа соединительных цепей термодатчиков с терморегулятором 1 и отдельного электронного блока защиты в этом терморегуляторе. В случае выхода из строя вентилятора любой сборки 2, последующее нагревание внешнего радиатора этой сборки приведет к срабатыванию его нормально замкнутого термоконтактора 3 и отключению холодильного агрегата до момента, восстановления нормального состояния термоконтактора по мере остывания внешнего радиатора. Аварийный режим работы при периодическом включении и отключении холодильника позволит некоторое время поддерживать санитарный холод внутри холодильной камеры, при этом за время обнаружения неисправности холодильника число срабатываний термоконтактора (например, KSD9700M-80) будет, как правило, на несколько порядков ниже его паспортного значения, а время замены вентилятора в стационарных условиях (не более 1,2 ч) вполне будет соответствовать п.4.4.3 вышеуказанного ГОСТа.
Развязывающий диод 4 обеспечивает защиту холодильника при изменении полярности его подключения. Максимально допустимое обратное напряжение этого диода должно быть выше амплитуды импульсов возможных перенапряжений бортовой сети.
Таким образом, преимуществами полезной модели по сравнению с прототипом являются более высокая надежность работы в условиях возможных перенапряжений в бортовой сети подвижного состава, а также более простая схема защиты термоэлектрических модулей от перегрева в случае выхода из строя вентиляторов обдува наружных радиаторов термоэлектрических сборок. Повышенное число термоэлектрических сборок полезной модели позволяет существенно улучшить параметры термоэлектрических транспортных холодильников. Сравнение с прототипом опытного образца полезной модели, показанного на фиг.2 и выпускаемого ООО «Системы СТК» под названием «Арктика-80/110», который имеет рабочий объем холодильной камеры 80 л. при тех же габаритах корпуса, что и холодильник РХ 30/55 с рабочим объемом 30 л., показывает, что полезная модель при включении обеспечивает достижение установившейся температуры внутри холодильной камеры в 2 раза быстрее прототипа, а коммерческая стоимость опытных образцов полезной модели даже несколько ниже стоимости прототипа.