ДВУХКАМЕРНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕРМОСТАТ
TWO CHAMBER THERMOELECTRIC THERMOSTAT

Известны термоэлектрические устройства - холодильники, термостаты, содержащие полупроводниковые термоэлектрические модули, контактирующие холодной теплообменной площадкой с охлаждаемой камерой, а горячей теплообменной площадкой с отводящим тепло теплообменником.
Теплообменник может быть выполнен, например, в виде радиатора, обдуваемого воздушным потоком, сформированным вентилятором, либо выделяющееся тепло может сниматься естественным путем с помощью конвекции (А.Ф.Иоффе. Полупроводниковые термоэлементы. АН СССР, Москва - Ленинград, 1960, стр.132).
В качестве теплоносителя, отводящего тепло, может служить также охлаждающая жидкость, например вода.
Известны термобатареи трубчатой конструкции (Ю.Н.Цветков. Термоэлектрический судовой холодильный шкаф. Холодильная техника, 1967, №6), где несущим элементом термоэлектрического устройства является сварной медный теплообменник квадратного сечения с четырьмя последовательно соединенными каналами для циркуляции воды, а сами термоэлектрические модули скоммутированы по длине теплообменника на его гранях. Холодные теплообменные площадки модулей в этом случае обрамляют ребра, выполненные из меди, которые охватывают теплообменник с модулями с четырех сторон.
Известны также холодильники с охлаждаемыми камерами, разделенными перегородками на две части, при этом в нижней части камеры предусмотрено более глубокое охлаждение, чем в верхней (А.Ф.Иоффе. Полупроводниковые термоэлементы. АНСССР, Москва - Ленинград, 1960, стр.136).
Вышеперечисленные устройства имеют такие недостатки, как невозможность получить однородную и стабильную температуру стенок камеры (а следовательно, и внутри нее), обеспечить высокую скорость захолаживания, поддерживать этот режим и быстро выходить из него, исключить влияние камер друг на друга при различных режимах их работы.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является термоэлектрический холодильник Киевского завода электробытприбор “Холодильник термоэлектрический ХАТЭ-12 МУ 2”, технические условия ТУ 27-56-651-77.
Холодильник имеет охлаждаемую камеру, выполненную в виде алюминиевого короба объемом двенадцать литров, который контактирует через фланец с холодными теплообменными площадками термоэлектрических модулей, а теплообменник, контактирующий с горячими (тепловыделяющими) площадками модулей, выполнен в виде набора алюминиевых пластин, служащих ребрами радиатора. Ребра радиаторов, разделенные промежуточными алюминиевыми полосками, обеспечивающими зазоры для прохождения воздуха, стянуты металлическими шпильками. Воздушный поток, проходящий через радиатор, формируется с помощью вентилятора. Охлаждаемая камера окружена слоем тепловой изоляции.
Недостатком данной конструкции являются большие температурные градиенты металлического короба охлаждаемой камеры, потери тепла между фланцем и камерой, а также между фланцем и холодными теплообменными площадками модулей, значительные потери на пластинчатом радиаторе из-за тепловых сопротивлений в местах сопряжения ребер с разделительными полосками. Кроме того, в подобных конструкциях невозможно поддерживать с высокой точностью температуру внутри камеры из-за различной скорости охлаждения ее стенок в связи с отставанием их охлаждения по мере удаления от зоны распространения холода. В данной конструкции степень охлаждения камеры также сильно зависит от количества атмосферных водяных паров.
С целью получения однородной температуры в камере, синхронного изменения температуры стенок камеры во времени при их захолаживании и при выходе из него, с целью увеличения точности поддержания температуры в камере, повышения скорости выхода на режим, обеспечения автономной работоспособности обеих камер, в том числе при их одновременной работе в различных режимах (например, одна в режиме нагрева, другая в режиме охлаждения), исключения влияния на работоспособность устройства воздействия тепловых излучений и атмосферного пара при высокой влажности, снижающего эффективность охлаждения в результате его конденсации, была предложена следующая конструкция.
Термостат, предназначенный для экспериментов по выращиванию в условиях невесомости биокристаллов, представляет собой двухкамерное термоэлектрическое устройство (фиг.1). В одной из камер (1) находятся три плоские цилиндрические кристаллизационные ячейки (имеющие металлический корпус), подвешенные на изоляторах, в другой камере (2) - ячейка в виде пенала из оргстекла. Охлаждение производится полупроводноковыми термоэлектрическими модулями (3). Камеры расположены по обеим сторонам теплообменника, который состоит из двух радиаторов (4), составленных вершинами ребер друг к другу, отделенных эластичной пластиной теплоизолятора (5) и закрепленных в жесткую конструкцию с помощью пристыкованных к радиаторам входного (6) и выходного (7) фланцев (одновременно являющихся патрубками), причем входной фланец состыкован с переходным фланцем (8), служащим для крепления вентилятора постоянного тока (9), обеспечивающего воздушный поток в теплообменнике для отвода выделяющегося тепла с термоэлектрических модулей.
Таким образом, горячая зона локализована в небольшом объеме (едином теплообменнике), что не оказывает существенного влияния на режим работы охлаждаемых камер.
Входной и выходной фланцы (патрубки) имеют сечение квадрата со сторонами, равными ширине радиатора (при этом ширина радиатора относится к высоте ребер радиатора как 2:1), что соответствует минимальному гидравлическому сопротивлению. Единый теплообменник разветвляется на два независимых теплоотводящих канала, снимающих тепло с каждого из радиаторов. Основание радиатора имеет следующую конфигурацию (фиг.2).
Теплосъемные бобышки (12) основания радиатора, контактирующие с модулями (3), разнесены к краям основания. Такое расположение модулей обеспечивает более быстрое и равномерное охлаждение камеры.
С целью сведения к минимуму перетечек тепла от горячего основания радиатора к камере, без ухудшения отвода радиатором тепла, основание имеет утолщенную центральную часть (10) по сравнению с его боковыми частями (11), при этом область с минимальной толщиной изоляции ограничивается только этой центральной частью, а на боковых частях основания радиатора возможно размещение дополнительных слоев изоляции.
Центральная часть основания играет также дополнительную роль теплового моста между теплосъемниками бобышками (12), контактирующими через теплопроводящую пасту с горячими теплообменными площадками модулей.
Так как снимающие тепло с термоэлектрических модулей бобышки на радиаторе находятся при несколько различных тепловых условиях (на бобышку, находящуюся вблизи выходного фланца, оказывает влияние тепловой поток с предыдущей бобышки), для выравнивания температуры между ними бобышки соединены между собой этой утолщенной частью шириной, равной ширине бобышек. Толщина центральной части основания радиатора выбрана из тех соображений, чтобы она несла и распределяла тепловой поток без потерь (что подразумевает несужение ее сечения по сравнению с бобышками). Это возможно, если ее сечение равно половине площади бобышки, поскольку поток растекается по обе стороны от бобышки вдоль основания. В этом случае толщина центральной части должна быть равной половине ее ширины и, соответственно, половине ширины бобышки.
Толщина утонченных боковых сторон основания радиатора выбрана также из таких же соображений - их минимальная толщина должна быть равной сумме толщин ребер, уместившихся на них, так как тепловой поток распространяется к крайним ребрам от центра.
Дальнейшее увеличение толщин основания приводит к увеличению термического сопротивления от модуля до основания ребер радиатора, а следовательно, к потерям тепла.
На утолщенной центральной части основания радиатора выполнены два отверстия (13) для стягивающих болтов, при этом утолщенная часть основания служит дополнительным элементом жесткости.
Радиаторы - основание, ребра (14), бобышки выполнены из алюминиевого сплава единой деталью, что стало возможным благодаря их оптимизации, а также выбору вентилятора с высокими параметрами, что позволило не применять радиаторы пластинчатого типа и повысить эффективность теплообменника.
С целью распределения холода с выравненной температурой на стенки камеры охлаждаемая камера (1) представляет собой короб (15), фиг.3, охлаждаемое основание (16) которого расположено на боковой стенке короба, при этом высота основания (распределяющего охлаждение и утолщенного по сравнению с другими стенками камеры) меньше ширины дна короба и ширины крышки камеры (на рисунке не показана). На утолщенном основании (16) короба (являющемся его торцевой стороной) расположены бобышки (17), которые через теплопроводящую пасту контактируют с модулями. На основании короба расположены отверстия (18) с резьбой для болтов, с помощью которых короба притянуты болтами через изоляторы к основаниям радиатора. В полости короба одной из камер расположены три кристаллизационные ячейки (19), в другой камере находится ячейка в виде пенала из оргстекла (на рисунке не показана). Отверстия (20) с резьбой служат для крепления с помощью шести болтов крышки, которая сажается также на теплопроводящую пасту. Основание короба отделяет от основания радиатора слой тепловой изоляции.
Разнесение модулей (и соответственно, бобышек) обусловлено необходимостью равномерного охлаждения камеры с целью снижения температурных градиентов по длине короба камеры. С этой же целью толщина основания (бокового торца короба, являющегося стенкой) выполнена более толстой по сравнению с остальными его стенками.
Выбор расположения бобышек на боковом торце - более узкой стороне короба - обусловлен необходимостью иметь идентичность температур дна и крышки, а также синхронность их охлаждения во времени для обеспечения однородного теплового поля для ячеек. Охлаждение короба со стороны дна привело бы в процессе захолаживания к значительному отставанию температуры крышки относительно дна и, соответственно, к температурным градиентам в кристаллизационных ячейках, что в данных биологических экспериментах недопустимо.
Короба камер с бобышками выполнены единой деталью из алюминиевого сплава, объем каждой камеры около 1,8 л.
Обе камеры через изоляторы закреплены на массивном основании термостата и окружены слоями тепловой изоляции ППУ. С целью достижения более глубокой степени охлаждения камер короба окружены светоотражающей пленкой на лавсановой основе с напыленным слоем алюминия. Эта пленка позволяет, кроме исключения влияния теплового излучения, отсечь зону конденсации, поскольку при низкой температуре влагосодержание ниже, чем при высокой, вследствие чего возникает направленное движение атмосферного пара в холодные области, где он и конденсируется. Конденсация пара “отбирает” холод, и при свободном его доступе к охлаждаемому объекту невозможно получить температуру ниже температуры конденсации. При необходимости возможна установка двух или нескольких пароизолирующих светоотражающих пленок.
Вся конструкция закрыта металлическим кожухом, который закрепляется на массивном основании термостата.
Режим работы термоэлектрических модулей выбран как режим максимального холодильного коэффициента, что позволяет при ограниченной мощности потребления получить приемлемую холодопроизводительность. Поскольку ток через модуль в режиме максимального холодильного коэффициента составляет примерно 1/3 от тока в режиме максимальной холодопроизводительности, появляется возможность резко увеличивать скорость захолаживания (или выхода из него) путем увеличения тока через модули, а также быстро реагировать при выходе термостата из заданного температурного режима.
Выход на заданный температурный режим, а также поддержание температуры осуществляется с помощью управляющего электронного устройства.
Работает термоэлектрический термостат следующим образом.
На термоэлектрические модули подается эектрический ток, при этом на холодных теплообменных площадках модулей выделяется холод, и камера, контактирующая с ними, охлаждается; на горячих теплообменных площадках выделяется тепло, которое снимается с помощью радиаторов теплообменника и выносится воздушным потоком, сформированным вентилятором. При этом в теплообменнике воздушный поток после вентилятора разветвляется на два и идет по двум изолированным теплоотводящим каналам, каждый из которых охлаждает соответствующий радиатор. Это позволяет осуществлять работу камер одновременно в различных режимах, не влияя друг на друга (например, одной из камер в режиме нагрева, а другой - в режиме охлаждения) и поддерживать равномерное температурное поле в ячейках (где осуществляется рост биокристаллов). Применение единого теплообменника (а следовательно, только одного вентилятора) также позволило снизить потребляемую мощность (в условиях ее дефицита), кроме того, получить более компактную конструкцию.
Холодопроизврдительность камеры при максимальном охлаждении составляет 15 Вт, величина охлаждения (максимальная разность температуры между окружающей средой и камерой) составляет 35°C, разброс температуры по стенкам камеры не более 1°C.