Термоэлектрический холодильник

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНИК
Полезная модель относится к экологически чистым устройствам, предназначенным для охлаждения в термоизолированном объеме, в частности, может быть применено в шкафах электронного оборудования, фармацевтических хранилищах, холодильниках для транспортных средств, торговом холодильном оборудовании (прилавках, горках, стеллажах).
Широко известны охладительные системы, использующие термоэлектрические приборы, которые обычно называются элементами на основе эфсректа Пельтье.
Элементы Пельтье в таких вариантах использования обычно применяются в форме плоских элементов с постоянным напряжением, приложенным между двумя противоположными активными поверхностями элемента. Постоянный ток вызывает перенос тепла с одной активной поверхности элемента на другую. При этом одна сторона элемента охлаждается, а другая нагревается. Активные поверхности обычно выполняют в виде теплопроводных пластин, например, из керамики, а расположенные между ними собственно термоэлементы выполняют в виде массива электрически соединенных термостолбиков р- и п- типа, реализованных из материалов с желаемыми термоэлектрическими характеристиками, например, из теллурида висмута. В целом эту конструкцию называют термомодулем. Каждый термомодуль имеет токовводы. Электрически соединенные между собой термомодули образуют термобатарею. При обеспечении теплового соединения холодной активной поверхности термомодулей термобатареи с внутренней частью изолированной камеры происходит охлаждение ее внутреннего объема.
Для осуществления безаварийной и эффективной работы каждого из термомодулей термобатареи, установленной в камере холодильника, необходимо обесточить одновременное протекание двух процессов: - интенсивного отвода тепла с горячей поверхности термомодулей термобатареи (например, с помощью вентилятора) и такой же интенсивности отвод холода с их холодных поверхностей. В случае нарушения равновесия этих процессов (например, при случайном отрыве проводов при резкой тряске устройства в дорожных условиях) возникает недопустимый перегрев термомодулей, приводящий к неконтролируемому их выгоранию (необратимому разрушению), а также к возникновению аварийной ситуации, следствием которой может быть пожар, например, в железнодорожном вагоне.
В связи с наличием этой проблемы достаточно актуальной в настоящее время задачей является разработка конструкции термоэлектрического холодильника, отличающейся от известных решений высокой степенью защищенности от аварийных ситуаций, возникающих по причине перегрева термомодулей, а также недостаточной адаптированности конструкции устройства к сложным дорожным условиям.
Известные по предшествующему уровню техники конструкции термоэлектрических холодильников не обладают достаточной степенью защищенности от аварийных ситуаций и недостаточно надежны при эксплуатации в сложных дорожных условиях из-за не нашедшей достаточно эффективного решения проблемы, связанной с предупреждением вероятности нагрева и разрушения (выгорания) термомодулей. Так, например, известен встроенный автомобильный термоэлектрический холодильник 1, содержащий корпус, состоящий из рабочей камеры, крышки и откидного столика, включающий источник холода, радиатор теплосброса, вентилятор и регулятор температуры, а также радиатор теплопоглощения. Агрегат охлаждения в качестве источника холода содержит, по крайней мере, один термоэлектрический модуль, принцип работы которого основан на эффекте Пельтье. Регулятор температуры, радиатор теплосброса и вентилятор установлены на внешней стенке корпуса, радиатор теплопоглощения выполнен на внутренней стенке корпуса в виде металлической обшивки, при этом тепловыделяющая и теплопоглощающая поверхности термомодуля находятся в тепловом контакте с радиатором теплосброса и радиатором теплосброса и радиатором теплопоглощения соответственно.
Недостатками этого устройства являются высокая степень аварийности и низкая надежность при эксплуатации, обусловленные быстрым разрушением источника холода из-за тряски устройства в пути.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является автомобильное термоэлектрическое устройство для охлаждения и нагрева пищи и напитков 2.
Это устройство представляет собой две плотно соединенные емкости верхней и нижней. Верхняя емкость является съемной и выполняет функции контейнера для пищи и напитков, а в нижней емкости установлен термоэлектрический блок, который можно подключить к розетке прикуривателя транспортного средства, и который с помощью термоэлектрических элементов Пельтье посредством управляющей схемы выбора охлаждения или нагрева обеспечивает работу устройства. Блок управления данного устройства содержит блок питания, подзарядное устройство с индикатором разрядки аккумуляторной батареи, биметаллический переключатель, вентилятор, световые индикаторы красного и зеленого цвета, переключатель режимов работы. Назначением биметаллического быстросрабатывающего переключателя является предохранение термоэлектрических элементов от сгорания при работе устройства в режиме нагрева. Данный биметаллический переключатель в случае перегрева размыкает цепь подачи питания от аккумулятора, чтобы
защитить термоэлектрические элементы от разрушения и поломки. Цепь остается разомкнутой до остывания элементов. Это прерывание происходит только в случае, если устройство находится в режиме нагрева и когда вентилятор не используется (отключен).
Недостатком этого устройства является неконтролируемость возникновения аварийной ситуации в дорожных условиях из-за перегрева термомодулей в режиме охлаждения.
Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, состоит в создании конструкции термоэлектрического холодильника, отличающейся от известных достаточно высокой степенью защиты от аварийных ситуаций в дорожных условиях эксплуатации посредством предотвращения перегрева термомодулей в режиме непрерывного охлаждения. При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:
-улучшение технических и эксплуатационных характеристик;
-малая инерционность;
-высокая надежность;
-отсутствие шума;
-экологическая безопасность вследствие отсутствия химически активных или находящихся под высоким давлением хладагентов;
-возможность применения на движущихся объектах;
-возможность эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;
-пожаробезопасность.
Предлагается термоэлектрический холодильник, содержащий камеру, в стенке которой установлена термобатарея с термомодулями, имеющими обращенные внутрь активные холодные поверхности и обращенные наружу активные горячие поверхности, соответствующие элементы холодопередачи и теплопередачи, внутренние и внешние датчики температуры, блок питания, основной стабилизатор тока и блок управления термобатареей.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что термоэлектрический холодильник снабжен индикатором аварий, силовым дросселем, запускающей цепью, форсирующей цепью, блоком управления вентиляторами, при этом внутренний и внешний датчики температур установлены на соответствующих элементах холодопередачи и теплопередачи с возможностью контактирования соответственно с активными холодными и горячими поверхностями термомодулей термобатареи, а блок управления вентиляторами выполнен в виде подключенного к вентиляторам регулятора скорости вращения крыльчаток, вспомогательного стабилизатора, анализатора аварийных состояний вентиляторов и блока защиты от аварий, причем регулятор скорости вращения крыльчаток последовательно соединен через вспомогательный стабилизатор и силовой дроссель с основным стабилизатором, а анализатор аварийного состояния вентиляторов соединен с вентиляторами и последовательно подключен через блок защиты от аварий
к основному стабилизатору, причем внешний датчик температуры соединен с блоком защиты от аварий, с которым соединен индикатор аварий, при этом блок управления термобатареей выполнен в виде сумматора, задатчика температуры и источника опорного напряжения, причем один вход сумматора соединен с выходом внутреннего датчика температуры, а второй вход сумматора соединен с выходом задатчика температуры, вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход сумматора соединен с входом основного стабилизатора и входом регулятора скорости вращения крыльчаток, при этом вход запускающей цепи соединен с выходом блока питания, а выход запускающей цепи соединен с основным стабилизатором, причем формирующая цепь соединена с входом основного стабилизатора тока, а его вход соединен с выходом вспомогательного стабилизатора.
Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого изобретения.
Техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается и используется, например, в вагоне поезда дальнего следования.
Сущность заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:
-фиг.1 - общий вид термоэлектрического холодильника (с сечением);
-фиг. 2 - функциональная схема термоэлектрического холодильника;
-сриг. 3 - принципиальная схема термоэлектрического холодильника.
Термоэлектрический холодильник содержит (см. фиг. 1-3) камеру 1, в стенке 2 которой установлена термобатарея 3 с термомодулями 4, имеющими обращенные внутрь активные холодные 5 поверхности и обращенные наружу активные горячие 6 поверхности, соответствующие элементы холодопередачи 7 и теплопередачи 8, вентиляторы 9 внутренние и внешние, внутренний датчик температуры 10, внешний датчик температуры 11, блок питания 12, основной стабилизатор 13 тока (см. фиг. 2, 3) и блок управления 14 термобатареей. Холодильник снабжен (см. фиг.2) индикатором 15 аварий, выполненным, например, в виде светодиода, силовым дросселем 16, запускающей цепью 17, форсирующей цепью 18, блоком управления 19 вентиляторами. Внутренний датчик 10 температуры установлен на элементе холодопередачи 7 с возможностью контактирования с активными холодными поверхностями термомодулей 3. Внешний датчик 11 температуры установлен на элементе теплопередачи 8 с возможностью контактирования с активными горячими поверхностями термомодулей термобатареи 3. (фиг. 1,2). Блок управления 19 вентиляторами выполнен в виде подключенного к вентиляторам 9 регулятора 20 скорости вращения крыльчаток, вспомогательного стабилизатора 21,
анализатора 22 аварийного состояния вентиляторов и блока 23 защиты от аварий. Регулятор 20 скорости вращения крыльчаток последовательно соединен через вспомогательный стабилизатор 21 и силовой дроссель 16 с основным стабилизатором 13, а вход анализатора 22 аварийного состояния вентиляторов соединен с выходами вентиляторов 9, а выход анализатора 22 подключен к входу блока защиты 23 от аварий. Внешний датчик 11 температуры соединен с блоком защиты 23 от аварий, к которому подключен индикатор 15 аварий. Блок управления термобатареей выполнен в виде сумматора 24, задатчика 25 температуры и источника опорного напряжения 26, причем один вход сумматора 24 соединен с выходом внутреннего датчика 10 температуры, второй вход сумматора 24 соединен с выходом задатчика 25 температуры, вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения 26, а выход сумматора 24 соединен с входом основного стабилизатора 13 и входом регулятора 20 скорости вращения крыльчаток, при этом вход запускающей цепи 17 соединен с выходом блока питания 12, а выход запускающей цепи 17 соединен с основным стабилизатором 13. Форсирующая цепь 18 соединена с входом основного стабилизатора 13 тока, выход которого последовательно соединен через силовой дроссель с вспомогательным стабилизатором 21 и входом термобатареи 3.
Термоэлектрический холодильник работает следующим образом (см. фиг.13). Принцип работы холодильника основан на использовании эффекта Пельтье, когда при пропускании постоянного тока через контакта двух разнородных веществ (металлов, полупроводников) из которых состоит термомодуль, на одном из контактов происходит охлаждение (поглощение тепла), а на другом - выделение тепла. Включением тумблера «Сеть (на фиг. не показан) подают напряжение к термомодулям 4 и вентиляторам 9. С этого момента начинается процесс охлаждения холодных 5 поверхностей термомодулей 4 термобатареи 3 и элементов холодопередачи 7. При этом внутренний вентилятор 9 теплопоглощения осуществляет процесс циркуляции холодного воздуха в объеме камеры 1.
Одновременно с процессом охлаждения происходит процесс выделения тепла на горячих 6 поверхностях термомодулей 4, передающегося на элемент теплопередачи 8, обдуваемого потоком охлаждающего воздуха от внешнего вентилятора 9 теплосброса, обеспечивающего удаление тепла во внешнюю среду. Таким образом, в теплоизолированной камере можно обеспечить температуру, равную например, 7е С при температуре окружающей среды 35е С.
Управление процессами охлаждения и тепловыделения с одновременным слежением за температурами холодных и горячих поверхностей термобатареи 3, а также управление работой вентиляторов 9, наблюдение за изменением температурных режимов и обеспечение защиты от аварийных ситуаций (перегрева, коротких замыканий) осуществляется следующим образом, (см. фиг. 1,2,3).
16. При этом включают основной стабилизатор тока 13, который подает управляющий сигнал на термобатарею 3 и включает через силовой дроссель 16 вспомогательный стабилизатор 21. Одновременно с этим от внутреннего датчика 10 температуры поступает сигнал на вход сумматора 24, где он суммируется с сигналом, сформированным из сигнала источника опорного напряжения 26 задатчиком 25 температуры камеры 1. С выхода сумматора 24 сигнал поступает на регулятор 20 скорости вращения крыльчаток вентиляторов 9 и на основной стабилизатор тока 13, сигнал с которого управляет изменением тока через термобатарею 3 в зависимости от разницы температур между измеренной внутри камеры 1 и заданной задатчиком 25.
Изменением сигнала на выходе сумматора 24 управляют работой вентиляторов 9 с помощью регулятора 20 скорости вращения крыльчаток. По мере приближения температуры охлаждения камеры 1 к заданной задатчиком 25, на выходе сумматора 24 величина сигнала уменьшается, в результате этого основной стабилизатор тока 13 подает соответственно уменьшенный по величине ток на термобатарею 3 и соответственно уменьшает скорость вращения крыльчаток путем уменьшения величины тока, подаваемого к регулятору скорости 20.
Анализатор 22 аварийных состояний вентиляторов определяет, находится ли величина скорости вращения крыльчаток вентиляторов в заданном диапазоне величин. В случае, если скорость вращения крыльчаток выходит из заданного диапазона, выдается сигнал на срабатывание блока 23 защиты, который переключает основной стабилизатор тока 3 в режим запуска и включает индикатор аварии 15 (например, загорается красная лампочка). Это означает сигнал о возможности аварии по причине перегрева термомодулей 3 и вероятности выгорания вентиляторов 9, т.е. возможность возникновения пожара. Для предотвращения аварии основной стабилизатор тока 13 отключает питание вспомогательного стабилизатора 21 регулятора 20, вентиляторов 9 и термобатареи 3. Этим предотвращают аварийные ситуации.
Упомянутое отключение настроено на кратковременное срабатывание основного стабилизатора 13 тока, который работает в форсированном режиме, обеспечивая восстановление необходимого тока питания термобатареи после исчезновения ее перегрева. Сигнал перегрева горячих поверхностей термомодулей поступает от термобатареи 3 через внешний датчик температуры 11 к блоку защиты от аварий 23, который включает индикатор аварии 15 и подает сигнал на основной стабилизатор 13 тока, который через силовой дроссель отключает питание термобатареи 3, предотвращая аварийную ситуацию.
Форсирующая цепь 18 обеспечивает ускоренный вывод переохлажденной камеры 1 на рабочий режим при кратковременных отключениях в дорожных условиях.
дорожных условиях благодаря наличию элементов, обеспечивающих управляемость процессами выработки потоков тепла и холода, контролируемость температур и возможность предупредить перегрев термомодулей. Благодаря наличию в данном холодильнике конструктивных элементов защиты от аварий обеспечивается его пожаробезопасность. При этом достигнуты следующие технико-экономические результаты:
-улучшение технических и эксплуатационных характеристик;
-компактность конструкции, повышенная ремонтопригодность, надежность и низкая стоимость;
-использование экологически чистого источника холода;
-возможность безопасного применения на движущихся объектах;
-возможность эксплуатации в широком диапазоне климатических условий.