ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАЖДАЮЩИЙ АГРЕГАТ

Полезная модель относится к термоэлектрическим устройствам, в частности к охлаждающим термоэлектрическим агрегатам типа «воздух-воздух» на основе модулей Пельтье, и может быть использована для поддержания температуры контейнера, бокса, шкафа и отсеков в пределах требуемого температурного диапазона. В частности, полезная модель может быть использована для управления температурой внутреннего объема шкафов с серверным и телекоммуникационным оборудованием.
Термоэлектрические модули находят широкое применение для охлаждения отдельных отсеков в шкафах и контейнерах и часто используются совместно с системами пассивного или естественного охлаждения для максимальной экономической эффективности. Применение индивидуальных систем охлаждения для отдельных отсеков повышает срок службы электронного оборудования с особыми требованиями к температурному режиму. Перспективным применением термоэлектрических агрегатов является компьютерная техника. Высокопроизводительные процессоры и чипы видеокарт выделяют большое количество тепла. Для их охлаждения применяют высокоскоростные вентиляторы, которые создают значительные акустические шумы. Применение термоэлектрических модулей в составе комбинированных систем охлаждения устраняет шум при значительном отборе тепла.
Охлаждающие устройства на основе термоэлектрических модулей Пельтье выполняют те же функции, что и традиционные холодильные агрегаты, работающие на основе хладагентов. Термоэлектрические устройства являются по своей сущности тепловыми насосами, принцип работы которых основан на законах термодинамики тем же образом, что принцип работы механических тепловых насосов, рефрижераторов и любой другой аппаратуры, предназначенной для передачи тепловой энергии. Принципиальное различие состоит в том, что термоэлектрические устройства функционируют на основе твердотельных электронных компонент (термоэлементов) в сравнении с механическими жидкостными нагревательными и охлаждающими устройствами. Преимущество термоэлектрических модулей состоит в отсутствии жидкого хладагента в системе охлаждения, в возможности выполнять функцию нагрева путем реверса тока питания сборки, в возможности произвольного расположения в пространстве и минимальное количество подвижных деталей, а также малые габариты и возможность сборки модулей различной формы, что расширяет их область применения.
В основе работы термоэлектрического модуля лежит эффект Пельтье, согласно которому при протекании электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов проводников, в зависимости от направления тока, поглощается или выделяется теплота. Количество поглощаемого тепла пропорционально величине тока, проходящего через контакт проводников. Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется в полупроводниках с различным типом проводимости (р-типом и n-типом проводимости). Единичным элементом термоэлектрического модуля является термоэлемент, состоящий из одного проводника р-типа проводимости и одного проводника n-типа проводимости. При последовательном электрическом соединении нескольких таких термоэлементов теплота, поглощаемая на контакте типа n-p, выделяется на контакте типа p-n. Термоэлектрический модуль представляет собой серию таких термоэлементов, обычно соединяемых между собой последовательно по току и параллельно по потоку тепла. Термоэлементы помещаются между двумя плоскими керамическими пластинами (см., например, патент US, 4726193; патент US, 5315830; патент US, 8997502). Количество термоэлементов может изменяться в широких пределах - от нескольких единиц до тысяч, что позволяет создавать термоэлектрические модули с холодильной мощностью от десятых долей ватт до сотен ватт.
В зависимости от направления электрического тока происходит нагрев или охлаждение участка, непосредственно примыкающего к термоэлементу. Таким образом, термоэлектрические модули могут использоваться в качестве нагревателей, охладителей или устройств для поддержания требуемой температуры. Среди используемых для изготовления термоэлектрических модулей материалов наибольшей термоэлектрической эффективностью обладает теллурид висмута, который легируют для получения заданного типа проводимости (см., например, патент RU, 2160484 и патент RU, 2402111).
При прохождении постоянного электрического тока через термоэлектрическое устройство на основе модуля Пельтье образуется перепад температур между его сторонами: одна сторона охлаждается, а другая нагревается. При использовании термоэлектрического устройства необходимо обеспечить эффективный отвод тепла с его горячей стороны. Если поддерживать температуру горячей стороны модуля на уровне температуры окружающей среды, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже.
Патент US, 5315830 раскрывает модульный термоэлектрический агрегат, предназначенный для поддержания температуры внутри контейнера или замкнутой структуры на требуемом уровне. Известный термоэлектрический агрегат включает термоэлектрическое устройство с горячей и холодной стороной. Слой изоляционного материала расположен между горячим радиатором и холодным радиатором. В зависимости от назначения полярность электрического тока, прикладываемого к термоэлектрическому устройству, может быть изменена на противоположную для изменения функций теплоотводящих радиаторов на противоположную.
Документ US, 8997502 раскрывает термоэлектрический агрегат на основе модуля Пельтье, выполненный в виде системы, состоящей из первого и второго термоэлектрических устройств, расположенных напротив друг друга, при этом каждое из упомянутых термоэлектрических устройств состоит из ряда термоэлементов и пары плоскостей, каждая из которых соединена попарно с соответствующим рядом термоэлементов. Известный агрегат обеспечивает улучшенный тепловой поток за счет расположения внутри радиатора элемента, который разделяет потоки в две стороны радиатора. Однако в известном устройстве снижается площадь теплообмена и при тех же габаритах снижается теплоемкость радиатора. Уменьшение площади теплообмена радиатора в месте расположения разделительного элемента (при тех же внешних габаритах устройства) отрицательно сказывается на холодопроизводительности агрегата. Кроме того, возможное количество установленных термоэлектрических модулей уменьшается за счет появления разделительного элемента и, соответственно, уменьшается холодопроизводительность агрегата в целом при тех же внешних габаритных размерах всего агрегата.
Опубликованная патентная заявка US, Patent Application 2014/0260330 раскрывает термоэлектрический агрегат на основе модуля Пельтье, который имеет холодную сторону и горячую сторону, где каждая горячая и холодная стороны включает вентилятор. Термоэлектрические модули расположены между горячей и холодной сторонами, и соединены в одну электрическую цепь или множество параллельных цепей, и находится в непосредственном тепловом контакте, как с горячей стороной, так и с холодной стороной. Каждая из горячей и холодной сторон имеют входное направление и выходное направление для воздушных потоков. Опубликованная патентная заявка US, Patent Application 2015/0192332 раскрывает термоэлектрический агрегат, включающий холодную сторону и горячую сторону, в котором горячая сторона содержит один вентилятор, а холодная сторона содержит два вентилятора, а также множество воздушных входов и множество воздушных выходов. Термоэлектрические модули Пельтье расположены между горячей стороной и холодной стороной, при этом электрически соединены либо в одну цепь, либо во множество параллельных цепей, и находятся в прямом тепловом контакте как с горячей, так и холодной сторонами устройства.
Все рассмотренные выше известные термоэлектрические устройства на основе модулей Пельтье типа «воздух-воздух» имеют разницу температур горячего и холодного радиаторов, которая в устоявшемся температурном режиме постоянна. Однако при росте температуры окружающей среды (наружного воздуха), температура холодного радиатора также увеличивается. Таким образом, эффективность работы известных термоэлектрических охлаждающих агрегатов является чувствительной к температуре окружающей среды.
В то же время при эксплуатации термоэлектрических агрегатов на основе модулей Пельтье существует необходимость убрать термоэлектрический агрегат под металлический антивандальный кожух, что обуславливает ограничение воздухообмена внутри кожуха, а также нагрев кожуха от тепла, отводимого агрегатом и, как следствие, увеличение температуры на входе вентилятора горячей стороны (так называемого «наружного контура» устройства). Все это приводит к уменьшению холодопроизводительности и увеличению температуры на холодном радиаторе. В таком «закупоренном» состоянии внешнего блока теплосброса производительность термоэлектрического агрегата может падать на 15-40%.
В основу данной полезной модели поставлена задача разработки такой конструкции термоэлектрического охлаждающего агрегата на основе модуля Пельтье, которая обеспечит создание закрытой пьшезащищенной воздушной системы охлаждения при одновременном увеличении холодопроизводительности агрегата. Решается также задача увеличения плотности установки активного тепловыделяющего оборудования.
Поставленная задача решается тем, что термоэлектрический охлаждающий агрегат имеет горячую сторону и холодную сторону, где горячая сторона снабжена кожухом с отверстиями для входа и выхода воздушных потоков, внутри кожуха находится, по крайней мере, один вентилятор, а также радиатор горячей стороны, при этом холодная сторона включает радиатор холодной стороны и два вентилятора, между горячей стороной и холодной стороной находятся термоэлектрические модули Пельтье, при этом как радиатор горячей стороны, так и радиатор холодной стороны располагаются в непосредственном тепловом контакте с термоэлектрическими модулями Пельтье, а кожух выполнен в виде многогранного прямоугольного тела, имеющего три грани с отверстиями, одна из которых имеет отверстия для входа воздушного потока и расположена над вентилятором горячей стороны, а две другие грани расположены напротив друг друга на расстоянии, соизмеримом с размером радиатора горячей стороны, и имеют отверстия для выхода воздушных потоков, кроме того, внутри кожуха находятся две сплошные перегородки, которые установлены под гранью кожуха с отверстиями для входа воздушного потока и параллельно граням кожуха с отверстиями для выхода воздушных потоков на расстоянии друг от друга, соизмеримом с размером вентилятора горячей стороны, при этом сплошные перегородки соприкасаются с панелью вентилятора горячей стороны.
Предпочтительна конструкция термоэлектрического охлаждающего агрегата, в которой кожух включает две боковые части и одну центральную часть, где каждая из двух боковых частей кожуха имеет пять граней, одна из которых имеет отверстия, а остальные грани выполнены сплошными, при этом центральная часть кожуха имеет три грани, одна из которых имеет отверстия, а две другие грани выполнены сплошными, при этом грани с отверстиями каждой из двух боковых частей кожуха находятся в плоскости, перпендикулярной грани с отверстиями центральной части кожуха.
Горячая сторона соединена с кожухом посредством крепления на фланце, а холодная сторона соединена с горячей стороной посредством винтов. Расстояние между сплошными перегородками соотносится с длиной горячего радиатора из диапазона 0,2-0,8, соответственно. Кроме того, каждая из боковых граней кожуха имеет систему профилированных отверстий, выполненных, по крайней мере, в два параллельных ряда.
Целесообразно, что радиаторы холодной и горячей стороны выполнены из сплавов на основе алюминия, а кожух выполнен из стального или алюминиевого листа.
Сущность структуры данной полезной модели в том, что она разделяет потоки входящего в наружные вентиляторы «холодного» воздуха (воздуха окружающей среды) и выдуваемого из радиатора горячей стороны «горячего» воздуха. Компоновка составных частей охлаждающего термоэлектрического агрегата при установке его в термостабилизуемый шкаф обеспечивает два контура циркуляции воздуха - снаружи и внутри шкафа. Кожух является дополнительным элементом сброса тепла на наружной стороне шкафа, поэтому увеличивает холодопроизводительность системы.
Сущность данной полезной модели поясняется неограничивающим примером его реализации и прилагаемым чертежом, на котором:
фиг. 1 - изображает в изометрии структуру термоэлектрического охлаждающего агрегата.
Для пояснения сущности данной полезной модели на чертеже введены следующие обозначения: 1, 3 - боковые части кожуха; 2 - центральная часть кожуха; 4, 5 - отверстия для выхода воздушных потоков; 6, 7 - сплошные перегородки; 8 - отверстия для входа воздушных потоков; 9 - вентилятор горячей стороны; 10 - панель вентиляторов горячей стороны; 11 - радиатор горячей стороны; 12 - радиатор холодной стороны; 13 - панель вентиляторов холодной стороны; 14 - термоэлектрические модули Пельтье; 15, 16 - вентиляторы холодной стороны; 17 - фланец.
Пример 1.
Термоэлектрический охлаждающий агрегат, изображенный на фиг. 1, имеет горячую сторону и холодную сторону. Горячая сторона данного агрегата, выполненного согласно данной полезной модели, снабжена кожухом с отверстиями для входа воздушных потоков 8 и отверстиями для выхода воздушных потоков 4, 5. Внутри кожуха находятся радиатор горячей стороны 11 и вентилятор горячей стороны 9 (второй вентилятор горячей стороны находится в глубине и на чертеже не показан). Вентилятор горячей стороны 9 расположен под отверстиями для входа воздушных потоков 8. Холодная сторона включает радиатор холодной стороны 12 и два вентилятора холодной стороны 15 и 16.
Между горячей стороной и холодной стороной находятся термоэлектрические модули Пельтье 14. Радиатор горячей стороны 11 и радиатор холодной стороны 12 располагаются в непосредственном тепловом контакте с термоэлектрическими модулями Пельтье 14 и крепятся между собой посредством винтов (на чертеже не показаны). Кожух выполнен в виде многогранного прямоугольного тела и имеет три грани с отверстиями для воздушных потоков. Одна из граней кожуха имеет отверстия для входа воздушного потока 8 и расположена над вентилятором горячей стороны 9. Две другие грани расположены напротив друг друга на расстоянии, соизмеримом с размером радиатора горячей стороны 11, и имеют отверстия для выхода воздушных потоков 4 и 5. Кроме того, внутри кожуха находятся две сплошные перегородки 6 и 7, установленные под гранью кожуха с отверстиями для входа воздушного потока 8 и на расстоянии друг от друга. Указанное расстояние между сплошными перегородками 6 и 7 соотносится с длиной радиатора горячей стороны 11 как 0,6. Каждая из сплошных перегородок 6 и 7 установлена параллельно граням кожуха с отверстиями для выхода воздушных потоков 4 и 5, при этом сплошные перегородки соприкасаются с панелью радиатора горячей стороны 10.
Кожух включает две боковые части 1 и 3, а также центральную часть 2. Каждая из боковых частей кожуха 1 и 3 имеет пять граней, одна из которых имеет отверстия для выхода воздушных потоков 4 и 5, соответственно, а остальные грани боковых частей кожуха 1 и 3 выполнены сплошными. Центральная часть кожуха 2 имеет три грани, одна из которых имеет отверстия для входа воздушного потока 8, а две другие грани выполнены сплошными. Грани с отверстиями для выхода воздушных потоков каждой из двух боковых частей кожуха 1 и 3 находятся в плоскости, перпендикулярной грани с отверстиями для входа воздушного потока 8 центральной части кожуха 2. Боковые части кожуха 1,2 и центральная часть кожуха 3, а также радиатор горячей стороны 11 крепятся на фланце 17.
Вентиляторы холодной стороны 15 и 16 установлены на панели вентиляторов холодной стороны 13, которая крепится к радиатору холодной стороны 12 термоэлектрического охлаждающего агрегата. Оба вентилятора холодной стороны 15 и 16 вместе с радиатором холодной стороны 12 размещают внутри охлаждаемого шкафа.
Данный термоэлектрический охлаждающий агрегат работает следующим образом. На термоэлектрический охлаждающий агрегат подается напряжение от внешнего источника питания. Напряжение поступает на термоэлектрические модули Пельтье 14 и вентилятор горячей стороны 9, а также вентиляторы холодной стороны 15 и 16.
Термоэлектрические модули Пельтье являются главным узлом охлаждающего термоэлектрического агрегата. В соответствии с эффектом Пельтье, посредством термоэлектрических модулей Пельтье 14, происходит охлаждение холодной стороны агрегата, которую размещают внутри охлаждаемого шкафа (отсека), и температура в шкафу (отсеке) понижается. Перемешивание охлаждаемого воздуха внутри шкафа (отсека) обеспечивается обдувом радиатора холодной стороны 12 с помощью вентиляторов холодной стороны 15 и 16.
Тепло, выделяемое на горячей стороне термоэлектрического охлаждающего агрегата, отводится в окружающую среду посредством радиатора горячей стороны 11. Вентиляторы горячей стороны через отверстия для входа воздушных потоков 8 кожуха забирают наружный воздух и продувают его через ребра радиатора горячей стороны 11. Нагретый воздух выходит наружу через отверстия для выхода воздушных потоков 4, 5 кожуха.
Для разделения потоков входящего и выходящего воздуха в горячей стороне термоэлектрического агрегата служат стенки боковых частей 1 и 3 кожуха, выполненные сплошными и примыкающие к горячему радиатору 11. Сплошные перегородки 6 и 7, расположенные внутри кожуха в его центральной части 2, также разделяют потоки входящего и выходящего воздуха в горячей стороне термоэлектрического агрегата.
Таким образом, кожух отделяет горячий воздух на выходе радиатора от попадания его на вход в вентилятор, то есть обеспечивает обдув радиатора "холодным" воздухом. В данной полезной модели кожух является многофункциональным узлом термоэлектрического охлаждающего агрегата, поскольку выполняет следующие функции: защищает агрегат от несанкционированного вскрытия (антивандальная защита); защищает термоэлектрический агрегат от прямого попадания воды в вентиляторы горячей стороны; имеет эстетичный внешний вид, так как закрывает место врезки агрегата в стенку, то есть видимый контур прямоугольного отверстия, куда вставляется агрегат и винты, на которые он крепится к стенке; разделяет входящий в вентиляторы «холодный» поток воздуха и выходящий «горячий» поток воздуха; кроме того, кожух является дополнительным элементом сброса тепла на наружной стороне шкафа, то есть увеличивает хо-лодопроизводительность системы.
Данный охлаждающий термоэлектрический агрегат может быть установлен в любой контейнер, бокс или отсек, имеющий отверстие геометрически подобной конфигурации. Выполнение конструкции термоэлектрического охлаждающего агрегата, согласно данной полезной модели, обеспечивает коммерческое преимущество, состоящее в достижении комплексного результата: управление температурой внутреннего объема шкафов с оборудованием; создание закрытой пылезащищенной воздушной системы охлаждения, а также повышение количества, т.е. плотности упаковки в шкафу тепловыделяющего оборудования. Термоэлектрические агрегаты, выполненные согласно данной полезной модели, имеют холодопроизводительность в диапазоне, начиная от 200 Вт, при температуре наружного воздуха в диапазоне от плюс 35°С до плюс 45°С при коэффициенте эффективности 1,05. Данный термоэлектрический агрегат обеспечивает максимальную холодопроизводительность не менее 490 Вт. Данные термоэлектрические агрегаты имеют меньшую стоимость для указанной мощности по сравнению с зарубежными аналогами.