ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Область техники
Полезная модель относится к холодильному оборудованию, а именно, к термоэлектрическим холодильным установкам и может быть использована, например, для охлаждения воздуха в продовольственных кладовых на судах в жестких условиях эксплуатации, а также в устройствах кондиционирования воздуха.
Принцип работы термоэлектрического модуля (далее ТЭМ) основан на эффекте Пельтье, когда при пропускании постоянного тока через контакты двух разнородных металлов (полупроводников), из которых состоит ТЭМ, на одном из контактов происходит охлаждение (поглощение тепла), а на другом - выделение тепла.
Уровень техники
Известны термоэлектрические устройства, состоящие из воздушных и/или гидравлических теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены два и более термоэлектрических охладителя, образующих плоский слой и, окруженных по периметру защитным барьером из низко теплопроводного материала, при этом теплообменники между собой стянуты винтами - RU 2187052 F25B 21/02, 14.12.2000, RU 2092753 F25B 21/02, 13.06.1996, RU 2364803 F25B 21/02, 18.09.2007, RU 2397074 B60H 1/32, 01.09.2008, RU 2234647 F25B 21/02, 27.11.2002.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран холодильный термоэлектрический блок RU 2092753 F25B 21/02, 13.06.1996. Блок содержит два и более термоохладителей на горячих и холодных спаях, которых установлены теплообменники. Пространство между ними и полость между горячими и холодными спаями заполнено теплоизоляционным влагонепроницаемым материалом, теплообменник горячих спаев выполнен в виде автономных секций, закрепленных только на одном термомодуле, при этом теплообменник и вентилятор для его обдува размещены в кожухе, имеющем форму диффузора с сужением в сторону теплообменника. Отверстия для входа и выхода воздуха выполнены на противоположных торцевых сторонах кожуха.
К недостаткам прототипа и известных конструкций (например, RU 2397074 B60H 1/32, 01.09.2008), в которых тепловой контакт термоэлектрических охладителей с теплообменниками достигается стяжными винтами, следует отнести повышенную вероятность разрушения термоэлектрических охладителей, работающих в условиях постоянной силовой нагрузки (сжатии). Существующая концепция использования термоэлектрических охладителей, работающих ″на прижим″, основана на том, что для эффективной работы их следует как можно сильнее зажимать между теплообменными поверхностями (теплоотводами) для снижения термического сопротивления механического контакта теплообменивающихся поверхностей. Однако, усилие стяжки может вызвать неравномерность сжатия, которое приводит к деформации теплообменников и к повреждению самих охладителей, например, разрушению керамических электротеплопереходов. Как показывает опыт работы и эксплуатации ТЭМ, термоэлектрические охладители не могут надежно работать в условиях постоянного сжатия. Тем не менее, известные изобретения предлагают мероприятия, направленные как на усиление сжатия охладителей, так и на его более равномерное распределение на поверхности сжатия. Например, в устройстве RU 2397074 B60H 1/32, 01.09.2008 с этой целью предложены специальной формы пружины в виде коромысла, которые стягиваются резьбовой шпилькой, осуществляющей усилие стяжки до 200 кгс на термоэлектрический охладитель. Для создания вышеупомянутого усилия требуется шпилька с резьбой не менее М8, которая заметно увеличит теплопотери вследствие перетечки тепла с охлаждающего теплообменника к охлаждаемому. Для уменьшения таких теплопритоков усилие затяжки винтов передается на теплообменники через теплоизоляционные втулки, которые изготавливают, например, из пластических или тому подобных материалов. Высота втулок в известных устройствах из конструктивных соображений не превышает 3-6 мм, увеличение высоты теплоизоляционных втулок приведет к торможению воздушного потока на элементах крепежа и образованию вихревых потоков. Малая же высота втулок не дает возможности максимально использовать положительный эффект от их применения.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании новой надежной конструкции ТЭМ, работающей в жестких условиях эксплуатации на судах.
Технический результат полезной модели заключается в повышении надежности ТЭМ за счет создания равномерного усилия сжатия теплообменивающихся поверхностей, увеличение срока работы.
Раскрытие полезной модели
Поставленные задачи решены следующим образом. Термоэлектрический модуль состоит из стянутых винтами воздушного и водяного теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены термоэлектрические охладители, расположенные в виде прямоугольника и окруженные защитным барьером. ТЭМ отличается тем, что между теплообменниками установлены упоры, расположенные по периметру и в центре прямоугольника, при этом высота упомянутых упоров превышает высоту термоэлектрических охладителей, а на поверхности термоэлектрических охладителей, которые контактируют с теплообменниками, нанесена теплопроводная паста. Упоры выполнены из низкотеплопроводного материала - стеклотекстолита. ТЭМ содержит термоэлектрические охладители в количестве n=24.
Кроме того термоэлектрические охладители установлены на планки, которые выполнены из электроизоляционного материала и имеют профиль, удерживающий охладители от линейных перемещений.
Кроме того винты, стягивающие воздушный и водяной теплообменники дополнительно снабжены упорными втулками, выполненными из низкотеплопроводного материала, например, капролона, и установлены со стороны водяного теплообменника, при этом высота втулок не более высоты теплообменника.
Кроме того, винты, стягивающие воздушный и водяной теплообменники, выбраны в количестве равном 10.
Осуществление полезной модели
Заявляемая полезная модель поясняется рисунками, На фиг.1 изображен ТЭМ в разрезе, на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1, на фиг 3 - узел соединения ребра воздушного теплообменника.
ТЭМ содержит воздушный теплообменник 1 и водяной теплообменник 2, между которыми размещен плоский, прямоугольной формы слой из термоэлектрических охладителей 3 и датчиков температуры 4. Теплообменники 1 и 2 стянуты по контуру винтами 5. Усилие стяжки замыкается на упоры 6, которые установлены между теплообменниками по периметру и в центре. Винты 5 передают усилие на теплообменник 2 через нетеплопроводные упорные втулки 7. Каналы 8 в стенке теплообменника 2 соединяют полость, занятую термоэлектрическими охладителями 3, с клеммной коробкой 9, расположенной на внешней стороне теплообменника 2. На коробке установлена крышка 10, которая закреплена винтами с уплотнением (не показано). В коробке 9 выполнен сальниковый ввод 11 для установки кабеля наружных подключений. Провода от термоохладителей и датчиков температуры распаяны на клеммной плате 12, установленной в клеммной коробке 9. К этой же плате 12 подведен и подпаян кабель наружных подключений ТЭМ. В коробку помещены упаковки с силикагелем 13. Боковые поверхности термоэлектрических охладителей 3 по периметру окружены защитным барьером из двух резиновых жгутов 14, и охвачены снаружи единым сплошным защитным покрытием из кремнийорганического герметика 15.
Для улучшения теплообмена на поверхности контакта термоэлектрических охладителей 3, нанесена кремнийорганическая теплопроводная паста (КПТ-8). Охладители установлены на электроизоляционные планки 16. Ребра 17 воздушного теплообменника запрессованы в основании 18 теплообменника 1. При сборке ТЭМ теплообменники 1 и 2 стягивают винтами 5, до тех пор, пока теплообменники не сблизятся на расстояние, равное высоте упоров 6, которое на несколько десятых миллиметра превышает высоту термоэлектрических охладителей 3. Термоэлектрические охладители вначале испытывают некоторое давление, передаваемое на них от теплообменников через теплопроводную пасту, но, когда упоры остановят сближение теплообменников, теплопроводная кремнийорганическая паста, обладая заметной текучестью, будет ослаблять давление на охладители. Когда толщина слоев пасты по обеим сторонам охладителя станет равной разности высот упоров и охладителей, давление на последние прекратится, и вся дальнейшая работа устройства будет происходить при полностью механически разгруженных охладителях. С целью исключения перемещений (в условиях тряски и вибрации) термоэлектрических охладителей 3, связь которых с теплообменными поверхностями осуществлена только с помощью вязкой теплопроводной пасты, применены планки 16, выполненные из электроизоляционного материала и имеющие профиль, удерживающий охладители от линейных перемещений. Планки 16 винтами закреплены на стенке водяного теплообменника 2. На планках 16 также закреплены электрические проводники от термоэлектрических охладителей и датчиков температуры 4.
Так как слой пасты на поверхностях контакта термоэлектрических охладителей ТЭМ больше, чем, например, в известном устройстве RU 2397074, то эффективность его работы меньше. Она также уменьшается вследствие перетекания тепла через упоры с горячего (водяного) теплообменника на холодный. Однако, тепловые потери по сравнению с прототипом, компенсируются за счет меньших теплоперетоков через стягивающие винты 5. Это объясняется тем, что в предлагаемом устройстве роль стягивающих винтов совершенно иная. Если в прототипе винты должны обеспечивать значительное усилие и потому они большого диаметра (или их количество больше при меньшем диаметре), то в предлагаемом устройстве роль винтов сводится к фиксации теплообменников друг относительно друга при сведении их до упоров 6. Для этого достаточно небольшого количества винтов с резьбой не более М5. В предлагаемом ТЭМ количество винтов равно 10, и оно определено не требованиями прочности, а необходимостью равномерного (по периметру) монтажа теплообменников друг с другом. Кроме того, перетечки тепла через винты могут быть еще более уменьшены за счет значительного, по сравнению с прототипом, увеличения высоты нетеплопроводных упорных втулок 7. При этом одновременно увеличивают и длину винтов, которые стягивают теплообменники. В предлагаемом ТЭМ высота упорных втулок может быть ограничена, например, уровнем верхней плоскости водяного теплообменника.
Таким образом, несмотря на то, что эффективность работы предлагаемого ТЭМ близка к известным, надежность его работы будет значительно выше за счет силовой разгрузки термоэлектрических охладителей.
Защитный барьер термоэлектрических охладителей образован двумя жгутами квадратного сечения 14. Один жгут приклеен к воздушному теплообменнику 1, другой - к водяному 2. Между жгутами предусмотрен зазор от 0,5 до 2,0 мм. При обмазке снаружи жгутов кремнийорганическим герметиком 15 образуется сплошной защитный слой, перекрывающий зазор между жгутами. При включении ТЭМ, когда температуры обоих теплообменников могут значительно отличаться, защитный барьер, обладая упругостью, сохраняет механическую прочность и паро-влаго-непроницаемость. Провода от термоэлектрических охладителей 3 и датчиков температуры 4 через каналы 8 в стенке водяного теплообменника 2 выводят в клеммную коробку 9. Клеммную коробку герметично закрывают крышкой 10, а кабель подключения проводят через сальниковую буксу. Таким образом, работа термоэлектрических охладителей 3 происходит в полностью герметичной зоне, в которую исключен доступ водяных паров. Для полного исключения в герметичной зоне остаточных паров воды в клеммную коробку вложена упаковка с силикагелем 13.
В предлагаемом ТЭМ применены 24 термоэлектрических охладителя. Как показали проведенные испытания, это число является оптимальным количеством, обеспечивающим максимальное число комбинаций необходимых вариантов подключений. ТЭМ с 24 термоэлектрическими охладителями оптимален также по габаритам и массе (около 12 кг), что делает его удобным для использования в холодильных установках различной холодопроизводительности.
С целью исключения разрушения мест запрессовки ребер 17 в основание 18 теплообменника 1 (при отрицательных температурах охлаждаемого воздуха в условиях выпадения росы и образования инея), зоны запрессовки (фиг.3) обрабатывают водостойким лаком, например, УР-231, который заполняет все неплотности, микротрещины и микрополости, которые неизбежно остаются после запрессовки ребер. Тем самым исключена возможность заполнения водой этих неплотностей и микротрещин. Таким образом, надежность работы ТЭМ модуля повышается.
ТЭМ работает следующим образом.
Основным элементом ТЭМ являются термоэлектрические охладители 3, создающие эффект охлаждения при подаче на их токовые выводы постоянного напряжения заданной полярности.
При подаче напряжения постоянного тока на спаях термоэлектрических охладителей 3 возникает разность температур, обусловливающая передачу тепла с низкого температурного уровня (охлаждаемого объема, например, кладовой) на более высокий (охлаждающая вода). Тепло из охлаждаемого объема поглощается воздушным теплообменником 1 и вместе с теплом, эквивалентным потребляемой электрической мощности термоэлектрического охладителя передается на водяной теплообменник 2, где отдается проточной охлаждающей воде. Термоэлектрические охладители установлены на водяной теплообменник 2. С противоположной стороны термоэлектрические охладители 3 находятся в тепловом контакте с воздушным теплообменником. Надежность теплового контакта обеспечена стяжкой теплообменников
При работе ТЭМ на судах в водяной теплообменник подают охлаждающую воду, температура которой может достигать 5°C. При этом на внешних стенках теплообменника может выпадать роса. Длительное воздействие капельной влаги на стенки теплообменника способно вызвать усиленную коррозию. Кроме того, как показывает опыт, количество сконденсированной влаги на стенках теплообменника в течение часа может достигать 100 мл, что равносильно дополнительной тепловой нагрузке 60 Вт. При расчетной нагрузке на теплообменник 600 Вт дополнительная нагрузка от конденсата может быть принята во внимание. С целью повышения эффективности водяных теплообменников и повышения коррозионной устойчивости наружная поверхность водяных теплообменников покрыта жидким керамическим теплоизоляционным покрытием типа ″Корунд″, исключающим выпадение на покрытых поверхностях конденсата.