ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
THERMOELECTRIC COOLING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к холодильной технике, а именно к термоэлектрическим устройствам термостатирования и охлаждения, содержащим термобатарею, состоящую из термоэлектрических модулей с холодными и горячими спаями, работающими при подаче постоянного тока и передающими свое тепло теплообменникам, находящимся внутри и снаружи холодильного устройства. При этом, как правило, внутренняя камера от внешнего теплообменника изолирована теплоизоляцией. Известно, что передача и отвод тепла осуществляются эффективнее при малом тепловом сопротивлении теплообменников. Исходя из этого применяют те или иные конструкции холодильных устройств, обеспечивающих наиболее низкое тепловое сопротивление цепи «объект охлаждения - термобатарея - отводящее устройство». В этом случае решающую роль играет вид соединения термоэлектрического модуля с теплообменным устройством.
В настоящее время в качестве батарей в холодильных приборах применяют термоэлектрические модули Пельтье. Термоэлектрические модули изготавливают из двух гладких, сравнительно тонких (2 мм) наружных керамических прокладок и полупроводниковых переходов, находящихся между прокладками. Именно наличие керамических пластин создает сложности при установке и закреплении указанных модулей в различного рода конструкциях холодильных устройств. Стоит отметить, что в последнее время предпринимаются попытки по замене хрупкой керамики на более прочный материал (ПМ №33462 от 27.06. 2003. М. Кл. 7 Н01L 35/02, 35/32), например на алюминий или медь с небольшим слоем керамики. Это позволяет изготавливать термомодули различного конструктивного исполнения и размеров, но в силу различных причин производство указанных модулей и их применение в термоэлектрических приборах в настоящее время не налажено.
В связи с этим в большинстве случаев в холодильных устройствах применены термоэлектрические модули с гладкими керамическими пластинами с различными конструктивными вариантами их установки и закрепления.
Так, например, известен термоэлектрический холодильник (М. кл. F25B 21/02, авт.св. N342024 от 14.06.72), содержащий прямоугольную камеру с двойными стенками, полость между которыми отвакуумирована, и термоэлектрическую батарею из полупроводниковых элементов с коммутационными пластинами на горячих и холодных спаях, которые размещены в ее межстеночной полости, и наружные стенки камеры поджаты атмосферным давлением к коммутационным пластинам «горячих» слоев, а внутренние к коммутационным пластинам «холодных» спаев. Каждый полупроводниковый элемент заключен в вакуумно-плотный кожух, а камеры и дверь по линии разъема имеют гофрированные вставки из малотеплопроводного материала, между гофрами которых размещены прокладки.
Недостатком такого холодильника является сложность конструкции, обусловленная необходимостью выполнения параллельных упругих тонких стенок, обеспечивающих хороший тепловой контакт термобатареи с указанными стенками и охлаждаемым объектом, отвод тепла от указанных стенок, а также необходимость вакуумирования полостей межстеночноного пространства и защиты этих полостей и полупроводниковых элементов от действия атмосферного давления. Кроме того, в подобной конструкции трудно осуществить одинаковое усилие прижима для нескольких рядом расположенных термобатарей к внутренним и наружным стенкам холодильника.
Известно также техническое решение (SU №1257378 A1, F25В 21/02 от 16.01.85), содержащее теплоизолированный кожух, в котором размещен металлический стакан с термоэлектрическим охладителем, выполненным в виде расположенной внутри кожуха системы радиально установленных термобатарей с индивидуальным теплообменником и упругим прижимом у каждой из них, а на боковой поверхности стакана между батареями выполнены боковые прорези. Данное решение устраняет недостаток предыдущей конструкции в части размещения рядом расположенных термобатарей, но в тоже время обладает рядом других. Наличие дополнительной стенки, необходимой для упора пружин прижимов, усложняет конструкцию, стенка мешает отводу тепла от теплообменников и, в связи с этим, возникает необходимость применения водяного охлаждения.
Наиболее близким по техническому решению является термоэлектрическое устройство для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащее термоэлектрическую батарею, на холодных спаях которой установлен объект охлаждения, а горячие спаи снабжены радиатором с теплопроводным элементом, выполненным в виде пластины, установленной между горячими спаями и радиатором и жестко присоединенной к ним (авт.св. N861894, кл. F25В 21.02, от 21.08.78).
Выполнение теплопроводного элемента в виде пластины хотя и позволяет иметь тепловой контакт охлаждаемого элемента со спаями батареи при определенной температуре, однако исключает возможность его контроля и регулировки. При этом подобное конструктивное решение сложно применить в устройстве, где объекту охлаждения требуется двухстороннее и к тому же, например, многоместное охлаждение. Кроме того, для осуществления контакта с помощью пластины (плоскопараллельного теплопроводного элемента), требуется соблюдение высокой точности изготовления теплопроводного элемента по сравнению с расчетным значением, так как практически приращение его размеров при нагревании (изменении температуры) сравнимо с допуском на его изготовление по 9-11 квалитету). Данное обстоятельство затрудняет применение теплопроводных пластин в указанных устройствах без их индивидуальной подгонки (регулировки) теплопроводных элементов и, следовательно, такую конструкцию сложно применить для серийного изготовления указанных охлаждающих устройств.
Задача изобретения состоит в расширении функциональных возможностей и повышении технологичности термоэлектрического охлаждающего устройства.
Поставленная задача решается за счет того, в термоэлектрическом охлаждающем устройстве, содержащем корпус-радиатор с закрепленным в нем объектом охлаждения, теплопроводным элементом с контактными поверхностями, примыкающей к нему термоэлектрической батарей, холодные и горячие спаи которой параллельны друг другу и термически соединены с внутренней поверхностью стенки корпуса-радиатора и стенкой объекта охлаждения, контактные поверхности теплопроводного элемента выполнены с наклоном относительно друг друга, а внутренняя поверхность стенки корпуса-радиатора выполнена с наклоном относительно стенки объекта охлаждения и снабжена буртиком и ограничительными планками, при этом угол наклона внутренней поверхности корпуса-радиатора к стенке объекта охлаждения равен углу наклона контактных поверхностей теплопроводного элемента, причем термоэлектрическая батарея установлена на внутренней поверхности корпуса-радиатора между ограничительными планками с опорой на буртик, а теплопроводный элемент установлен с возможностью перемещения для прижима его контактных поверхностей к стенке объекта охлаждения и холодным спаям термобатареи и снабжен устройством перемещения.
Выполнение равных углов наклона контактных поверхностей теплопроводного элемента и внутренней поверхности стенки корпуса-радиатора со стенкой объекта охлаждения обеспечивает при перемещении теплопроводного элемента прижим друг к другу всех контактных поверхностей, участвующих в теплообмене между объектом охлаждения и корпусом-радиатором.
Возможность получения одинакового усилия прижима путем перемещения каждого отдельно взятого теплопроводного элемента позволяет обеспечить в конструкции охлаждающего устройства двухместную и двухстороннюю установку термобатарей, получая при этом в каждом случае качественный контакт независимо от величины первоначального зазора между стенками корпуса-радиатора и объекта охлаждения. Наличие двухсторонней и двухместной установки термобатарей улучшает равномерность распределения температуры в охлаждаемом объекте и корпусе-радиаторе, что в конечном итоге повышает надежность и качество работы устройства.
Таким образом, заявляемое техническое решение путем применения двухстороннего и двухместного охлаждения объекта позволило в отличие от прототипа расширить его функциональные возможности, не усложняя при этом конструкцию устройства.
Выполнение с наклоном относительно друг друга контактных поверхностей теплопроводного элемента повышает технологичность конструкции, так как в этом случае не нужен точный расчет толщины теплопроводного элемента, требующий многих справочных данных о применяемых элементах. И, главное, отпадает необходимость его изготовления согласно расчетному значению с допусками, которые обязательно должны быть меньше температурных изменений размеров элементов, находящихся между объектом охлаждения и корпусом-радиатором.
Заявленное техническое устройство поясняется графическими материалами, на которых представлены:
- на фиг.1 - фронтальный разрез устройства;
- на фиг.2 - профильный сложный разрез устройства;
- на фиг.3 - вид В (увеличенное взаимное положение термобатареи и теплопроводного элемента после их установки).
Устройство содержит расположенные по обе стороны охлаждаемого объекта четыре термоэлектрические батареи 1, холодные и горячие спаи которых параллельны друг другу, корпус-радиатор 2 с внутренней наклонной поверхностью 3, буртиком 4 и ограничительными планками 5, объект охлаждения (телекамеру) 6, теплопроводные элементы 7 с контактными поверхностями 8 и 9, устройство перемещения теплопроводных элементов в виде винтов 10, установленных на планках 11. Контактные поверхности 8 и 9 теплопроводных элементов 7 выполнены с наклоном относительно друг друга, а внутренняя поверхность 3 корпуса-радиатора 2 выполнена с таким же наклоном относительно стенки объекта охлаждения 6. Объект охлаждения 6 неподвижно закреплен в корпусе-радиаторе винтами 12. С внутренней стороны корпус-радиатор имеет теплоизоляцию 13, установленный на теплоизоляционном основании регулятор температуры 14, который сверху закрывается крышкой 15. Электропитание на термобатарею 1, телекамеру 6 и регулятор температуры 14 подается через разъем 16.
Работа устройства, представленного на фиг.1 и фиг.2, происходит следующим образом.
В корпус-радиатор 2 с предварительно снятыми крышкой 15 и планками 11 устанавливают охлаждаемое устройство 6 и закрепляют винтами 12. На внутреннюю поверхность 3 между ограничительных планок 5 с опорой на буртик 4 устанавливают пластины термобатарей 1. После установки пластин термобатареи 1 между ними и стенкой объекта охлаждения 6 устанавливают теплопроводные элементы 7, планки 11 и винты 10. Затем винтом 10 перемещают теплопроводный элемент 7 до достижения плотного контакта его поверхностей с холодными спаями термобатареи 1 и стенкой объекта охлаждения 7. Указанную операцию проводят отдельно для каждого теплопроводного элемента, получая таким образом независимые качественные контакты каждой термобатареи 1 с теплопроводным элементом 7 и корпусом-радиатором 2, а объекта охлаждения 6 с теплопроводным элементом 7. При этом качество контактов практически не зависит от расстояния между внутренней стенкой корпуса-радиатора 2 и стенкой объекта охлаждения 6, а определяется только величиной перемещения теплопроводного элемента 7.
Указанное обстоятельство позволило сравнительно просто, в отличие от аналогов, применить в конструкции охлаждающего устройства двухместное и двустороннее охлаждение телекамеры 6. Наличие двухстороннего и двухместного охлаждения улучшает равномерность распределения температуры в объекте охлаждения и корпусе-радиаторе, что в конечном итоге повышает надежность и качество его работы.
Таким образом, реализованное в данном устройстве заявляемое техническое решение позволило в отличие от прототипа расширить его функциональные возможности при одновременном повышении технологичности и упрощении конструкции.
По мнению автора, заявляемое техническое решение может найти широкое применение в различных конструкциях холодильной и термостабилизирующей техники, в особенности, для многоместного и многостороннего охлаждения и термостабилизирования различных объектов техники.