ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КЛИМАТ-КОНТРОЛЯ

Полезная модель относится к системам охлаждения или нагрева воздуха и предназначена для создания и поддержания заданного температурного режима в ограниченном воздушном объеме независимо от изменений температуры окружающей среды.
Подобные системы климат-контроля, состоящие из электронного блока управления и термоэлектрического агрегата, общеизвестны, например патент РФ №2138741, F24F 005/00, F25B 021/02. Они находят широкое применение в медицине, нефте-газовой, пищевой и других отраслях промышленности, а в настоящее время интенсивно используются во всепогодных шкафах с блоками электронной аппаратуры.
Электронные блоки управления имеют в своем составе блок питания, микропроцессорный контроллер, термодатчики, электронные ключи и коммутатор-переключатель полярности напряжения питания термоэлектрических батарей холодильно-нагревательного агрегата. Эти блоки также общеизвестны (например, блок климат-контроля ВС-103, выпускаемый ООО «Системы СТК» г.Пермь; фотография прилагается в разделе заявки «Другие документы»).
Термоэлектрические агрегаты нагрева-охлаждения, выпускаемые многими отечественными и зарубежными компаниями, идентичны по конструктивному решению и содержат основание с термоизолирующей прокладкой с одним или несколькими сквозными отверстиями для установки одной или нескольких термоэлектрических сборок, каждая из которых содержит термоэлектрическую батарею, подключаемую к коммутатору-переключателю блока управления и установленную между стянутыми друг с другом наружным радиатором-теплообменником с окружающей средой и внутренним радиатором-теплообменником с ограниченным воздушным объемом, при этом наружный радиатор непосредственно прижат к пластине термоэлектрической батареи, внутренний радиатор прижат к ее другой пластине через теплопроводник, а на радиаторах установлены вентиляторы постоянного тока, присоединенные через ключ блока управления к источнику питания термоэлектрической батареи.
В известных термоэлектрических агрегатах с различной холодопроизводительностью, выпускаемых одним и тем же изготовителем, как правило, используются отличающие по мощности термоэлектрические батареи с соответственно с различными радиаторами и вентиляторами, что помимо расширения номенклатуры применяемых в сборках элементов и неизбежного при этом повышения себестоимости изготовления приводит к непропорциональному росту массы и габаритов изделий с повышенной холодопроизводительностью, а также к повышенной потребляемой электрической мощности, а это зачастую является определяющим фактором при их установке в шкафах с электронной аппаратурой. Например, выпускаемые Корпорацией РИФ г.Воронеж термоэлектрические охладители BOT-50-12DC-Z1V1 имеют номинальную холодильную мощность 25 Вт, потребляют 62 Вт и весят 2,5 кг, а ВОТ-100-24DCZ1V1 - номинальную холодильную мощность 45 Вт, потребляют 125 Вт и имеют массу 6 кг (характеристики термоагрегатов ВОТ прилагаются в разделе «Другие документы», при этом РИФ, как впрочем и другие отечественные производители, указывает для своих изделий не номинальную холодопроизводительность агрегата, а максимальную холодильную мощность используемых в нем термоэлектрических батарей в режиме питания максимально допустимым напряжением, в то время как при заявленном напряжении питания номинальная холодопроизводительность агрегата оказывается практически вдвое меньшей).
Другим недостатком известных термоэлектрических агрегатов при их использовании в системах климат-контроля является ограничение нижнего предела рабочего диапазона температур окружающей среды (-10, -20°С). При пониженных температурах окружающей среды перевод термоэлектрических батарей коммутатором-переключателем блока управления в режим нагревания контролируемого объема воздуха приводит к значительному понижению температуры внешних радиаторов, что может вызвать обледенение ребер этих радиаторов и последующую поломку лопастей вентиляторов или их полную остановку. При этом ресурс работы внешних вентиляторов резко снижается вплоть до полной потери их работоспособности, исключающей возможность работы агрегата в последующем режиме охлаждения. Указанное обстоятельство существенно сужает область наружного использования упомянутых термоэлектрических систем климат-контроля вне отапливаемых помещениях.
Отмеченные недостатки характерны и для прототипа, в качестве которого выбран термоэлектрический агрегат AHP-150FFHC, выпускаемый ведущим мировым производителем термоэлектрических систем климат-контроля - фирмой ТЕСА, США, и используемый в комплекте с блоком управления ТС-3500 той же фирмы.
В соответствии с евростандартом DIN3168 данный агрегат вырабатывает номинальную холодильную мощность 31 Вт при потребляемой электрической мощности 65 Вт, имеет габариты основания 182×92 мм, массу 1,5 кг и диапазон рабочих температур -10/+70°С.
Для сравнения отметим, что агрегат этой же фирмы FHP-1501 с номинальной холодильной мощностью 278 Вт потребляет 1,2 кВт, имеет габариты основания 385×305 мм и массу 25 кг.
Технической задачей полезной модели является устранение перечисленных выше недостатков, а именно упрощение, снижение веса, габаритов и себестоимости изготовления агрегата нагрева-охлаждения любой требуемой мощности за счет унификации используемых в нем узлов и элементов, а также расширение температурного рабочего диапазона термоэлектрических систем климат-контроля в сторону отрицательных значений.
2
3
Первая часть поставленной задачи решается тем, что в термоэлектрической системе климат-контроля, состоящей из блока управления и термоэлектрического агрегата, содержащего основание с термоизолирующей прокладкой с одним или несколькими сквозными отверстиями для установки одной или нескольких термоэлектрических сборок, каждая из которых содержит термоэлектрическую батарею, подключенную к коммутатору-переключателю блока управления и установленную между стянутыми друг с другом наружным радиатором-теплообменником с окружающей средой и внутренним радиатором-теплообменником с ограниченным воздушным объемом, при этом наружный радиатор непосредственно прижат к пластине термоэлектрической батареи, внутренний радиатор прижат к ее другой пластине через теплопроводник, а на радиаторах установлены вентиляторы постоянного тока, присоединенные через ключ блока управления к источнику питания термоэлектрической батареи, - в зависимости от необходимой мощности нагрева-охлаждения агрегат содержит одну или несколько однотипных базовых термоэлектрических сборок, оптимизированных по максимальному соотношению вырабатываемой сборкой холодильной мощности к занимаемой радиаторами площади основания, при этом сборка содержит термоэлектрическую батарею с размерами контактных поверхностей пластин 40×40 мм и максимальной холодопроизводительностью 50-65 Вт, пару одинаковых радиаторов с теплорассеивающей поверхностью не менее 1200 см и с длиной и шириной контактных поверхностей в пределах от 65 до 80 мм, а также два вентилятора с расходом 0,8-1,2 м/мин и теплопроводник, длина которого на 1-5 мм превышает сумму толщин основания и термоизолирующей прокладки, а в зазоре между контактной поверхностью наружного радиатора и основанием установлена дополнительная термоизолирующая прокладка.
Вторая часть поставленной задачи решается тем, что минусовые клеммы обоих вентиляторов базовой сборки через ключ блока управления соединены с минусовой клеммой его источника питания, плюсовая клемма вентилятора внутреннего радиатора подключена к плюсовой клемме источника питания, а плюсовая клемма вентилятора наружного радиатора соединена с выходной клеммой коммутатора, на которой при работе агрегата в режиме нагревания устанавливается отрицательная полярность напряжения питания термоэлектрической батареи.
Достигаемый полезной моделью технический результат заключается в снижении веса, габаритов и себестоимости изготовления термоэлектрического агрегата любой требуемой мощности и конфигурации основания (квадратной, прямоугольной, Г-образной и т.д.), а также в повышении надежности работы системы в условиях ее эксплуатации при пониженных температурах окружающей среды.
На фиг.1 показана конструкция базовой термоэлектрической сборки полезной модели, на фиг.2 представлена ее структурная схема, на фиг.3 изображена фотография агрегата полезной модели с одной базовой сборкой, а на фиг.4 представлены фотографии вариантов исполнения агрегатов с различной холодопроизводительностью с соответствующим числом установленных базовых сборок.
Как следует из фиг.1, базовая сборка содержит основание 1 с термоизолирующей прокладкой 2, термоэлектрическую батарею 3, установленную между стянутыми друг с другом наружным радиатором-теплообменником 4 с окружающей средой и внутренним радиатором-теплообменником 5. Наружный радиатор 4 своей контактной поверхностью непосредственно прижат к пластине батареи 3, а внутренний радиатор 5 прижат к другой пластине батареи 3 через теплопроводник 6. На радиаторах 4 и 5 соответственно установлены наружный вентилятор 7 и внутренний вентилятор 8. Согласно фиг.2, минусовые клеммы обоих вентиляторов 7 и 8 через ключ 9 блока управления соединены с минусовой клеммой источника 10 его питания, плюсовая клемма вентилятора 8 подключена к плюсовой клемме источника 10, а плюсовая клемма вентилятора 7 соединена с выходной клеммой коммутатора-переключателя 11, управляемого контроллером 12 по сигналам термодатчика 13, контролирующего температуру ограниченного воздушного объема. Между радиатором 4 и основанием 1 установлена дополнительная термоизолирующая прокладка 14.
Полезная модель работает следующим образом. Если по показаниям термодатчика 13 температура контролируемого объема воздуха больше или меньше заданной, контроллер 12 включает вентиляторы 7 и 8 через ключ 9 и устанавливает полярность питания термоэлектрической батареи 3 коммутатором-переключателем 11 в такое положение, чтобы внутренний радиатор 5 соответственно охлаждался или нагревался от термоэлектрической батареи через теплопроводник 6. Режим охлаждения (нагрева) продолжается до тех пор, пока температура упомянутого объема воздуха не достигнет заданного значения, после чего контроллер отключает термоэлектрическую батарею 3 и вентиляторы 7 и 8. Согласно зависимому отличительному признаку, плюсовая клемма вентилятора 7 наружного радиатора 4 подключена к клемме коммутатора-переключателя 11, на которой в режиме подогрева контролируемого воздушного объема устанавливается отрицательный потенциал источника питания 10, вентилятор 7 в этом режиме не работает, в результате чего, как указывалось выше, увеличивается ресурс его работы при функционировании полезной модели в режиме нагревания контролируемого воздушного объема.
2
3
Основной отличительной особенностью полезной модели является использование в термоэлектрическом агрегате нагрева-охлаждения одной или нескольких (в зависимости от требуемой холодопроизводительности) однотипных базовых термоэлектрических сборок, оптимизированных по максимальному соотношению вырабатываемой сборкой холодильной мощности к занимаемой радиаторами площади основания. Оптимизация указанного соотношения произведена на основе анализа теплоотвода при работе наиболее широко используемых в настоящее время термоэлектрических батарей, которые, как известно, обеспечивают максимальную холодопроизводительность лишь при условии достаточного отвода тепла от поверхности их «горячих» пластин. Площадь теплоотводимой поверхности батареи ограничена длиной и шириной пластин, которые у наиболее широко применяемых термоэлектрических модулей имеют размеры 40×40 мм. Отводимая с этой поверхности тепловая мощность, равная сумме потребляемой модулем электрической мощности и его холодильной мощности, колеблется в широких пределах и по данным компании «Криотерм» г.Санкт-Петербург (см. каталог Криотерм «Термоэлектрические Модули и Охлаждающие Системы», 2005 г.), для модуля STORM при его максимальной холодильной мощности 34,5 Вт составляет 91 Вт, а для модуля DRIFT-0,6 смаксимальной холодильной мощностью 229,3 Вт составляет 600,8 Вт. Таким образом, получение повышенной холодопроизводительности при использовании более мощных термоэлектрических модулей с одинаковыми габаритами пластин требует наличия более мощных теплоотводов, т.е. более громоздких радиаторов с принудительным воздушным охлаждением, обеспечивающим превышение температуры такого радиатора всего на 3-8°C над температурой окружающей среды. Однако вследствие того, что тепловое сопротивление зоны контакта поверхности радиатора с поверхностью пластины модуля более чем на порядок выше теплового сопротивления материала радиатора, всегда температура «горячей» пластины выше температуры радиатора с любой теплорассеивающей мощностью и этот градиент пропорционально увеличивается при использовании более мощных модулей с указанными размерами пластин, так как площадь теплового контакта, а следовательно, и его тепловое сопротивление остаются неизменными. Но повышение температуры «горячей» пластины более мощного модуля пропорционально снижает вырабатываемую им холодильную мощность, а это приводит не только к повышению массы и габаритов термоэлектрического агрегата, как указывалось выше на примере прототипа, но и к увеличению расхода электрической энергии на единицу вырабатываемой холодильной мощности. Отсюда следует, что для повышения холодопроизводительности агрегата целесообразно использование большего числа термоэлектрических сборок с относительно маломощными модулями, однако повышенное количество этих сборок может существенно увеличить стоимость агрегата. Проведенные теоретические расчеты и экспериментальные исследования позволили установить оптимальные электрические и массогабаритные параметры сборок с максимальным соотношением холодопроизводительности к занимаемой радиаторами площади основания и использовать эти сборки как базовые при изготовлении агрегатов с различной требуемой холодопроизводительностью. В итоге базовая сборка содержит термоэлектрическую батарею с контактной поверхностью пластин размером 40×40 мм и максимальной холодопроизводительностью 50-65 Вт, пару одинаковых радиаторов с теплорассеивающей поверхностью не менее 1200 см и длиной и шириной контактных поверхностей в пределах от 65 до 80 мм, а также два вентилятора с расходом 0,8-1,2 м/мин. Параметры радиаторов и вентиляторов получены из расчета допустимого превышения температуры наружного радиатора на 5-8°C над температурой окружающей среды при отводимой от термобатареи максимальной тепловой мощности 70-85 Вт в случае ее питания напряжением, составляющим 75% от предельно допустимого, как это рекомендуется производителями модулей; одинаковость радиаторов обусловлена реверсивностью работы термоэлектрической батареи, число ребер радиатора, с указанной теплорассеивающей поверхностью равно 30, при их высоте порядка 30 мм.
Совокупность указанных отличительных признаков обеспечивает холодопроизводительность базовой сборки не менее 30 Вт (по стандарту DIN 3168) при потребляемой мощности не более 65 Вт. Любое отклонение от параметров каждого из этих признаков неизбежно вызовет либо потерю производимой холодильной мощности, либо увеличение занимаемой радиаторами площади основания, либо увеличению отношения потребляемой мощности к холодопроизводительности. На фиг.3 приведена фотография базовой сборки, установленной на основание размером 100×100 мм. Масса такого термоэлектрического агрегата не превышает 0,8 кг.
Другой зависимый отличительный признак заключается в выполнении теплопроводника 6 длиной, на 1-5 мм превышающей сумму толщин основания 1 и термоизолирующей прокладки 2, а также в установке в зазоре между контактной поверхностью наружного радиатора 4 и основанием 1 дополнительной теплоизолирующей прокладки 14. Это позволяет, в отличие от прототипа, исключить непосредственный тепловой контакт «горячего» радиатора с основанием, в результате чего снижается натекаемая через основание тепловая мощность в охлаждаемый объем воздуха, а также (в соответствии с патентом РФ №2407954, F25B 21/00 на «Термоэлектрический охладитель воздуха») уменьшить конвенктивный теплообмен внутри термоэлектрической батареи и тем самым повысить холодопроизводительность базовой сборки.
На фиг.4 приведены фотографии термоэлектрических агрегатов системы климат-контроля с различной холодопроизводительностью, в которых использованы заявленные базовые сборки.
Таким образом, полезная модель по сравнению с прототипом позволяет реализовать следующие преимущества:
- создавать конструкции термоэлектрических агрегатов с требуемой холодильной мощностью и конфигурацией основания, легко вписываемой на любой устанавливаемый объект;
- снизить себестоимость изготовления термоэлектрического агрегата;
- снизить вес и габариты термоэлектрического агрегата;
- сохранять пропорции веса, габаритов и потребляемой электрической мощности в агрегатах с различной холодопроизводительностью;
- повысить надежность работы в условиях эксплуатации при пониженных температурах окружающей среды.
Образцы полезной модели в течение 2010 года прошли успешные испытания в ОАО «Концерн Энергомера» г.Ставрополь, ООО «КАМТЕЛ» г.Пермь, ООО «Сельхозмонтаж» г.Курган, ООО «ЭПМГГО» г.Санкт-Петербург, ЗАО «ИНТЕРКРОСС» г.Рязань, ООО «Промэлтех» г.Череповец.