Термоэлектрический кондиционер
THERMOELECTRIC AIR CONDITIONER

Изобретение относится к области прямого преобразования энергии, а именно к преобразованию электрической энергии в тепловую, например охлаждение или нагрев с использованием термоэлектрического эффекта Пельтье.
Известен термоэлектрический кондиционер, содержащий термоэлектрические охлаждающие модули, включенные в общую электрическую цепь источника электропитания и механически неподвижно закрепленные на радиаторах воздушного теплосъема, ребра которых в тепловом и гидравлическом отношениях выведены в технологический и кондиционирующий каналы кондиционера (см. В.З. Авилов и др. «Термоэлектрический кондиционер», журнал Автономная энергетика, N 27, с. 20-22, 2010 г. Издание НПП «Квант», г. Москва, Россия, ISSN 0868-8605).
Недостатком известного кондиционера является несовершенство его конструкции, громоздкости большой материалоемкости, технологической сложности, например, для крепления термоэлектрических охлаждающих модулей к основаниям радиаторов требуется 48 крепежных шпилек и столько же пружин и массивная общая рама. Это для обеспечения усилия поджатая каждого модуля, а их 96 штук, с усилием 200 кг, сильно усложняет конструкцию и увеличивает вес кондиционера. Кроме того, выполнение пружины в виде коромысла, упирающегося в основание, снижает надежность устройства, т.к. основание радиатора выполняется из высокотеплопроводного материала, например алюминия, обладающего повышенной ползучестью при вышеуказанном усилии поджатая, что в процессе эксплуатации кондиционера ведет к снижению удельного усилия поджатая модуля, и, к снижению, как следствие, холодопроизводительности кондиционера.
Наиболее близким по технической сущности к данному предложению является известный термоэлектрический кондиционер, содержащий термоэлектрические охлаждающие модули, включенные последовательно-параллельно в общую электрическую цепь источника электропитания, и механически неподвижно установленные на основаниях радиаторов, ребра которых расположены в технологическом и кондиционирующем каналах кондиционера с расчетными воздушными зазорами между их рабочими поверхностями (см. В.З. Авилов и др. Термоэлектрические кондиционеры для кабин машинистов рельсового транспорта, «Автономная энергетика», N 26, 2009 г, с. 70-73, издание НПП «Квант», г. Москва, Россия, ISSN 0868-8605).
Недостатком и этого известного термоэлектрического кондиционера является сложность конструкции и сборки, например, при креплении ребер в основания требуется фрезеровка пазов под них с последующей сваркой каждого ребра по всей длине паза с двух сторон, при этом длина одного ребра составляет 200 мм, а всего ребер в вышеуказанном кондиционере только радиаторов технологического канала составляет 536. В итоге стоимость кондиционера на 45-50% зависит от трудоемкости изготовления радиаторов для технологического и кондиционирующего каналов. Кроме того большое количество пружин и стяжных шпилек тоже увеличивают стоимость кондиционера, а главное, снижают его надежность, т.к. все модули должны быть поджаты с одинаковым усилением (200 кг на каждый модуль) в течение всего периода эксплуатации и в известной конструкции ограничен не сроком службы термоэлектрических охлаждающих модулей, который составляет от 10 до 25 лет, а ее недостатками, например конструкция поджатия радиатора технологического канала к модулю не обеспечивает постоянства усилия в процессе эксплуатации на уровне 200 кг на один модуль, а уменьшение этого усилия ведет к росту термического контакта модуля с основанием радиатора вследствие явления ползучести его материала (алюминия), уменьшению отвода тепла и, следовательно, снижению холодопроизводительности кондиционера, и таким образом, снижению его срока службы на порядок (как показывает эксплуатация) по сравнению со сроком службы самого модуля.
Для устранения вышеуказанных недостатков предлагается более совершенная конструкция термоэлектрического кондиционера, в которой основания радиаторов изготовлены из удлиненных консольных частей ребер как единая с ними в тепловом и механическом отношении многослойная конструкция, состоящая из плотно, неподвижно и параллельно уложенных на рабочие поверхности металлических пластинчатых ребер, которые в технологических и кондиционирующих каналах устанавливаются с зазорами 2,5-5,0 мм между их рабочими поверхностями, причем термоэлектрические охлаждающие модули и основания всех радиаторов снабжены расположенными по их центрам на одной вертикальной оси сквозными отверстиями для общей стяжной шпильки, снабженной резьбой с двух сторон, и на одном конце устанавливается стопорная гайка, а на другом тарельчатая пружина и стяжная гайка, при этом размеры основания радиаторов по длине и ширине на 30%-50% превышают размеры термоэлектрического охлаждающего модуля, а контактирующие в основании радиатора друг с другом консольные части ребер соединены между собой с помощью клея, пайки или сварки, например роликовой или точечной конденсаторной, а наружная поверхность шпильки на участке прохождения через основание и модули по всей длине снабжены электрической изоляцией.
Предложенная конструкция термоэлектрического кондиционера поясняется чертежом (фиг. 1), где 1 - термоэлектрический охлаждающий модуль, 2 - тепловая изоляция со стороны технологического канала, 3 - ребра радиатора технологического канала, 4 - боковая стенка технологического канала, 5 - тепловыравнивающая пластина с горячей (технологической) и холодной (кондиционирующей) сторон термоэлектрического охлаждающего модуля, 6 - тепловая изоляция со стороны кондиционирующего канала, 7 - боковая стенка кондиционирующего канала, 8 - ребра радиатора кондиционирующего канала, 9 - опорная шайба тарельчатой пружины, 10 - тарельчатая пружина, 11 - стяжная шпилька, 12 - стяжная гайка.
2
Термоэлектрический кондиционер предложенной конструкции работает следующим образом. Сначала производится сборка кондиционера как показано на фиг. 1, где основания радиаторов и термоэлектрические охлаждающие модули (1) последовательно устанавливаются через выполненные в них сквозные центральные отверстия на стяжной шпильке (11) и стягиваются между собой с определенным усилием, например, 12-15 кг/см с помощью тарельчатой пружины, расположенной на опорной шайбе (9) и стяжной гайки (12). Это необходимо как для компенсации термических напряжений, возникающих при работе в термоэлектрических охлаждающих модулях (1), так и для уменьшения термических потерь между ними и основаниями технологических и кондиционирующих радиаторов, ребра охлаждения которых расположены в соответствующих каналах (3,8).
Как видно из чертежа (фиг. 1), основания радиаторов и их ребра, расположенные в кондиционирующем (8) и технологическом (3) каналах кондиционера выполнены из набора теплопроводных пластин толщиной порядка 1-1,5 мм, скрепленных между собой в основании с помощью склеивания, сварки или пайки, причем, размеры основания радиаторов в плане (по длине и ширине) на 30-50% больше каждого из термоэлектрических модулей (1), что позволяет снизить термические потери между модулями (1) и неподвижно установленными на них с двух сторон основаниями радиаторов, отводящих с помощью ребер (3,8) тепловой поток в соответствующие каналы, снабженные боковыми стенками (4,7). Для повышения эффективности отвода теплового потока от рабочих поверхностей модулей (1) между основаниями радиаторов и модулями (1) введены тепловыравнивающие пластины (5), выполненные из материала с высокой теплопроводностью, например, серебра, меди, алюминия. Для предотвращения нежелательных перетечек тепла между каналами с боковых сторон модулей и торцов оснований в конструкции кондиционера предусмотрена тепловая изоляция (2,6), выполненная из материала с низкой теплопроводностью, например фторопласта.
Зазоры между ребрами радиаторов (3,8) технологического и кондиционирующих каналов составляют от 2,5 до 5,0 мм и определяются (уточняются) расчетным путем по известной методике в зависимости от холодопроизводительности кондиционера с скорости воздушного потока в каждом из каналов.
Для обеспечения поджатая охлаждающих термоэлектрических модулей (1) к основаниям радиаторов (3,8) они (радиаторы и модули) снабжены расположенными по их центру (на одной оси) сквозными отверстиями под стяжную шпильку (11) и направленными перпендикулярно к их теплосъемным поверхностям. Расположенные с 2-х сторон модулей (1) тепловыравнивающие пластины (5) так же имеют по центру сквозное отверстие под стяжную шпильку (11), которая снабжена по всей наружной поверхности диэлектрическим покрытием, например, плазменно напыленным оксидом алюминия.
Поджатие с заданным усилием модулей (4) к основаниям радиаторов кондиционирующего и технологического каналов осуществляется путем закручивания стяжной гайки (12), сжатия тарельчатой пружины (10) и передаче давления через раздаточную пластину (9) на всю конструкцию, ограниченную с противоположного конца шпильки такой же раздаточной пластиной и неподвижно укрепленной гайкой, предотвращающей вращение шпильки (11) при затягивании стяжной гайки (12).
Для улучшения термического сопротивления основания радиаторов, образующие его ребра кондиционирующего (8) и технологического (3) каналов стянуты между собой с помощью пайки или склеивания металлическими клеями, или сварки, например, диффузной, роликовой, точечной конденсаторной.
В предложенной конструкции ребра радиаторов и, естественно, основание радиатора могут выполняться из материалов с разной теплопроводностью, так, например, та часть основания, что контактирует с тепловыравнивающей пластиной (5) изготавливается из ребер (3,8) с максимальной теплопроводностью, например из меди (или серебра), а более удаленные по высоте (и по тепловому потоку) ребра (3,8) из более дешевого материала, например, алюминия, но и обладающего меньшей теплопроводностью, что может быть вполне приемлемо, т.к. по мере удаления от модуля снижается удельная плотность теплового потока и такая слоеная конструкция основания является оправданной с теплотехнической и экономической точки зрения.
Все радиаторы, основания и их ребра (3,8) изготавливаются из листового металлического проката методом резки или штамповки, что позволяет наряду с другими предложенными технологическими и конструктивными решениями минимизировать по затратам и трудоемкости процесс изготовления термоэлектрического кондиционера и, как показали испытания, повысить его надежность и срок службы.
В предложенной конструкции не вызывает затруднений ее изготовление из охлаждающих модулей (1) различного размера как в плане (по длине, ширине) так и по высоте и использование в одной конструкции кондиционера разновысотных модулей (1), если этого требует термодинамический расчет или иные обстоятельства, связанные, например, с холодопроизводительностью.
Анализ, проведенный заявителем по известному ему уровню техники, показал, что предлагаемое изобретение обладает новизной и отвечает в совокупности его существенных признаков требованию условия «изобретательский уровень».