УСТРОЙСТВО С УПРАВЛЯЕМЫМИ ПЕЛЬТЬЕ-ЭЛЕМЕНТАМИ

Полезная модель относится к устройствам для создания и поддержания заданной температуры в замкнутом объеме на основе эффекта Пельтье и может быть использована в различных областях техники, использующих материалы, которые быстро изменяют физические свойства при изменении температурного режима, в частности в области медицины, например, при протезировании в стоматологических клиниках.
Известно, что во многих областях техники, и, в частности, в стоматологии, имеется потребность в поддержании на требуемом уровне температуры используемого материала. Так, при цементации мостиков, коронок, инлейя и т.п. используемый цемент слишком быстро затвердевает.
Современные сорта цемента, отличаются быстрым схватыванием, поэтому до переработки их хранят в охлажденном пространстве (например, в холодильнике). При замешивании цемента и придании ему требуемой формы, вынутый из охлажденного пространства цемент при температуре окружающего воздуха быстро схватывается. Установлено, что время переработки цемента обратно пропорционально температуре окружающей среды, и чем выше температура окружающей среды, тем быстрее затвердевает цемент.
Так, если температура в помещении выше 20°С, она обычно равна 22-24°С, а в жаркие летние дни может доходить до 26-28°С, период времени, имеющийся в распоряжении для замешивания стоматологического цемента и его использования в зависимости от сорта цемента, сокращается в 2-5 раз по сравнению с периодом времени для цемента, охлажденного до температуры 12°С.
Такое сокращение времени создает проблему лечащему зубному врачу и может привести к таким дефектам, как увеличение шпальта или повышению прикуса. Цементация невозможна, если цемент преждевременно начал схватываться. В такой ситуации зубной врач должен повторить замешивание, ввести новый цемент после повторного проведения соответствующих подготовительных работ.
Технология на сегодняшний день предусматривает хранение стоматологического цемента на стеклянной или алюминиевой плиточке в холодильнике. Такие стеклянные или алюминиевые плиточки после их перемещения из охлаждаемого пространства в помещение с более высокой температурой примерно только через 3 минуты нагреваются до температуры равной 2/3 температуры этого помещения.
На сегодняшний день известно устройство для замешивания веществ стоматологического применения, схватывание которых зависит от температуры (изобретение DE-А-196 11 143). Указанное устройство оснащено одним Пельтье-элементом, имеет одну поверхность для замешивания, а управление температурой осуществляется с помощью пульсирующей модуляции рабочего напряжения элемента Пельтье.
Такое управление, однако, действует с большой инерцией и исполнение системы управления в данном устройстве не позволяет осуществить быструю настройку температуры поверхности замешивания, работает неточно, а мощность охлаждения в данном устройстве для многих областей применения недостаточна.
Еще одним недостатком данного устройства является отсутствие возможности нагрева, которое требуется в ряде областей применения. Так, например, нагрев капсюлей из композита для увеличения конверсии обеспечивает сокращение времени переработки на 50% и уменьшение шпальта на 30%. Нагрев необходим также для размягчения стоматологического воска и выдерживания его в размягченном состоянии.
Обычно для нагревания в этих процессах применяют отдельное устройство для подачи тепла или нагреватель. Стоматологический воск, например, погружается в заполненную водой емкость и там нагревается и размягчается.
Прототипом настоящего изобретения является устройство по приведенному выше патенту DE-А-196 11 143.
Задача настоящего изобретения состоит в разработке устройства для создания и поддерживания заданной температуры, которое может обеспечить как охлаждение, так и нагрев основной его рабочей поверхности с помощью как минимум с одним, или несколькими управляемыми Пельтье-элементами, быстродействующее регулирование и управление температурой рабочей поверхности независимо от работы устройства в режиме нагрева или охлаждения, и возможность просто и надежно настраивать при необходимости требуемый температурный режим устройства с сохранением его в определенном интервале времени.
Для решения поставленной задачи предлагается в качестве полезной модели устройство с управляемыми Пельтье-элементами, содержащее наружный корпус 1, нижняя часть 1В которого снабжена вентилятором 3 с отверстием 7 для забора воздуха и прикрепленного ко дну 2 корпуса 1, при этом над вентилятором 3, установлен воздухораспределительный короб 5, имеющий отверстие 4 для впуска воздуха, проем 6 для выпуска воздуха, вмонтированный в воздухораспределительный короб 5 радиатор 5А, на верхней поверхности которого установлен как минимум один Пельтье-элемент 10 .соединенный с управляющей электроникой (15, 16, 17), основную рабочую плиту 12, с которой интегрально соединен термический накопитель 11, фиксирующую раму 13, охватываемую основную рабочую плиту 12 и установленную в проем 1А верхней части наружного корпуса 1, датчик температуры 14 для регистрации действительной температуры у основной рабочей плиты и устройство 18 для ввода требуемой температуры.
Сущность изобретения иллюстрируется на рис.1-10.
На рис.1 в изометрической проекции показано предлагаемое устройство с выделением его основных составных частей.
На рис.2 в изометрической проекции дан общий вид устройства в собранном виде с частично удаленным наружным корпусом.
На рис.3 в изометрической проекции показан вид устройства в собранном виде.
На рис.3А показан вид устройства в собранном виде с тыльной стороны.
На рис.4 показан один из вариантов выполнения устройства с двумя Пельтье-элементами. Для наглядности отдельные конструктивные элементы устройства показаны отдельно.
На рис.5 показан один из вариантов выполнения устройства, имеющего более двух элементов Пельтье. Для наглядности основные конструктивные элементы показаны отдельно.
На рис.6 показан еще один вариант устройства с одним единственным Пельтье-элементом. Для наглядности основные конструктивные элементы показаны отдельно.
На рис.7 устройство с управляемыми Пельтье-элементами показано в изометрической проекции в собранном виде со вставляемой промежуточной пластинкой, в которую могут вставляться стеклянные или алюминиевые плиточки для работы с перерабатываемым материалом, например, стоматологическим цементом.
На рис.8 в изометрической проекции показано устройство с управляемыми Пельтье-элементами в собранном виде с вставляемой промежуточной пластинкой, в которую могут помещать стеклянные или алюминиевые плиточки с перерабатываемом материалом. Отдельно на рисунке показаны стеклянные или алюминиевые плиточки.
На рис.9 показан в изометрической проекции вариант устройства с управляемыми Пельтье-элементами в собранном виде со снимаемой вспомогательной пластинкой, на которую могут ставиться емкости для замешивания разных веществ. Показаны и сами емкости.
На рис.10 дано в изометрической проекции изображение предлагаемого в настоящем изобретении устройства с управляемыми Пельтье-элементами в собранном виде со снимаемой вспомогательной пластинкой, на которую поставлены емкости для замешивания разных веществ. На рисунке показаны и сами эти емкости.
На рис.11 показано в изометрической проекции устройство с управляемыми Пельтье-элементами в собранном виде и с колпаком.
На рис.12 дана блок-диаграмма принципа действия устройства с управляемыми Пельтье-элементами, показанного на рис.1-11
Как показано на рисунках 1-6, устройство с управляемыми Пельтье-элементами в соответствии с настоящим изобретением состоит из наружного корпуса 1, который имеет верхнюю часть 1А и нижнюю часть 1В. Наружный корпус 1 в своей нижней части 1В оснащен вентилятором 3, закрепленным ко дну корпуса 2. Корпус 1 имеет установочные ножки 1C, которые образуют между дном 2 и основанием устройства промежуток для циркуляции воздуха.
Над вентилятором 3 установлен воздухораспределительный короб 5, в нижней части которого имеется отверстие для впуска воздуха 4. Воздухораспределительный короб 5 обхватывает радиатор 5А. Воздухораспределительный короб 5 и радиатор 5А для наглядности показаны на рис. 1 отдельно. На практике, эти два конструктивных элемента интегрально соединены между собой или могут крепиться друг к другом с помощью соответствующих конструктивных элементов (позиция 5D на рисунках).
Воздухораспределительный короб 5 имеет проем 6 для выпуска воздуха в сторону лобовой стенки наружного корпуса 1. Таким образом, образуется траектория потока воздуха от отверстия 4 для впуска воздуха через воздухораспределительный короб 5 к проему 6 для выпуска воздуха. Каких-либо дополнительных отверстий
воздухораспределительный короб 5 с вмонтированным в него радиатором 5А не имеет. Радиатор 5А имеет продольные ребра 8, которые предпочтительно для настоящей полезной модели располагают по всей длине радиатора 5А. Для ускорения прохождения воздушного потока воздухораспределительный короб 5 имеет участок 5В с легким наклоном в сторону проема 6 для выпуска воздуха. Ускорение и беспрепятственное прохождение воздушного потока является предпочтительным для обеспечения эффективности работы предлагаемого устройства.
Вентилятор 3 служит для забора воздуха через воздухозаборник 7, который находится в дне 2 наружного корпуса 1. Воздух впускается в отверстие 4 и через воздухораспределительный короб 5 вдоль ребер радиатора 8 и направляется к проему 6 для выпуска воздуха и выдувается через выпуски (прорези) 9, которые расположены по обе стороны наружного корпуса 1. Как показано на рис.1, воздухораспределительный короб 5 не прилегает плотно к верхней части 1А наружного корпуса 1. Это позволяет часть воздушного потока направить к блоку питания 15 для его охлаждения. Данное конструктивное решение представляет собой важное свойство устройства для бесперебойной работы предлагаемой полезной модели. Воздухозаборник, выпуск воздуха, отверстие для впуска воздуха и проем для его выпуска могут при необходимости оснащаться решетками.
Согласно настоящей полезной модели, предлагаемое устройство может быть оснащено двумя управляемыми Пельтье-элементами 10 (рис. 4). Такое конструктивное исполнение позволяет пользователю устройства нагревать или охлаждать большую площадь поверхности основной рабочей плиты. Возможны и другие конструктивные решения-оснащение устройства только одним Пельтье-элементом 10' (рис. 6) или оснащение его более чем двумя Пельтье-элементами 10", а именно с пятью элементами (рис. 5). Выбор требуемого количества Пельтье-элементов
осуществляется в зависимости от мощности отдельного Пельтье-элемента, от размеров охлаждаемой или нагреваемой поверхности, от требуемой конечной температуры, от требуемой скорости изменения температуры и т.п.
Пельтье-элементы 10 устанавливаются на направленной вверх поверхности радиатора 5А и соединяются электрически с электронной схемой 24. Эта схема прикреплена к воздухораспределительному коробу 5 посредством болтов 25. Направленные вверх поверхности Пельтье-элементов 10 связаны с термическим накопителем 11, который интегрально соединен с основной плитой 12, являющейся рабочей поверхностью настоящего устройства. Радиатор 5А, термический накопитель 11 и основная плита 12 могут быть выполнены из алюминия. Воздухораспределительный короб 5 может быть выполнен из пластика. Фиксация Пельтье-элементов 10 в предлагаемом устройстве осуществляется предпочтительно прижимами, например, винтовыми прижимами. Этот метод фиксации обеспечивает свободный доступ к Пельтье-элементам 10 и их хорошую термическую связь с накопителем 11 и радиатором 5А воздухораспределительного короба 5. Возможно, однако, применение и других разборных или неразборных вариантов крепления.
В промежуточное пространство, образующееся между радиатором 5А и основной плитой 12, вкладывают уплотнительныи элемент 22, 23. Он состоит из полиуретановой пены и материала типа "Melaflex" и создает термическую "перегородку". Толщина уплотнительного элемента в целом составляет примерно 20 мм, а толщина слоя мягкого материала "Melaflex" - примерно 5 мм. Нижняя часть уплотнительного элемента 22 имеет проемы или вырезы, расположение которых согласовано с расположением Пельтье-элементов. Таким образом, обеспечивается непосредственный контакт Пельтье-элементов с термическим накопителем 11 с одной стороны и с радиатором 5А с другой.
Термический накопитель 11 в поперечном сечении предпочтительно по краям сужен (рис.1-6). Такая поперечная форма накопителя 11 обеспечивает хорошую термическую связь и благоприятное распределение холода или тепла от Пельтье-элемента 10 к основной плите 12.
Верхняя часть 1А наружного корпуса 1 имеет проем для фиксирующей рамы 13. В эту раму может вставляться промежуточная пластинка 28. Сверху на фиксирующую раму 13 также может устанавливаться снимаемая вспомогательная пластинка 28' (рис.7-10). Применение промежуточной пластинки 28 предусмотрено только в режиме охлаждения, в то время как снимаемая вспомогательная пластинка 28' предназначена для использования, как в режиме охлаждения, так и нагревания.
Предпочтительно изготовлять пластиковую промежуточную пластинку 28 с фасонными проемами 13". В эти проемы могут вставляться стеклянные или алюминиевые плиточки 29 с перерабатываемым материалом, например стоматологическим цементом. Конструктивное исполнение устройства, приведенное на рис.7 и 8, предусматривает возможность, на одной алюминиевой или стеклянной плиточке иметь стоматологический цемент, а на другой осуществлять подготовку к протезированию. Фасонные проемы 13", а также промежуточная пластинка 28 могут иметь дополнительные вырезы 13', которые облегчают установку или снятие стеклянных или алюминиевых плиточёк 29, а также промежуточной пластинки 28.
Конструктивное исполнение изобретения со снимаемой вспомогательной пластинкой 28', показанное на рис.9 и 10, в основном предназначено для применения в области медицины и косметики. Охлаждаемые емкости 29' могут использоваться также для замешивания клея для стабилизации костей, который впоследствии предназначается для впрыскивания в области позвоночника.
Снимаемая вспомогательная пластинка 28' может найти применение и в косметике для смешивания каких-либо свежих веществ. Имеется большое количество других возможных областей применения предлагаемого устройства и особенно там, где требуется быстро нагреваемая и/или охлаждаемая основная плита и относительно компактное по габаритам устройство. Одной из возможных областей применения устройства является урология. Устройство может служить для подготовки специального клея, фиксирующего почки. Другая возможная область применения устройства для врача-специалиста по болезням уха, горла или носа.
Известно что капсулы композита для улучшения конверсии и уменьшения шпальта должны нагреваться. В предлагаемом устройстве такое нагревание предпочтительно осуществляется использованием снимаемой вспомогательной пластинки 28'и колпака 21.
Для измерения и регистрации температуры Пельтье-элемента в предлагаемой полезной модели предусмотрен как минимум один датчик 14, который регистрирует температуру Пельтье-элемента. Пельтье-элементов у рабочей поверхности и у основной плиты 12. Практика показала, что предпочтительно использовать датчик 14 в виде цифрового датчика температуры. Однако не исключено применение датчиков других типов.
Предпочитаемое на сегодняшний день конструктивное исполнение устройства с двумя Пельтье-элементами 10 предполагает установить датчик 14 между Пельтье-элементами 10 на основной плите 12. Это дает возможность точной регистрации температуры основной плиты 12 и, следовательно, вспомогательной пластинки 28'.
Одним из важных вариантов исполнения изобретения-устройство с колпаком 21 (рис.11). У колпака 21 должны быть теплоизолирующие свойства. Колпак 21, с одной стороны, сохраняет термическое состояние изделия или вещества на более
длительный период времени и с меньшими потерями энергии, с другой стороны, он может служить фильтром, чтобы защитить вещество, например, пластик от воздействия света и/или ультрафиолетовых лучей.
Эффективность быстродействующего регулирования и управления температурой поверхности основной рабочей плиты, точности настройки и регулирования требуемого режима температуры обеспечивается в предлагаемом устройстве управляющей электроникой, принцип действия которой иллюстрируется электронной схемой (см. блок-диаграмму на рис.12). Управляющую электронику 24 можно представить как в электронную схему, место установки которой показано на рис.1. Возможно, однако, ее размещение в другом месте.
К управляющей электронике 24 относится блок питания 15, который из переменного напряжения (например, 220 В) вырабатывает одно или несколько постоянных напряжений и этим (и) постоянным (и) напряжением или напряжениями питаются отдельные компоненты управляющего электроники, и электронный узел переполюсовки 16. (рис. 12). Электронный узел переполюсовки 16 снабжает Пельтье-элементы 10 постоянным напряжением.
Свойство Пельтье-элементов используется настоящей полезной модели в зависимости от полярности управляющего напряжения вырабатывать разные температуры на противоположных поверхностях этих элементов. Находящиеся между двумя керамическими плитками теллур-висмут-кристаллы Пельтье-элементов работают в режиме «теплонасоса», где тепло от одной поверхности (т.е. от первой керамической плиткой) переводится к другой поверхности (т.е. к другой керамической плитке). Таким образом, образуются "холодная" и "теплая" поверхности. При переполюсовке управляющего напряжения передача тепла осуществляется в обратном направлении, т.е. "холодная" поверхность нагревается, а "теплая" поверхность охлаждается. В зависимости от вида Пельтье-элемента достигается
быстрое изменение температуры в диапазоне от примерно +5 до +55°С, при этом не исключается возможность добиваться изменения температуры в других диапазонах.
Электронный узел переполюсовки 16 управляется контроллером 17. В качестве входного параметра в контроллер 17 поступает цифровой или преобразованный в цифровую форму выходной сигнал от датчика температуры 14. Цифровой или преобразованный в цифровую форму выходной сигнал от датчика температуры 14 подводят к контроллеру 17 предпочтительно в регулярные промежутки времени.
Контроллер 17 оснащен устройством ввода 18 данных от датчика температуры 14, индикатором 19 и в качестве возможной опции интерфейсом 20.
Посредством устройства ввода 18 вводится требуемая температура. Температура вводится или непосредственно в цифровом исчислении, или инкрементами посредством специального переключателя периодического действия (позиция 27 на рис.1). Значение требуемой температуры выводится на индикаторе 19. Индикатор 19 может быть оснащен также дополнительными визуальными и/или акустическими средствами, которые показывают достижение устройством требуемой температуры. Можно также предусмотреть индикацию действительной температуры. Показанное на рис.1 исполнение устройства предусматривает выполнение этого индикатора в виде плоского матричного дисплея 26.
Контроллер 17 устройства может выполнять функцию таймера. Такой таймер позволяет, после достижения требуемой температуры сохранить эту температуру на постоянном уровне на такой период времени, который предписан заводами-изготовителями перерабатываемых при определенной температуре материалов. Настройка таймера может также осуществляться посредством устройства ввода 18.
Все операции ввода альтернативно можно осуществлять через интерфейс. Этот интерфейс, например, может быть исполнен по технологии сериального или параллельного интерфейса, по технологии USB, Bluetooth, WLAN и так далее. Интерфейс, а также питающий кабель и выключатель устройства размещаются на тыльной стороне устройства (рис.3А). На этом рисунке схематически показаны проем для интерфейса (позиция 30) и проем для выключателя (позиция 30'). Также на рис.3А показано, что ножки 1C покрываются снимаемыми колпачками 1C' из пластика или резины.
Ввод данных предпочтительно осуществляется с текстовыми подсказками (меню) на разных языках.
Важным преимуществом настоящей полезной модели является управление Пельтье-элементами с помощью электроники, которое осуществляется следующим образом.
Посредством устройства ввода 18 пользователь вводит требуемую температуру. Затем контроллер 17 непосредственно сравнивает цифровую или преобразованную в цифровую форму, требуемую температуру с той цифровой или преобразованной в цифровую форму температурой, которая поступает от датчика температуры 14. В зависимости от результата этого сравнения контроллер управляет электронным узлом переполюсовки 16, чтобы Пельтье-элементы работали или в режиме нагревания, или в режиме охлаждения. Как уже изложено выше, соответствующий режим описывает состояние той стороны Пельтье-элементов 10, которая обращена к основной плите 12, а та сторона Пельтье-элементов, которая не обращена к основной плите 12, находится в противоположном состоянии. Вентилятор 3, термический накопитель 11 и радиатор 5А с ребрами 8 предназначены для того, чтобы как можно быстрее удалять тепло или холод с той стороны Пельтье-элементов 10, которая не обращена к основной плите 12.
Управление электронным узлом переполюсовки 16 осуществляется в так называемом активном модусе. В таком модусе в случае отклонения требуемой температуры от действительной производится переключение полярности Пельтье-элементов для устранения имеющейся разницы температуры.
После каждого сканирования температуры датчиком 14 контроллер 17 "принимает решение" о (требуемой) полярности электронного узла переполюсовки 16 и таким образом определяет в итоге режим работы Пельтье-элементов. Сканирование можно осуществить постоянным или переменным тактом. Скорость реагирования управления естественно увеличивается с увеличением тактовой частоты.
Возможно также применение пассивного модуса управления. В таком модусе, например, в случае отклонения требуемой температуры от действительной просто отключается управляющее напряжение Пельтье-элементов. Далее ожидается следующий результат сканирования температуры датчиком температуры 14.
Если разница между требуемой и действительной температурой сократилась, то сохраняется отключенное состояние управляющего напряжения. Данный модус продолжает действовать, пока разница между требуемой и действительной температурой после очередного сканирования температуры посредством датчика температуры 14 по сравнению с предыдущим сканированием продолжает сокращаться. Как только увеличивается после очередного сканирования разница между требуемой и действительной температурой, производится переключение в активный модус управления.
Таким образом, управление предлагаемым устройством можно осуществить или в активном модусе или в комбинированном активно/пассивном модусе. Скорость реагирования управления, конечно, в активном модусе выше. Однако имеется возможность увеличить скорость реагирования управления устройством повышением тактовой частоты сканирования датчика температуры 14.
Помимо управляющего напряжения целесообразно постоянно подводить к Пельтье-элементам незначительное базовое напряжение. Постоянное присутствие такого незначительного базового напряжения позволит увеличить срок службы Пельтье-элементов.
Предлагаемая полезная модель, показана и описана в предпочтительных вариантах конструктивного исполнения. Однако не исключается возможность видоизменения ее конструкции в рамках объема прав, изложенных в формуле полезной модели.
Функциональное назначение устройства поддерживать заданный температурный режим в замкнутом объеме на основе эффекта Пельтье и возможность сохранения температурного режима в необходимом временном интервале позволяет широко использовать данное устройство не только в медицине, но и в различных областях техники, где имеют дело с материалами, быстро изменяющими свои физические свойства при изменении температурного режима.
Компактность размещения основных элементов в предлагаемом в качестве полезной модели устройстве (его габариты-329/127/252 мм и вес 4,5 кг) позволяет пользователю легко транспортировать и переносить устройство.