ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КЛИМАТ-КОНТРОЛЯ
THERMOELECTRIC CLIMATE CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к системам охлаждения или нагрева воздуха и предназначено 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, нефтегазовой, 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 источник 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 установлен непосредственно на основании и прижат к пластине термоэлектрической батареи, внутренний радиатор прижат к ее другой пластине через теплопроводник, а на радиаторах установлены вентиляторы постоянного тока, присоединенные либо через ключ блока управления к источнику питания термоэлектрической батареи, либо непосредственно к термоэлектрической батарее через мостовую схему выпрямления, обеспечивающую работу вентиляторов при реверсировании полярности напряжения питания термоэлектрической батареи. Вследствие теплового контакта наружных радиаторов с основанием теплопроводник в известных термоэлектрических агрегатах выполнен длиной, равной сумме толщин основания и термоизоляции с вычетом высоты термоэлектрической батареи. При работе агрегатов в режиме охлаждения ограниченного воздушного объема основание нагревается до температуры, которая может на 10-20°C превысить температуру окружающей среды. Наблюдаемое при этом падение холодопроизводительности за счет увеличения через термоизолирующую прокладку натекаемой тепловой мощности внутрь охлаждаемого объема особенно ощутимо в малогабаритных термокамерах, площадь наружной поверхности которых относительно соизмерима с площадью основания агрегата, а увеличение толщины термоизолирующей прокладки связано с известными ограничениями.
Другим недостатком известных термоэлектрических агрегатов при их использовании в системах климат-контроля является ограничение нижнего предела рабочего диапазона температур окружающей среды (-10, -20°C). 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 известных термоэлектрических систем климат-контроля вне отапливаемых помещений.
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. Наружный радиатор этого агрегата смонтирован непосредственно на его основании, а вентиляторы обоих радиаторов находятся в рабочем состоянии как в режиме охлаждения, так и в режиме нагревания, что не позволяет эксплуатировать систему при падении температуры окружающей среды ниже минус 10°C.
Технической задачей изобретения является устранение перечисленных выше недостатков, а именно повышение холодопроизводительности путем снижения натекаемой тепловой мощности внутри контролируемого воздушного объема, а также расширение температурного рабочего диапазона термоэлектрической системы климат-контроля в сторону отрицательных значений.
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, длина теплопроводника увеличена до образования зазора величиной 1-5 мм между основанием и поверхностью наружного радиатора, контактирующей с пластиной термоэлектрической батареи.
Вторая часть поставленной задачи решается тем, что минусовые клеммы всех вентиляторов термоэлектрической сборки через единственный 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 данным изобретением технический результат заключается в повышении холодопроизводительности при работе системы в режиме охлаждения и повышении надежности ее работы в режиме нагревания при пониженных температурах окружающей среды, а при использовании в термоэлектрических агрегатах заявленной системы однотипных базовых термоэлектрических сборок, оптимизированных по максимальному соотношению вырабатываемой холодильной мощности к занимаемой радиаторами площади основания, уменьшается расход электроэнергии на единицу вырабатываемой холодопроизводительности и снижаются вес, габариты и себестоимость изготовления агрегатов любой требуемой холодильной мощности.
На фиг.1 показана конструкция термоэлектрической сборки агрегата нагрева-охлаждения, на фиг.2 представлена структурная схема системы климат-контроля, на фиг.3 изображена фотография агрегата системы климат-контроля 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, 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. Радиатор 4 установлен с зазором 14 между основанием 1 и его поверхностью, находящейся в тепловом контакте с термоэлектрической батареей 3. 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.
Система климат-контроля 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. Так как 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 обеспечивается повышение надежности работы системы при пониженных температурах окружающей среды, когда по вышерассмотренным причинам резко возрастает вероятность отказа работы наружных вентиляторов.
Благодаря тому что в агрегате заявленной системы длина теплопроводника 6 увеличена до образования зазора 14 величиной 1-5 мм между контактной поверхностью наружного радиатора 4 и основанием 1, исключается непосредственный тепловой контакт «горячего» радиатора с основанием, в результате чего снижается натекаемая через термоизолирующую прокладку 2 тепловая мощность в охлаждаемый объем воздуха, а также (в соответствии с патентом РФ №2407954, F25B 21/00 на «Термоэлектрический охладитель воздуха») улучшается конвективный теплообмен с горячей пластиной термоэлектрической батареи. В результате холодопроизводительность термоэлектрической сборки повышается. При этом оптимальная величина зазора 14 составляет половину высоты термоэлектрической батареи 3.
Заявленные термоэлектрические сборки могут быть оптимизированы по максимальному соотношению вырабатываемой холодопроизводительности к занимаемой радиаторами площади основания и использованы как базовые для агрегатов любой требуемой холодильной мощности путем увеличения их числа. При этом обеспечивается целый ряд преимуществ по сравнению с известными агрегатами повышенной холодопроизводительности, в которых использована одна мощная термоэлектрическая батарея. При равенстве суммарной холодопроизводительности термоэлектрических батарей оптимизированных базовых сборок с холодопроизводительностью одной мощной батареи такой агрегат потребляет меньше электроэнергии на единицу вырабатываемой холодильной мощности за счет уменьшения термического сопротивления контакта пластин термоэлектрической батареи с радиаторами и снижения температурных градиентов поверхностей радиаторов, имеет более компактные размеры и более низкий вес за счет сохранения пропорциональности увеличения теплорассеивающих площадей радиаторов, а также более низкую себестоимость изготовления. Приводим параметры оптимизации для базовой сборки с холодильной мощностью 30 Вт (по стандарту DIN 3168) при использовании наиболее широко применяемых термоэлектрических батарей с пластинами размером 40×40 мм:
- максимальная холодопроизводительность батареи 50÷65 Вт;
- напряжение питания батареи - 60÷80% от максимально допустимого;
- длина и ширина радиаторов с высотой ребер 30 мм в пределах 65-80 мм;
2
- минимальная площадь теплорассеивающей поверхности радиатора 1200 см;
3
- расход вентиляторов 0,8÷1,2 м/мин.
Любое отклонение от указанных параметров оптимизации вызывает либо уменьшение отношения потребляемой электроэнергии к производимой холодильной мощности, либо увеличение габаритов и веса агрегата.
На фиг.3 приведена фотография базовой сборки, установленной на основании размером 100×100 мм. Размеры и масса сборки (не более 0,8 кг), а также работоспособность при изменении температуры окружающей среды от минус 40°C до плюс 70°C превосходят аналогичные показатели прототипа.
На фиг.4 приведены фотографии термоэлектрических агрегатов системы климат-контроля с различной холодопроизводительностью, в которых использованы оптимизированные термоэлектрические сборки.
Таким образом, отличия предложенной системы климат-контроля позволяют получить более высокую холодопроизводительность при работе агрегата в режиме охлаждения, повысить надежность работы системы при пониженных температурах окружающей среды путем упрощения схемы управления наружными вентиляторами, а также снизить вес, габариты и себестоимость изготовления агрегатов с повышенной холодопроизводительностью.
Образцы заявленной системы климат-контроля прошли успешные испытания в ОАО «Концерн Энергомера» г.Ставрополь, ООО «КАМТЕЛ» г.Пермь, ООО «Сельхозмонтаж» г.Курган, ООО «ЭПМГГО» г.Санкт-Петербург и других организациях РФ.