Патент на изобретение №2315249

(54) ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНДИЦИОНЕР

(57) Реферат:

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям кондиционеров для охлаждения воздуха. Термоэлектрический кондиционер содержит термоэлектрическую батарею, теплообменник для потока воздуха и проточный теплообменник для потока теплоотводящей жидкости. Термоэлектрическая батарея состоит из двух столбиков, образованных чередующимися ветвями, изготовленными соответственно из полупроводника n-типа и р-типа, последовательно соединенными в электрическую цепь посредством двух типов коммутационных пластин, представляющих собой прямоугольные контактные площадки с оребрением. У одних пластин оребрение расположено внутри проточного теплообменника вдоль потока теплоотводящей жидкости перпендикулярно плоскости контактной площадки и представляет собой параллельные друг другу тонкие прямоугольные металлические пластины, а у других оребрение расположено снаружи вдоль потока охлаждаемого или нагреваемого воздуха, в одной плоскости с контактной площадкой и выполнено в виде параллельных друг другу тонких металлических пластин в форме половины диска. Коммутационные пластины с оребрением, расположенным внутри проточного теплообменника вдоль потока теплоотводящей жидкости, являются общими для обоих столбиков, образующих термоэлектрическую батарею, а канал проточного теплообменника находится между этими столбиками и отсоединен от последней посредством слоя теплоизоляции. Целью изобретения является повышение надежности устройства, а также увеличение термодинамической эффективности теплообменника за счет оптимального использования площади теплообмена. 2 ил.

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям кондиционеров для охлаждения воздуха.

Известно большое количество различных термоэлектрических кондиционеров, используемых в производстве, быту и на транспорте. Например, серия кондиционеров КТТ фирмы КОНВЕРСМАШ [www.konversmash.ru].

Основным элементом в данных установках является экологически чистый полупроводниковый термоэлектрический модуль, работающий на принципе эффекта Пельтье.

Преимуществами данных установок являются

отсутствие механически движущихся узлов и легко испаряющихся жидкостей в блоке охлаждения;

высокая надежность и длительный срок службы;

устойчивость к вибрации и ударным нагрузкам;

возможность работы в любом положении.

Однако недостатком всех этих кондиционеров является то, что термоэлектрические модули в этих устройствах используются типовые, т.е. состоящие из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем коммутация обеих ветвей (р- и n-типа) к коммутационной пластине производится к одной и той же плоской поверхности по краям последней. При этом термоэлемент имеет “П-образную” форму, где вертикальные элементы – р- и n-ветви, а горизонтальные – коммутационные пластины.

Данная конструкция типовых термоэлектрических модулей имеет два недостатка, а именно:

1) в результате механических напряжений, возникающих в термоэлектрических модулях из-за различных коэффициентов температурного расширения нагреваемого и охлаждаемого спаев, термоэлектрические модули со временем выходят из строя;

2) площадь контакта термоэлектрических модулей, как правило, меньше, чем поверхность теплообмена между потоками охлаждаемого (нагреваемого) воздуха и теплоотводящей жидкости (хладагента), и присутствие теплоперетоков от горячих спаев к холодным по межтермоэлементным промежуткам снижает термодинамическую эффективность теплопередачи в целом.

Ближайшим аналогом изобретения является устройство термоэлектрического кондиционера, содержащее термоэлектрическую батарею и теплообменники для потоков воздуха и теплоотводящей воды (см. патент RU 2140365, В60Н 3/00, 1999).

Техническим результатом изобретения является повышение надежности устройства, а также увеличение термодинамической эффективности теплообменника за счет оптимального использования площади теплообмена.

Технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом кондиционере, содержащем термоэлектрическую батарею, теплообменник для потока воздуха и проточный теплообменник для потока теплоотводящей жидкости, согласно изобретению термоэлектрическая батарея состоит из двух столбиков, образованных чередующимися ветвями, изготовленными соответственно из полупроводника n-типа и р-типа, последовательно соединенными в электрическую цепь посредством двух типов коммутационных пластин, представляющих собой прямоугольные контактные площадки с оребрением, причем у одних пластин оребрение расположено внутри проточного теплообменника вдоль потока теплоотводящей жидкости перпендикулярно плоскости контактной площадки и представляет собой параллельные друг другу тонкие прямоугольные металлические пластины, а у других оребрение расположено снаружи вдоль потока охлаждаемого или нагреваемого воздуха в одной плоскости с контактной площадкой и выполнено в виде параллельных друг другу тонких металлических пластин в форме половины диска, а электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь n-типа – коммутационная пластина с оребрением внутри проточного теплообменника – ветвь р-типа – коммутационная пластина с оребрением снаружи вдоль потока воздуха – ветвь n-типа, причем ветвь n-типа контактирует с одной из поверхностей прямоугольной контактной площадкой коммутационной пластины, а ветвь р-типа – с противоположной поверхностью контактной площадки той же коммутационной пластины, при этом коммутационные пластины с оребрением, расположенным внутри проточного теплообменника вдоль потока теплоотводящей жидкости, являются общими для обоих столбиков, образующих термоэлектрическую батарею, а канал проточного теплообменника находится между этими столбиками и отсоединен от последней посредством слоя теплоизоляции.

Для этой цели предлагается конструкция термоэлектрического кондиционера, структурная схема которого в продольном сечении приведена на фиг.1. Термоэлектрическая батарея кондиционера состоит из двух столбиков, образованных чередующимися ветвями, изготовленными соответственно из полупроводника n-типа 1 и р-типа 2, последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин 3 и 4. Электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь n-типа 1 – коммутационная пластина 3 – ветвь р-типа 2 – коммутационная пластина 4 – ветвь n-типа 1 – коммутационная пластина 3 и т.д. Каждая коммутационная пластина представляет собой прямоугольную контактную площадку и оребрение, но у коммутационных пластин 3 оребрение расположено внутри проточного теплообменника 5 вдоль потока теплоотводящей жидкости и перпендикулярно плоскости контактной площадки. У коммутационных пластин 4 оребрение расположено снаружи вдоль потока охлаждаемого (нагреваемого) воздуха, причем находится в одной плоскости с контактной площадкой. Оребрение представляет собой параллельные друг другу тонкие металлические пластины, причем форма оребрения при коммутационной пластине 3 прямоугольная, а у коммутационной пластины 4 представляет собой половинку диска (см. фиг.2). Ветвь n-типа 1 контактирует с одной из поверхностей контактной площадки коммутационной пластины 3 или 4, а ветвь р-типа 2 – с противоположной поверхностью контактной площадки той же коммутационной пластины. Каждая ветвь в полупроводниковой термоэлектрической батарее контактирует противоположными поверхностями с двумя коммутационными пластинами 3 и 4. Термоэлектрическая батарея и проточный теплообменник 5 заключены в теплоизоляцию 6, а оребрение выводится за пределы последней.

Суть работы термоэлектрического кондиционера в следующем. При пропускании электрического тока через термоэлектрические батареи в результате эффекта Пельтье происходит “перекачка” тепла с одних спаев на другие. При этом если спаи 3 с оребрением внутри проточного теплообменника 5 нагреваются, то спаи 4 с оребрением вдоль потока воздуха охлаждаются, и наоборот, если спаи 3 охлаждаются, то спаи 4 нагреваются. Причем смена с нагрева на охлаждение осуществляется реверсом тока питания. Теперь при пропускании через проточный теплообменник 5 потока теплоотводящей жидкости будет осуществляться отвод тепла от коммутационных пластин 3. При этом регулируется температура (происходит нагрев или охлаждение в зависимости от направления тока питания) воздушного потока, продуваемого вдоль оребрения коммутационных пластин 4.

Преимуществом данной конструкции является отсутствие поперечных напряжений, неизбежно возникающих в ветвях типовых термоэлектрических модулей за счет линейной компенсации теплового расширения одних концов (горячих) термоэлементов с их линейным сжатием других концов (холодных), что приводит к повышению надежности устройства. Кроме этого, в заявляемой конструкции в значительной мере устраняются перетоки тепла с горячих спаев на холодные по межтермоэлементным пространствам за счет более плотной упаковки ветвей.

Формула изобретения

Термоэлектрический кондиционер, содержащий термоэлектрическую батарею, теплообменник для потока воздуха и проточный теплообменник для потока теплоотводящей жидкости, отличающийся тем, что термоэлектрическая батарея состоит из двух столбиков, образованных чередующимися ветвями, изготовленными соответственно из полупроводника n-типа и р-типа, последовательно соединенными в электрическую цепь посредством двух типов коммутационных пластин, представляющих собой прямоугольные контактные площадки с оребрением, причем у одних пластин оребрение расположено внутри проточного теплообменника вдоль потока теплоотводящей жидкости перпендикулярно плоскости контактной площадки и представляет собой параллельные друг другу тонкие прямоугольные металлические пластины, а у других оребрение расположено снаружи вдоль потока охлаждаемого или нагреваемого воздуха в одной плоскости с контактной площадкой и выполнено в виде параллельных друг другу тонких металлических пластин в форме половины диска, а электрическое соединение ветвей осуществляется посредством контакта ветвь n-типа – коммутационная пластина с оребрением внутри проточного теплообменника – ветвь р-типа – коммутационная пластина с оребрением снаружи вдоль потока воздуха – ветвь n-типа, причем ветвь n-типа контактирует с одной из поверхностей прямоугольной контактной площадки коммутационной пластины, а ветвь р-типа – с противоположной поверхностью контактной площадки той же коммутационной пластины, при этом коммутационные пластины с оребрением, расположенным внутри проточного теплообменника вдоль потока теплоотводящей жидкости, являются общими для обоих столбиков, образующих термоэлектрическую батарею, а канал проточного теплообменника находится между этими столбиками и отсоединен от последней посредством слоя теплоизоляции.

РИСУНКИ