Патент на изобретение №2328663

(54) НЕРАВНОВЕСНАЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВА

(57) Реферат:

Настоящее изобретение относится к усовершенствованным термоэлектрическим системам с повышенной эффективностью. Термоэлектрическая система содержит множество термоэлектрических элементов, формирующих по меньшей мере один массив термоэлектрических элементов, имеющих по меньшей мере одну первую сторону и по меньшей мере одну вторую сторону, между которыми в процессе работы имеет место по меньшей мере один температурный градиент. Термоэлектрические элементы находятся в тепловой связи с теплообменником, расположенным по меньшей мере на первой или второй стороне, а по меньшей мере часть массива термоэлектрических элементов предназначена для работы между, по меньшей мере, первым и вторым уровнями электрического тока. По меньшей мере первый уровень электрического тока лежит ниже такого уровня электрического тока, который обеспечивает, по существу, максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы. Система снабжена сердечником, содержащим теплопроводную секцию и теплоизолированную секцию, а массив термоэлектрических элементов размещен между сердечником и корпусом и выполнен с возможностью вращения. Использование изобретения позволит повысить эффективность работы системы. 2 н. и 31 з.п. ф-лы, 17 ил. контакта и радиусом R.

На фиг.10 показана еще одна термоэлектрическая система 1000, в которой используется нестационарное питание термоэлектрических элементов. В этой конфигурации устройство находится внутри корпуса 1001, в котором имеется главное входное отверстие 1002, главное выходное отверстие 1003, вторичное входное отверстие 1004 и вторичное выходное отверстие 1005. К внутреннему краю корпуса 1001 прикреплен экран 1006 для блокировки потока, а к внешнему краю корпуса 1001 прикреплен второй экран 1007 для блокировки потока. Эти экраны выполнены из изолирующего материала и геометрически выполняют ту же функцию, что и экран 213 для блокировки потока на фиг.2. Внутри корпуса вращается по часовой стрелке кольцо из термоэлектрических массивов 1008. Эти термоэлектрические массивы состоят из основного ребристого теплообменника 1011, сбросного ребристого теплообменника 1012 и термоэлектрических элементов 1008, имеющих форму плунжеров и разделенных спиральными пружинами (не показаны). Детальное описание конструкции термоэлектрических сборок 1008 иллюстрируется на фиг.11. Внутренний и внешний края корпуса 1001 являются некруглыми и/или неконцентрическими, формируя между собой радиальное расстояние, которое меняется в зависимости от углового положения, что обеспечивает выигрыш, как описано в связи с фиг.7.

При вращении кольца из термоэлектрических массивов 1008 замыкается различное количество термоэлектрического материала в пределах элементов 1008 в зависимости от радиального расстояния между внутренним и внешним краями корпуса 1001. Это приводит к эффективному изменению сопротивления термоэлектрических элементов 1008 согласно геометрии краев. Питание на термоэлектрические массивы 1008 подается только в области 1010 и не подается в области 1009. Это достигается тем, что или внутренний край, или внешний край, или оба выполнены нетокопроводящими в области 1009. Жидкость при температуре Т_А окружающей среды входит в сбросовое входное отверстие 1004 в точке А и перемещается по часовой стрелке к сбросовому выходному отверстию 1005 в точке С с температурой Т_H. Аналогично, жидкость при температуре Т_А окружающей среды вводит в основное входное отверстие 1002 в точке А’ и перемещается по часовой стрелке к основному выходному отверстию 1003 в точке С’ с температурой Т_C. Посредством экрана 1006 для блокировки главного потока и экрана 1007 для блокировки сбросового потока обеспечивают отсутствие потока как главной, так и сбросовой жидкости в пределах экранированной области 1009, в которую не подается питание. Поскольку термоэлектрический массив 1008 входит в область 1010, в которую подается питание, сразу же после прохождения точек А-А’ она исходно находится при температуре Т_A окружающей среды и начинает охлаждать внутренние ребра 1011 и нагревать наружные ребра 1012. Это действие продолжается по всей области 1010, в которую подается питание, пока жидкость не выйдет из области, в которую подается питание, непосредственно перед прохождением точек С-С’, в которых разность температур в массиве достигает желательного максимума. Когда термоэлектрические массивы проходят через область 1010, в которую подается питание, они осуществляют теплообмен с потоками главной и сбросовой жидкостей. В области 1009, в которую не подается питание, к моменту, когда массивы возвращаются к точкам А-А’, они возвращаются к температуре, близкой к температуре окружающей среды. Предпочтительно скорость вращения, теплоемкость материала и электрический ток выбирают так, чтобы достичь желательных рабочих параметров. Таким образом, главная жидкость охлаждается при перемещении от А’ в С’, а сбросовая жидкость нагревается при перемещении от А в С. При использовании устройства в качестве нагревателя направление тока меняют на противоположное и жидкость во внутренней части нагревается, а во внешней – охлаждается.

На фиг.11 подробно показан пример конструкции термоэлектрических массивов 1008, изображенных на фиг.10. Предпочтительно массивы электрически и термически изолированы друг от друга материалом 1108. Внешний конец вторичного термоэлектрического элемента 1101 находится в хорошем тепловом контакте с вторичным теплообменником 1103 (обычно в виде ребра). Его внутренний конец перемещается в пределах цилиндрического отверстия в электропроводящей трубке 1105.

Аналогично внутренний конец главного термоэлектрического элемента 1102 находится в хорошем тепловом контакте с главным теплообменником 1104 (обычно в виде ребра). Его внешний конец перемещается в пределах электропроводящей трубки 1105. Концы двух термоэлектрических элементов 1101 и 1102 отделены и подпружинены пружиной 1106. По мере того как радиальное расстояние между внутренним и внешним краями корпуса 1001 на фиг.10 меняется, пружина регулирует активную длину термоэлектрических элементов 1101 и 1102 так, чтобы обеспечить выигрыш за счет изменения омического сопротивления, как обсуждалось в связи с фиг.7. Электрическая цепь проходит через термоэлектрические элементы 1101 и 1102, включая электрические контакты 1107 на концах электропроводящей трубки 1105.

На фиг.12А (общий вид) и фиг.12.В (поперечное сечение по линии 12В-12В, перпендикулярно к плоскости фиг.12А) изображен другой вариант выполнения настоящего изобретения, в котором используется нестационарная подача питания в жидкий термоэлектрический материал 1207. Устройство размещено в корпусе 1201, в котором имеется входное отверстие 1202 и выходное отверстие 1203. В центре расположен сердечник 1204, разделенный на две секции: теплопроводящую секцию 1205 и теплоизолирующую секцию 1206.

Сердечник окружен жидким термоэлектрическим материалом 1207, который в свою очередь окружен кольцом 1208 электродов, выполненных из меди или другого подходящего электропроводящего и теплопроводящего материала. Между кольцом 1208 электродов и корпусом 1201 имеется кольцо из ребристых теплообменных секций 1209, находящихся в хорошем тепловом контакте с электродами 1208. Секция 1209 теплообменных ребер и электроды 1208 могут составлять единую часть. Между сердечником 1204 и кольцом 1208 электродов расположен пористый электропроводящий и теплопроводящий электрод 1210. Пористый электрод 1210 простирается, по существу, на часть окружности, занимаемую теплопроводящей секцией 1205 сердечника 1204. Предпочтительно имеется зубчатый насос 1211, предназначенный для прокачки жидкого термоэлектрического материала 1207 через пористый электрод 1210. Термоэлектрический материал 1207 в виде жидкости или суспензии не может пройти мимо пористого электрода 1210 за счет уплотнения 1212. Как видно на фиг.12В, устройство состоит из слоев конструкции, описанной в связи с фиг.12А, с чередованием жидких термоэлектрических материалов n-типа 1207 и p-типа 1207. Электрическое разделение слоев, а также изоляция между слоями выполнены посредством уплотнений 1213 и 1214. Электрод 1210 соединен деталями 1215 с высокой электропроводностью и теплопроводностью, которые передают тепло к теплопроводящей части сердечника 1205. Детали 1215 разделены радиальными щелями, которые позволяют термоэлектрическому материалу 1207 проходить между электродом 1210 и сердечником 1204. Контакты 1217 соединены с источником электропитания.

Во время работы устройства ребра 1209 и электроды 1208 синхронно вращаются против часовой стрелки.

Корпус 1201, пористый электрод 1210 и сердечник 1204 остаются неподвижными. Термоэлектрический материал 1207 в виде жидкости или суспензии нагнетается против часовой стрелки, проходя через пористый электрод 1210. Часть термоэлектрической жидкости или суспензии 1207, которая находится между пористым электродом 1210 и электродом 1208, оказывается подключенной к электропитанию и на ней создается разность температур, охлаждая поверхность, находящуюся в контакте с вращающимися электродами 1208 (при охлаждении). Поэтому при прохождении через область, в которой подается питание, ребристая секция 1209 охлаждается, достигая наименьшей температуры в точке С. Теплообменная жидкость входит во входное отверстие 1202 при температуре Т_А окружающей среды, проходит мимо ребристых секций 1209 в направлении по часовой стрелке и выходит через выходное отверстие 1203 при температуре Т_С.

Когда охлажденные ребра 1209 проходят точку С, они обмениваются теплом с теплообменной жидкостью, так чтобы к моменту достижения точки А они и электроды 1208, к которым они прикреплены, возвратились, по существу, к температуре окружающей среды. Жидкий или суспензионный термоэлектрический материал 1207 также возвращается к комнатной температуре, поскольку он находится в контакте с кольцом 1208 электродов, вокруг которых он прокачивается. Предпочтительно, чтобы теплообменные жидкости не могли перемещаться в направлении против часовой стрелки благодаря блокирующим уплотнениям, показанным на фиг.2А.

Скорость вращения сборки, теплоемкость электродов 1208 и ребер 1209, а также ток выбирают так, чтобы достичь желательных рабочих параметров.

Система 1200 может также работать в режиме нагревания. Можно создать пару из двух секций – одна нагревающая и одна охлаждающая – аналогично тому, как это сделано на фиг.6.

Другие изменения и сочетания термоэлектрических систем, в которых температура отдельных элементов, жидких или суспензионных элементов может быть достигнута путем сочетания признаков конструкций, показанных на одном или нескольких чертежах, изображенных на фиг.1-12, с признаками, показанными на других чертежах. Например, термоэлектрический материал в виде жидкости или суспензии, как на фиг.12, можно использовать вместо электродов в конфигурации, показанной на фиг.11, причем длину можно регулировать с помощью пористого плунжера, шунтирующего часть термоэлектрического материала, находящегося в цилиндрическом корпусе. В другом примере рабочее направление (направления) потока жидкости (жидкостей) на фиг.8 и 10 может быть заменено на противоположное, и питание можно подводить к области (областям), где поток блокирован, а изолирующие и проводящие части сердечника можно поменять местами, чтобы использовать преимущества уменьшения сопротивления в устройствах, аналогичных изображенному на фиг.2.

Электроды 1208 могут быть выполнены из других материалов, которые являются хорошими проводниками электричества и тепла. Предпочтительно ребра 1209 термически и электрически изолированы друг от друга, но сами являются хорошими проводниками тепла.

Хотя были проиллюстрированы несколько примеров, их описание следует рассматривать просто как иллюстрацию основных концепций изобретения, которые сформулированы в формуле изобретения. В формуле изобретения все термины имеют обычное и общепринятое значение, и описание не ограничивает значения терминов.

Формула изобретения

1. Термоэлектрическая система, содержащая множество термоэлектрических элементов, формирующих по меньшей мере один массив термоэлектрических элементов, имеющих по меньшей мере одну первую сторону и по меньшей мере одну вторую сторону, между которыми в процессе работы имеет место по меньшей мере один температурный градиент, причем термоэлектрические элементы находятся в тепловой связи с теплообменником, расположенным по меньшей мере на первой или второй стороне, а по меньшей мере часть массива термоэлектрических элементов предназначена для работы между по меньшей мере первым и вторым уровнями электрического тока, причем по меньшей мере первый уровень электрического тока лежит ниже такого уровня электрического тока, который обеспечивает по существу максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы, при этом система снабжена сердечником, содержащим теплопроводную секцию и теплоизолированную секцию, а массив термоэлектрических элементов размещен между сердечником и корпусом и выполнен с возможностью вращения.

2. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что работа между по меньшей мере первым и вторым уровнями электрического тока по существу является нестационарным процессом на каждом уровне.

3. Термоэлектрическая система по п.2, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов обмениваются теплом по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в течение времени, когда такие термоэлектрические элементы работают при первом уровне электрического тока.

4. Термоэлектрическая система по п.2, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов обмениваются теплом по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в течение времени, когда такие термоэлектрические элементы работают при втором уровне электрического тока.

5. Термоэлектрическая система по п.3 или 4, отличающаяся тем, что первый уровень электрического тока является нулевым.

6. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что первый уровень электрического тока по существу меньше такого уровня электрического тока, который обеспечивает по существу максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы.

7. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что второй уровень электрического тока выше, равен или ниже такого уровня электрического тока, который обеспечивает по существу максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы.

8. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что уровень электрического тока меняется по меньшей мере между указанными первым и вторым уровнями тока.

9. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере первый и второй уровни электрического тока являются программируемыми уровнями.

10. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере первый и второй уровни электрического тока являются переменными уровнями, обеспечивая циклическую последовательность подачи электрического тока.

11. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере первый и второй уровни электрического тока выбраны так, чтобы обеспечить повышение эффективности системы по сравнению с работой в стационарном состоянии.

12. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один массив термоэлектрических элементов способен перемещаться так, что по меньшей мере часть термоэлектрических элементов оказывается подключена по меньшей мере к одному источнику электроэнергии в течение заданного периода времени и отключена от по меньшей мере одного источника электроэнергии в течение заданного периода времени.

13. Термоэлектрическая система по п.12, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в то время, когда они отключены от источника электроэнергии.

14. Термоэлектрическая система по п.12, отличающаяся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в то время, когда они подключены к источнику электроэнергии.

15. Термоэлектрическая система по п.12, отличающаяся тем, что в течение периода, когда такие термоэлектрические элементы подключены к источнику электроэнергии, такие термоэлектрические элементы осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью.

16. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что термоэлектрические элементы выполнены с возможностью изменения их сопротивления.

17. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что массив термоэлектрических элементов имеет в общем случае круговую конфигурацию и способен вращаться в первом направлении относительно оси вращения, и по меньшей мере одна рабочая жидкость перемещается по меньшей мере вдоль одного теплообменника в направлении, противоположном направлению вращения.

18. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что массив термоэлектрических элементов имеет в общем случае круговую конфигурацию и способен вращаться в первом направлении относительно оси вращения, и по меньшей мере одна рабочая жидкость перемещается по меньшей мере вдоль одного теплообменника в первом направлении.

19. Термоэлектрическая система по п.1, отличающаяся тем, что используется для охлаждения, нагрева и/или как для охлаждения, так и для нагрева.

20. Способ повышения эффективности термоэлектрической системы, содержащей множество термоэлектрических элементов, формирующих по меньшей мере один массив термоэлектрических элементов, имеющий по меньшей мере одну первую сторону и по меньшей мере одну вторую сторону, между которыми в процессе работы имеет место по меньшей мере один температурный градиент, включающий операцию подачи электропитания по меньшей мере на некоторые из термоэлектрических элементов по меньшей мере в одном массиве термоэлектрических элементов при нестационарных условиях, так, чтобы по меньшей мере часть массива термоэлектрических элементов работала между по меньшей мере первым и вторым различными уровнями электрического тока, причем по меньшей мере первый уровень электрического тока лежит ниже такого уровня электрического тока, который обеспечивает по существу максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы, а способ дополнительно включает операцию вращения массива термоэлектрических элементов, размещенного между корпусом и сердечником, содержащим теплопроводную секцию и теплоизолированную секцию.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью.

22. Способ по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов осуществляют теплообмен по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в течение времени, когда такие термоэлектрические элементы работают при первом уровне электрического тока.

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что первый уровень электрического тока является нулевым.

24. Способ по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов обмениваются теплом по меньшей мере с одной рабочей жидкостью в течение времени, когда такие термоэлектрические элементы работают при втором уровне электрического тока.

25. Способ по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере первый и второй уровни электрического тока являются программируемыми уровнями.

26. Способ по п.20, отличающийся тем, что первый и второй уровни электрического тока являются переменными уровнями, обеспечивая циклическую последовательность подачи электрического тока.

27. Способ по п.20, отличающийся тем, что по меньшей мере первый и второй уровни электрического тока выбирают так, чтобы обеспечить повышение эффективности системы по сравнению с работой в стационарном состоянии.

28. Способ по п.20, отличающийся тем, что операция подачи электропитания по меньшей мере к некоторым из термоэлектрических элементов включает подключение по меньшей мере к одному источнику электроэнергии в течение заданного периода времени и отключение от по меньшей мере одного источника электроэнергии в течение заданного периода времени.

29. Способ по п.20, отличающийся тем, что первый уровень электрического тока является по существу нулевым, а второй уровень электрического тока является по существу ненулевым.

30. Способ по п.20, отличающийся тем, что второй уровень электрического тока отличается от первого уровня электрического тока, причем второй уровень электрического тока ниже, равен или выше уровня электрического тока, который обеспечивает по существу максимальное охлаждение или нагревание в стационарном состоянии термоэлектрической системы.

31. Способ по п.28, отличающийся тем, что по меньшей мере некоторые из термоэлектрических элементов изменяют сопротивление в течение заданного периода времени.

32. Способ по п.21, отличающийся тем, что по меньшей мере часть по меньшей мере одной рабочей жидкости составляет воздух.

33. Способ по п.20, отличающийся тем, что массив термоэлектрических элементов используют для охлаждения, нагрева или как для охлаждения, так и для нагрева.

РИСУНКИ