Способ охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей

 

Изобретение относится к холодильной технике, конкретнее к термоэлектрическим охладителям, и может быть использовано при создании бытовых, промышленных, торговых холодильников и морозильников, кондиционеров, а также медицинских и специальных термоохлаждающих приборов и термостатирующих устройств. Способ охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей основан на порционном переносе тепла от объекта и от каскада к каскаду при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного тока с промежуточным накоплением тепла на тепловых аккумуляторах, отвод тепла начинают одновременно на всех каскадах батареи, а переключение каскадов в режим накопления тепла на тепловых аккумуляторах проводят независимо друг от друга, исходя из соотношения заранее заданных уставок T_{i уст1}≥T_{i аккум}≥T_{i уст2}, причем верхние и нижние границы температурных уставок задают в зависимости от требуемого значения температуры охлаждаемого объекта так, что отвод тепла начинают от горячего каскада в окружающую среду с последующим независимым включением каскадов в режим активного отвода и накопления тепла, что более холодные каскады включают в режим отвода тепла после переключения более горячего каскада в режим накопления тепла. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к холодильной технике, конкретнее к термоэлектрическим охладителям, и может быть использовано при создании бытовых, промышленных, торговых холодильников и морозильников, кондиционеров, а также медицинских и специальных термоэлектрических охлаждающих приборов и термостабилизирующих устройств.

Известен способ охлаждения, основанный на использовании каскадной термоэлектрической батареи (а. с. СССР N322821, кл. F 25 B 21/02, 1971). Данный способ состоит в том, что перенос тепла от объекта и от каскада к каскаду осуществляется при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока до выхода ее на стационарный режим работы.

Применение указанного способа охлаждения целесообразно при необходимости получения относительно небольших перепадов температур (порядка 30 К) между горячими и холодными спаями термоэлектрической батареи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ охлаждения и устройство для его осуществления, основанный на использовании каскадной термоэлектрической батареи (патент России N2034207, кл. F 25 B 21/02, 1994), в котором перенос тепла от объекта и от каскада к каскаду осуществляют при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока до выхода ее на стационарный режим работы, соответствующий требуемой температуре охлаждаемого объекта, перенос тепла, отводимого от объекта, осуществляют последовательными во времени порциями от каскада к каскаду с промежуточным накоплением тепловой энергии на тепловых аккумуляторах.

Однако указанный способ эффективен лишь при очень малых токах каскадов и поэтому может быть применен только в миниатюрных или малогабаритных охлаждающих устройствах при небольших перепадах температур между охлаждаемым объектом и окружающей средой.

Задача, решаемая изобретением, состоит в создании "Способа охлаждения каскадной термоэлектрической батареей", лишенного недостатков прототипа.

Технический результат, который даст осуществление изобретения, заключается в быстром выходе на стационарный режим работы, существенном повышении холодильного коэффициента термоэлектрической батареи и повышении холодопроизводительности на единицу затраченной мощности.

Это достигается тем, что в способе охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей, основанном на порционном переносе тепла от объекта и от каскада к каскаду при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного тока с промежуточным накоплением тепла на тепловых аккумуляторах, отвод тепла начинают одновременно на всех каскадах батареи, а переключение в режим накопления тепла на тепловых аккумуляторах проводят независимо друг от друга, исходя из соотношения заранее заданных уставок T_{i уст1} ≥ T_{i аккум} ≥ T_{i уст2}, причем верхние и нижние границы температурных уставок задают в зависимости от требуемого значения температуры охлаждаемого объекта; что отвод тепла начинают от горячего каскада в окружающую среду с последующим независимым включением каскадов в режим активного отвода и накопления тепла, что более холодные каскады включают в режим отвода тепла после переключения более горячего каскада в режим накопления тепла.

Достигаемый технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков в способе охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей.

На фиг. 1. изображена циклограмма работы трехкаскадной батареи с промежуточными аккумуляторами тепла при установившемся (стационарном) режиме отвода тепла от охлаждаемого объекта, а также показано характерное изменение во времени температур аккумуляторов тепла; на фиг. 2. - конструктивная схема устройства для охлаждения объекта с использованием трехкаскадной термоэлектрической батареи в соответствии с предлагаемым способом охлаждения; на фиг. 3. - функциональная схема блока питания и управления трехкаскадной термоэлектрической батареей в соответствии с предлагаемым способом охлаждения.

В соответствии с предлагаемым способом охлаждения по п.1. перенос тепла каскадной термоэлектрической батареей с промежуточными аккумуляторами тепла происходит следующим образом. Вначале все батареи включаются в активный режим отвода тепла. Условием переключения каждого каскада в ключевой режим (режим накопления тепла) является соотношение между реальной температурой и температурной уставкой на его аккумуляторе тепла. Если T_{i уст1} ≥ T_{i аккум}, каскад работает в ключевом режиме, если T_{i аккум} ≥ T_{i уст2}, происходит переключение в активный режим работы (при этом T_{i уст2} ≥ T_{i уст1} ). То есть как только температура на аккумуляторе тепла достигает заданной температуры уставки, каскад включается в ключевой режим, остальные каскады продолжают работать в том же режиме, в каком работали ранее.

Если температура на аккумуляторе каскада поднимается выше заданного значения уставки (независимо от других каскадов), каскад переключается в режим активного отвода тепла.

Температурные уставки каждого каскада (верхняя и нижняя границы) и токи каскадов (активный и ключевой) предварительно задаются исходя из температуры окружающей среды, температуры, которую необходимо поддерживать на объекте, теплопритока на объект (либо внутреннего тепловыделения) при условии минимального потребления электрической энергии термоэлектрической батареей.

Активные и ключевые токи каждого каскада батареи и значения температурных уставок на тепловых аккумуляторах определяются из условия соблюдения теплового баланса между каскадами батареи в целом за цикл работы из системы уравнений (для общего случая N-ступенчатой батареи): где n - число термоэлектрических охлаждающих батарей; N - число каскадов в батарее; α_b - термо-эдс каскада; R_b - электрическое сопротивление каскада; σ_b - тепловое сопротивление каскада; η₀ - коэффициент теплопередачи от объекта к термоэлектрической батарее; η₁ - коэффициент теплопередачи теплорассеивающей системы от термоэлектрической батареи к окружающей среде;
W_i - электрическая мощность, потребляемая i-тым каскадом;
ε - холодильный коэффициент батареи.

Причем первоначально задаются значения температур с холодной (T₀) и горячей (T_N) сторон батареи и ее требуемая холодопроизводительность (Q₀). Систему уравнений решают численно методом итераций, варьируя параметры: I^a_i,I^k_i,T_i,ΔT_i. Из возможных получаемых значений выбирается оптимальный вариант из условия максимальности холодильного коэффициента.

Например, для трехступенчатой батареи при T₀=-22^oC, T_N=30^oC, Q₀=4,5 Вт оптимальные токи:
I_1a=0,85 A, I_2a=1,19 A, I_3a=1,94 A,
I_1k=0,57 A, I_2k=0,75 A, I_3k=1,06 A,
и температурные уставки:

обеспечивается холодильный коэффициент ε = 0,283.

Все эти предварительно рассчитываемые параметры обеспечиваются электронной схемой управления (фиг. 3.).

Процесс охлаждения по п.2 начинают с третьего (для случая трехкаскадной батареи), дальнего от охлаждаемого объекта каскада, который условно назовем "горячим", подавая на его клеммы напряжение, соответствующее току активного отвода тепла, а на остальные каскады - напряжения, соответствующие токам накопления тепла.

При работе третьего (горячего) каскада 7 (фиг. 2) в режиме активного отвода тепла в течение промежутка времени t₀-t₁ (фиг. 1) некоторое количество тепла, определяемое теплофизическими свойствами аккумулятора тепла 6, радиатора 8 и холодопроизводительностью этого каскада, а также длительностью этого промежутка времени, сбрасывается на внешний радиатор 8, а с него - в окружающее пространство. Об этом свидетельствует (фиг. 1) понижение во времени температуры T₃ аккумулятора 6 третьего каскада.

Аккумулятор 6 третьего каскада разряжается и таким образом подготавливается к приему тепла от предыдущего каскада батареи.

При этом логическое устройство 10 блока питания и управления обеспечивает работу первого и второго каскадов в режиме теплового ключа, компенсирующего переток тепла через эти каскады.

В момент времени t₁ охлаждения аккумулятора 6 третьего каскада до температуры T_3H блок питания и управления переключает третий каскад 7 в режим теплового ключа, а второй каскад 5 - в режим активного отвода тепла (фиг. 2).

При дальнейшей работе второго каскада в этом режиме в течение промежутка времени t₁-t₂ происходит наполнение разряженного аккумулятора тепла 6 тепловой энергией, передаваемой от аккумулятора тепла 4 второго каскада, аккумулятор 4 второго каскада охлаждается (разряжается), его температура понижается, аккумулятор тепла 6 третьего каскада нагревается (заряжается), и его температура постепенно повышается (фиг. 1).

В момент t₂ достижения аккумулятором тепла 4 второго каскада температуры T_2H блок питания и управления переключает второй каскад 5 в режим теплового ключа, а первый каскад 3 - в режим активного отвода тепла.

В момент t₃ достижения аккумулятором 6 третьего каскада температуры T_3B блок питания и управления снова переводит третий каскад в режим активного отвода тепла, а второй каскад - в режим теплового ключа, и эти режимы сохраняются до момента t₄ достижения аккумулятором 6 третьего каскада температуры T_3H. В этот момент третий каскад переключается в режим теплового ключа, разрешая тем самым работу второго и первого каскадов в режимах активного отвода тепла. При работе первого каскада батареи в режиме активного отвода тепла происходит заполнение разряженного аккумулятора тепла 4 второго каскада тепловой энергией от аккумулятора тепла 2 первого каскада, передаваемой ему путем теплоотдачи от охлаждаемого объекта 1; аккумулятор первого каскада и объект охлаждаются, а аккумулятор второго каскада нагревается. При этом одновременно продолжает нагреваться и аккумулятор тепла 6 третьего каскада.

Логическое устройство 10 блока питания и управления построено так, что переключение второго каскада в режим активного отвода тепла возможно только тогда, когда третий каскад находится в режиме ключа, а переключение первого каскада в режим активного отвода тепла возможно только тогда, когда второй и третий каскады термоэлектрической батареи находятся в режиме ключа одновременно. Таким образом в режиме активного отвода тепла трехкаскадной батареи всегда работает только один каскад, обеспечивая тем самым экономичный режим охлаждения.

Этот цикл повторяется до тех пор, пока охлаждаемый объект не достигнет заданной температуры T_об, а аккумуляторы первого, второго и третьего каскадов - температур T_1H, T_2H, T_3H, соответственно.

В этот момент все каскады перейдут в режим теплового ключа и будут находиться в этом состоянии до тех пор, пока температура охлаждаемого объекта не повысится настолько, что температура аккумулятора первого (холодного) каскада, непосредственно связанного с охлаждаемым объектом, не повысится до значения T_1B, или температура аккумуляторов второго или третьего каскадов не повысится до значений T_2B, T_3B, соответственно.

В случае наступления любого из этих событий цикл охлаждения снова повторяется, как описано выше, и температура нагревшегося аккумулятора снова начнет понижаться до заданного уровня. При этом температура охлаждаемого объекта поддерживается в заданных пределах, а термоэлектрическая батарея работает в установившемся режиме.

Функциональная схема электронного блока питания и управления трехкаскадной термоэлектрической батареей с промежуточными аккумуляторами тепла изображена на фиг. 3.

Блок состоит из источника питания 11, обеспечивающего все необходимые для работы напряжения питания, модуля управления 12, модуля источников тока 13 для каскадов термоэлектрической батареи.

Модуль управления 12 включает в себя три компаратора для первого 14, второго 15 и третьего 16 каскадов батареи; три задатчика температур аккумуляторов тепла 17, 18, 19 по одному для каждого компаратора; логическое устройство 10, содержащее 3 блокиратора режимов активного отвода тепла 20, 21, и 22, управляемые потенциалами логического "0" и логической "1", причем в цепи управления источником тока первого каскада 23 установлены блокираторы 20 и 21, управляемые потенциалами компараторов третьего 16 и второго 15 каскадов, а в цепи управления источником тока второго каскада 24 - только один блокиратор 22, управляемый потенциалом компаратора третьего каскада 16.

Модуль источников тока 13 содержит три источника постоянных стабилизированных токов для каждого каскада батареи 23, 24 и 25.

На входы компараторов подаются сигналы от датчиков температуры аккумуляторов тепла, которые сравниваются с сигналами задатчиков температуры 17, 18 и 19. При равенстве на входе компаратора сигналов от датчика температуры и задатчика, на выходе компаратора появляется потенциал логической "1", который производит переключение режимов работы соответствующего каскада батареи в режим теплового ключа. При превышении температуры соответствующего аккумулятора тепла значения температуры, установленного задатчиком, на выходе компаратора появляется потенциал логического "0", который включает соответствующий каскад батареи в режим активного отвода тепла.

При включении источника питания сигналы от датчиков температуры значительно отличаются от сигналов задатчиков, и компараторы выдают на входы источников тока потенциал логического "0", соответствующие токам режимов активного отвода тепла. Но при этом потенциал в цепи управления источником тока второго каскада 24 блокируется блокиратором 22, управляемым потенциалом логического "0" компаратора третьего каскада 16, а цепи управления источником тока первого каскада 23 - двумя блокираторами 20 и 22, управляемыми потенциалами логического "0" компараторов второго и третьего каскадов 15 и 16. Поэтому сигналы включения режима активного отвода тепла проходят только на источник тока третьего каскада 25, и он выдает на третий каскад соответствующий ток. Второй и первый каскады работают в режимах теплового ключа.

Как только температура аккумулятора 6 (фиг. 2) третьего каскада понизится до значения T_3H, уровень сигнала от его датчика температуры сравняется с уровнем сигнала задатчика температуры 9, на выходе компаратора 6 появляется потенциал логической "1", который переключает третий каскад батареи через источник тока 25 в режим теплового ключа и одновременно снимает блокировку по третьему каскаду блокираторов 20, 22 сигнала управления в цепях источников тока второго 24 и первого 23 каскадов. Второй каскад переключается в режим активного отвода тепла, а первый каскад остается в режиме теплового ключа.

Как только температура аккумулятора 4 (фиг. 2) второго каскада понизится до значения T_2H, уровень сигнала от его датчика температуры сравняется с уровнем сигнала задатчика температуры 18, на выходе компаратора 15 появится потенциал логической "1", который переключит источник тока 24 в режим выдачи токов теплового ключа и отключит блокиратор 21 в цепи управления источником тока 23. Второй каскад батареи переключится в режим теплового ключа. Если при этом третий каскад батареи продолжает находиться в режиме теплового ключа и, следовательно, цепь управления источником тока 23 первого каскада не заблокирована потенциалом логического "0" компаратора 16 третьего каскада, потенциал логического "0" с выхода компаратора 14 первого каскада проходит и переключает первый каскад термоэлектрической батареи в режим активного отвода тепла, в котором он будет работать до достижения его аккумулятором тепла 2 (фиг. 2) температуры T_1H или до включения в режим активного отвода тепла второго или третьего каскадов.

При достижении аккумулятором тепла первого каскада температуры T_1H первый каскад перейдет в режим теплового ключа и все каскады будут находиться в этом режиме до тех пор, пока температура какого-либо из аккумуляторов тепла не повысится настолько, что уровень сигнала от датчика его температуры превысит сигнал от соответствующего задатчика температуры, на выходе компаратора появится низкий потенциал логического "0" и переведет соответствующий каскад термоэлектрической батареи в режим активного отвода тепла.

При этом логика работы модуля управления 12 заключается в том, что активный режим работы более "горячего" каскада батареи блокирует активный режим более "холодного" каскада, в результате чего в активном режиме всегда работает только один каскад, и экономичность работы каскадной термоэлектрической батареи в целом существенно повышается.

Устройство отключения блокираторов 26 в составе модуля управления 12 позволяет отключить цепи блокировки и, при необходимости форсированного вывода устройства на стационарный режим, включить все каскады термоэлектрической батареи в режим активного отвода тепла одновременно.

При отключении цепей блокировки (или их отсутствия в составе упрощенного модуля управления) по достижении стационарного режима каждый каскад батареи переключается в режим теплового ключа или активного отвода тепла по сигналам своего датчика температуры независимо от режимов работы других каскадов, что обеспечивает способ работы термоэлектрической батареи по п. 1.

Формула изобретения

1. Способ охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей, основанный на порционном переносе тепла от объекта и от каскада к каскаду при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного тока с промежуточным накоплением тепла на тепловых аккумуляторах, отличающийся тем, что отвод тепла начинают одновременно на всех каскадах батареи, а переключение каскадов в режим накопления тепла на тепловых аккумуляторах проводят независимо друг от друга, исходя из соотношения заранее заданных уставок
T_{i уст1} ≥ T_{i аккум} ≥ T_{i уст2},
причем верхние и нижние границы температурных уставок задают в зависимости от требуемого значения температуры охлаждаемого объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отвод тепла начинают от горячего каскада в окружающую среду с последующим независимым включением каскадов в режим активного отвода и накопления тепла.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что более холодные каскады включают в режим отвода тепла после переключения более горячего каскада в режим накопления тепла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3