Термоэлектрический генератор

 

Изобретение относится к установкам для производства тепла или холода и предназначено для использования преимущественно в транспортных кондиционерах воздуха. Генератор содержит установленные друг над другом плоские бачки, выполненные с входными и выходными патрубками, а также направляющими каналами для жидкого теплоносителя. Бачки гидравлически соединены в рабочий (холодный) и вспомогательный (горячий) контура циркуляции теплоносителя. В состав устройства входят также термоэлементы с плоскими теплопередающими поверхностями, уложенные между бачками на эластичных теплопроводящих прокладках и подключенные к источнику электропитания. Соединительные шпильки пропущены через бачки изолированно от теплоносителя и распределены по плоскости с обеспечением равномерного стягивания бачков и термоэлементов в единый пакет. Охлажденная в бачках рабочего контура жидкость может быть использована для охлаждения воздуха, например, в салоне автомобиля с помощью дополнительного теплообменника и вентилятора. Технический результат генератора характеризуется упрощенной конструкцией и улучшенными удельными характеристиками. 10 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к установкам для производства тепла или холода и предназначено для использования преимущественно в транспортных кондиционерах воздуха. Вместе с тем оно успешно может быть применено в стационарных системах кондиционирования (в том числе и в бытовых кондиционерах), в холодильном оборудовании разного назначения, системах локального охлаждения и обогрева рабочих мест операторов в промышленности и на транспорте, а также для охлаждения силовых элементов в электрическом оборудовании и тепловыделяющих элементов в радиоэлектронных устройствах.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) в настоящее время получили широкое распространение, поскольку имеют существенные преимущества по сравнению с традиционными генераторами тепла и холода, например независимость работы от ориентации в пространстве, экологически чистый физический принцип функционирования, сохранение работоспособности при значительных вибрациях и перегрузках, а также в невесомости и т.д.

Эффективность работы ТЭГ определяется его способностью в наиболее полной мере передавать тепло и холод, выделяемые на поверхности термоэлементов, для их дальнейшего использования в теплообменниках рабочего (холодного) контура и сброса побочной тепловой энергии в окружающую среду через теплообменники вспомогательного (горячего) контура.

В ТЭГ жидкостного типа в качестве промежуточного теплоносителя используется вода или антифриз, циркулирующие в контурах. Обычно ТЭГ выполняются по традиционной схеме, в которой термоэлементы зажимаются между теплопередающими поверхностями жидкостных бачков с тем, чтобы одна из них отводила холод, а другая - выделяемое тепло. В связи с этим эффективность работы ТЭГ зависит от качества механического контакта поверхностей термоэлементов и бачков.

Известны ТЭГ, содержащие теплообменники, по крайней мере, один из которых выполнен в виде заполненного жидкостью резервуара, термоэлементы, уложенные между поверхностями теплообменников, и средства для прижимания термоэлементов к теплообменникам (SU 1764094 A1, H 01 L 35/02, 23.09.92; RU 2018196 C1, H 01 L 35/22, 15.08.94).

Недостатки известных устройств связаны с ограниченной областью практического применения, обусловленной невозможностью широкого изменения мощностных характеристик вследствие использования в конструкции единичных резервуаров и с неудовлетворительными массогабаритными показателями.

Наиболее близким к предложенному является ТЭГ, содержащий установленные в матрицу трубчатые бачки с жидким теплоносителем, окруженные радиаторами, сочлененные между собой изогнутыми трубками и гидравлически соединенные группами в рабочий и вспомогательный контура циркуляции теплоносителя с раздельным восприятием тепла и холода, термоэлементы, уложенные между радиаторами бачков и подключенные к источнику электропитания, соединительные шпильки, пропущенные в свободном пространстве со стягиванием бачков в единый монтажный узел (US 4499329 А, H 01 L 35/28, 12.02.85).

Недостаток указанного устройства определяется значительной сложностью конструкции. Для создания ТЭГ мощностью от 1,5 кВт и выше требуется большое количество узких бачков или значительное увеличение их длины с целью размещения необходимого числа термоэлементов.

Задачей изобретения является конструктивное упрощение ТЭГ с одновременным улучшением удельных характеристик.

Поставленная задача решается тем, что термоэлектрический генератор содержит установленные друг над другом плоские бачки, выполненные с входными и выходными патрубками, а также направляющими каналами для жидкого теплоносителя и гидравлически соединенные группами в рабочий и вспомогательный контура циркуляции теплоносителя с раздельным восприятием тепла и холода, термоэлементы с плоскими теплопередающими поверхностями, уложенные между бачками на эластичных теплопроводящих прокладках и подключенные к источнику электропитания, соединительные шпильки, пропущенные через бачки изолированно от теплоносителя и распределенные по плоскости с обеспечением равномерного стягивания бачков и термоэлементов в единый пакет.

Решению поставленной задачи способствует ряд частных существенных признаков изобретения.

Бачки являются сборными, состоят из рамок и крышек с герметичными сквозными отверстиями для свободного перемещения шпилек, при этом поверхности бачков, контактирующие с термоэлементами, выполнены из теплопроводящего материала, а рамки - из твердого материала с той же или меньшей теплопроводностью.

Рамка и одна из крышек могут быть выполнены как единое целое.

Направляющие каналы бачков образованы с помощью внутренних перегородок, выполненных за одно целое с рамками или отдельно от них при той же высоте с закреплением на крышках, при этом ширина перегородок и боковых стенок рамок, расположенных вокруг отверстий под шпильки, выбрана с обеспечением надежной герметизации бачков при установке крышек.

В широких каналах, при необходимости размещения шпилек вне перегородок, могут использоваться бобышки со сквозными отверстиями под шпильки, герметично установленные между крышками внутри бачков.

Входные и выходные патрубки каждого бачка расположены у одной из боковых сторон на противоположных плоских поверхностях и имеют проходное сечение, примерно равное проходному сечению направляющего канала.

Соседние бачки установлены с взаимным сдвигом, а гидравлическое соединение бачков рабочего и вспомогательного контуров выполнено на противоположных торцах пакета.

Входные и выходные патрубки соседних бачков каждого контура расположены на одной оси и соединены между собой при помощи отрезка эластичного шланга, длина которого выбрана не превышающей расстояния между опорными фланцами патрубков, а при размещении фланцев внутри бачков - не превышающей расстояния между плоскими поверхностями соединяемых бачков.

Соединяемые патрубки бачков имеют высоту, меньшую половины расстояния между бачками на величину, обеспечивающую гарантированный зазор между торцами патрубков при стягивании шпильками в пакет.

Бачки могут быть выполнены с дополнительными турбулизаторами потока жидкости.

Эластичные термопроводящие прокладки могут быть выполнены из аморфного материала.

На фиг. 1, 2 и 3 представлены разрезы конструкции предложенного ТЭГ с видами соответственно спереди, сверху и сбоку, а на фиг. 4 приведена принятая схема гидравлических соединений.

ТЭГ состоит из бачков 1 рабочего (холодного) 2 и вспомогательного (горячего) 3 жидкостных контуров (контуров циркуляции теплоносителя), между которыми уложены термоэлементы 4 с плоскими теплопередающими поверхностями. Для компенсации разброса высоты термоэлементов 4 (в пределах до 0,5 мм) между поверхностями бачков 1 и термоэлементов 4 нанесены тонкие слои эластичной теплопроводящей пасты, в том числе из аморфного вещества.

Электрические провода от термоэлементов 4 (не показаны) могут быть выведены наружу, т.к. имеют диаметр, меньший высоты термоэлементов 4.

Внутри бачков 1 предусмотрены одна или несколько незамкнутых перегородок 5, позволяющих получить заданное направление течения жидкости или число заходов. Ширина перегородок 5 и наружных стенок рамок 6 определяется диаметром сквозных отверстий под шпильки 7 и достаточностью поверхности для уплотнения (герметизации) внутренней полости бачков 1 плотно прижатыми крышками. Бачки 1 собираются отдельно, причем крышки могут устанавливаться на прокладки или слои герметизирующей пасты.

Входные 8 и выходные 9 патрубки в бачках 1 расположены у одной из боковых сторон на противоположных плоских поверхностях (крышках). Это обеспечивает возможность сборки пакета за счет взаимного сдвига бачков 1 контуров 2 и 3.

Следует отметить, что конструктивно возможна и сборка бачков 1 из двух (не считая патрубков 8, 9) основных элементов: одной крышки и остальной цельной части (например, цельнофрезерованной или цельноштампованной), что позволяет сократить число герметизируемых соединений. Однако в принятой и отображенной на фиг. 1-3 конструкции рамка 6, к которой крепятся крышки, может быть изготовлена из менее теплопроводного материала (например, пластмассы), что дает возможность удешевить производство, снизить вес конструкции и уменьшить теплопотери с боковых сторон бачков 1.

Гидравлические тракты бачков 1 соответственно рабочего 2 и вспомогательного 3 контуров внутри ТЭГ соединены при помощи гибких шлангов 10, стянутых хомутами 11. Между торцами соединяемых патрубков, расположенных на одной оси, должен предусматриваться зазор, достаточный для стягивания пакета. Пакет из бачков 1 и термоэлементов 4 стягивается при помощи шпилек 7 и гаек 12. Усилие затяжки должно быть равномерным и достаточным для плотного прижатия контактирующих теплопередающих поверхностей. Шпильки 7 могут свободно перемещаться в сквозных отверстиях бачков 1, что обеспечивает подвижность бачков 1 при стяжке и при усадке эластичной теплопроводящей пасты.

Равномерное стягивание бачков 1 и термоэлементов 4 в пакет обеспечивает выдавливание излишков теплопроводящей пасты и уменьшение ее толщины на теплопереходах. Важно подчеркнуть, что в известных конструкциях это достигается только при использовании плоских бачков 1 небольшой ширины при внешнем расположении стягивающих шпилек 7 ("бандаж").

Предложенный TЭГ, являющийся "тепловым насосом", работает следующим образом.

При подведении к термоэлементам 4 электрического тока на одной из их коммутационных пластин имеет место выделение тепла, а на другой - его поглощение (эффект Пельтье). Термоэлементы 4 установлены в контакте с бачками 1 и подключены к источнику электропитания таким образом, что холодным (рабочим) в данном случае является жидкостной контур 2, а горячим (вспомогательным)- жидкостной контур 3. В бачках 1 указанных контуров осуществляется соответственно охлаждение и нагрев циркулирующего в них теплоносителя.

Внутри бачков 1 перемещение теплоносителя задается направляющими каналами с перегородками 5, которые обеспечивают возможность расположения входного 8 и выходного 9 патрубков каждого бачка 1 возле одной из боковых сторон. В бачки 1 для повышения эффективности теплообмена могут быть введены дополнительные турбулизаторы потока жидкости.

Охлажденная в бачках 1 рабочего контура ТЭГ жидкость может быть использована для охлаждения воздуха, например, в салоне автомобиля с помощью дополнительного теплообменника и вентилятора. Тепло, полученное в бачках 1 вспомогательного контура ТЭГ, может быть сброшено или использовано для нагрева какого-либо оборудования также с помощью дополнительного теплообменника и вентилятора.

Для задания и поддержания нужной температуры охлаждения может быть применен специальный регулирующий (термостатирующий) орган, выполненный, например, на полупроводниковой базе с датчиком и задатчиком температуры.

Создание ТЭГ большой мощности предопределяет увеличение теплопередающих поверхностей плоских бачков 1. В случае, когда хотя бы одна из этих поверхностей контактирует внешней стороной с жидким теплоносителем, равномерное стягивание пакета со значительной площадью поверхности вызывает значительные трудности, поскольку стягивающие шпильки 7 должны иметь надежное уплотнение в местах прохода через крышки бачков 1. При этом уплотнения должны не только компенсировать перемещение бачков 1 и шпилек 7 при сборке, но и выдерживать значительные давления циркулирующей жидкости в широком диапазоне температур (от -50 до 100^oC).

Указанная проблема успешно снимается в настоящем техническом решении, в котором осуществляется равномерная стяжка бачков 1 с жидким теплоносителем и термоэлементов 4 в единый пакет при обеспечении герметичности жидкостных трактов с проходящими через бачки шпильками 7 независимо от площади плоских поверхностей и конфигурации бачков 1. Условием равномерной стяжки является конструктивная возможность герметичной установки стягивающих шпилек 7, проходящих через бачки 1 в любом месте их рабочей площади, определяемом конструктивной необходимостью.

Формула изобретения

1. Термоэлектрический генератор, содержащий установленные друг над другом плоские бачки, выполненные с входными и выходными патрубками, а также направляющими каналами для жидкого теплоносителя и гидравлически соединенные группами в рабочий и вспомогательный контура циркуляции теплоносителя с раздельным восприятием тепла и холода, термоэлементы с плоскими теплопередающими поверхностями, уложенные между бачками на эластичных теплопроводящих прокладках и подключенные к источнику электропитания, соединительные шпильки, пропущенные через бачки изолированно от теплоносителя и распределенные по плоскости с обеспечением равномерного стягивания бачков и термоэлементов в единый пакет.

2. Термоэлектрический генератор по п.1, в котором бачки являются сборными, состоят из рамок и крышек с герметичными сквозными отверстиями для свободного перемещения шпилек, при этом поверхности бачков, контактирующие с термоэлементами, выполнены из теплопроводящего материала, а рамки - из твердого материала с той же или меньшей теплопроводностью.

3. Термоэлектрический генератор по п.2, в котором рамка и одна из крышек выполнены как единое целое.

4. Термоэлектрический генератор по п.2 или 3, в котором направляющие каналы бачков образованы с помощью внутренних перегородок, выполненных за одно целое с рамками или отдельно от них при той же высоте с закреплением на крышках, при этом ширина перегородок и боковых стенок рамок, расположенных вокруг отверстий под шпильки, выбрана с обеспечением надежной герметизации бачков при установке крышек.

5. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1 - 4, в котором сквозные отверстия бачков под шпильки выполнены в бобышках, закрепленных на крышках отдельно от внутренних перегородок.

6. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1 - 5, в котором входные и выходные патрубки каждого бачка расположены у одной из боковых сторон на противоположных плоских поверхностях и имеют проходное сечение, примерно равное проходному сечению направляющего канала.

7. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1 - 6, в котором соседние бачки установлены с взаимным сдвигом, а гидравлическое соединение бачков рабочего и вспомогательного контуров выполнено на противоположных торцах пакета.

8. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1 - 7, в котором входные и выходные патрубки соседних бачков каждого контура расположены на одной оси и соединены между собой при помощи отрезка эластичного шланга, длина которого выбрана не превышающей расстояния между опорными фланцами патрубков, а при размещении фланцев внутри бачков - не превышающей расстояния между плоскими поверхностями соединяемых бачков.

9. Термоэлектрический генератор по п.8, в котором соединяемые патрубки бачков имеют высоту, меньшую половины расстояния между бачками на величину, обеспечивающую гарантированный зазор между торцами патрубков при стягивании шпильками в пакет.

10. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1 - 9, в котором бачки выполнены с дополнительными турбулизаторами потока жидкости.

11. Термоэлектрический генератор по любому из пп.1 - 10, в котором эластичные термопроводящие прокладки выполнены из аморфного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4