Термоэлектрическое холодильное устройство с аккумулятором холода

. Холодильное устройство включает термоэлектрический модуль, холодная сторона которого имеет тепловую связь с потребителем холода, по меньшей мере, два замкнутых гидравлических контуа, обеспечивающих охлаждение горячей стороны термоэлектрического модуля, один из которых имеет радиатор для сброса тепла в окружающую среду, а второй обеспечивает теплоотвод в аккумулятор холода, который выполнен в виде теплоизолированной емкости, заполненной рабочим телом, которое имеет температуру фазового перехода выше номинальной температуры окружающей среды, но ниже температуры, при которой обеспечиваются устойчивая работа термоэлектрического модуля. Технический результат изобретения заключается в обеспечении заданной холодопроизводительности и энергетической эффективности работы термоэлектрической холодильной установки и поддержании требуемой температуры потребителя при возможном периодическом повышении температуры окружающей среды выше номинальной.

 

Изобретение относится к области теплотехники, а именно к устройствам для термостатирования, и может использоваться для обеспечения работоспособности и точечного охлаждения отдельных элементов, располагаемых в больших помещениях или в других условиях, в случае невозможности или затруднения обеспечения их устойчивого взаимодействия с атмосферным воздухом, внешней окружающей средой, например, серверов датацентров.

Известно, что существует зависимость холодопроизводительности и энергоэффективности функционирования холодильных машин (в т.ч. и термоэлектрических) от разницы температур между потребителем и окружающей средой, в которую осуществляется сброс отводимого тепла [1]. При повышении разницы температур холодопроизводительность холодильной машины снижается, увеличивая затраты энергии на охлаждение потребителя и, следовательно, тепловыделения, подлежащие отводу от холодильного устройства в окружающую среду.

Известно термоэлектрическое охлаждающее устройство, в котором охлаждение горячей стороны рабочего элемента осуществляется жидким теплоносителем, циркулирующим в контуре с воздушным теплообменником, осуществляющим теплоотвод в окружающую среду [1]. Недостатком данного устройства является снижение холодопроизводительности и энергоэффективности термоэлектрического модуля при повышении температуры окружающей среды.

Известно использование охладителя с термобатареей, горячие спаи которой охлаждаются тающим льдом, т.е. за счет использования скрытой теплоты плавления фазового перехода [2], [3]. Недостатком данных устройств является сложность обеспечения постоянного наличия льда на горячих спаях в случае их размещения в помещениях с положительными температурами окружающей среды, что вызывает необходимость задействования дополнительных охлаждающих устройств.

Известны устройства, в которых для повышения холодопроизводительности термоэлектрической установки наряду с холодом, вырабатываемым термомодулем, используются запасы холода, аккумулированные в емкости, с замерзающей жидкостью [4], [5]. В данных устройствах аккумуляторы холода включены в контур непосредственного охлаждения потребителя, при этом тепло от горячего спая отводится в окружающую среду. Это обусловливает необходимость решения вопросов обеспечения работоспособности термоэлектрических элементов при различных температурах окружающей среды, а также введения дополнительных регулировочных элементов для обеспечения прецезионного охлаждения потребителя.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение заданной холодопроизводительности и энергетической эффективности работы термоэлектрической холодильной установки и поддержание требуемой температуры потребителя при возможном повышении температуры окружающей среды выше номинальной за счет гарантированного охлаждения горячей стороны термомодуля.

Технический результат достигается введением в состав термоэлектрической установки дополнительно, как минимум, двух замкнутых гидравлических контуров, обеспечивающих охлаждение горячей стороны термоэлектрического модуля, один из которых имеет радиатор для сброса тепла в окружающую среду, а второй обеспечивает теплоотвод в аккумулятор холода, выполненный в виде теплоизолированной емкости, заполненной рабочим телом, имеющим температуру фазового перехода выше номинальной температуры окружающей среды, но ниже температуры, при которой обеспечивается устойчивая работа термоэлектрического модуля. Правильный подбор температуры фазового перехода теплоаккумулирующего вещества в аккумуляторе холода (например, путем сочетания различных парафинов) позволяет обеспечить создание и предварительное поддержание его запасов без дополнительных охлаждающих устройств. Таким образом, обеспечивается поддержание в течение некоторого времени, определяемого объемами теплоаккумулирующего вещества, заданных холодопроизводительности и энергоэффективности термоэлектрической холодильной установки при повышении температуры окружающей среды.

Предлагаемое холодильное устройство содержит термоэлектрический модуль, по меньшей мере, два замкнутых гидравлических контура с соответствующей регулирующей и перекачивающей арматурой, радиатор для сброса тепла в окружающую среду, теплообменник, расположенный внутри аккумулятора холода, аккумулятор холода, выполненный в виде теплоизолированной емкости, заполненной теплоаккумулирующим веществом.

Устройство работает следующим образом.

При температуре окружающей среды, соответствующей нормальным условиям работы охлаждающего устройства, для охлаждения горячего спая термомодуля задействуется контур с радиатором, осуществляющим сброс тепла в окружающую среду. При повышении температуры окружающей среды выше допустимой (по условиям работы термомодуля) охлаждение горячей стороны осуществляется путем прокачки теплоносителя по контуру, содержащему аккумулятор холода.

Это позволяет обеспечить требуемые холодопроизводительность и энергоэффективность охлаждающего устройства при различных температурах окружающей среды.

Источники информации

1. Анатычук Л.И. «Термоэлементы и термоэлектрические устройства», Справочник. - Киев, Наукова думка, 1979, 768 с.

2. Абдулаев Г.Б., Кулиев А.З., Грядунов А.И. и др. Трансортный термоэлектрический микротермостат «Холод-2», Проспект. - Баку, СХБ Ин-та физики АН Аз ССР, 1967, 2 с.

3. Иосифеску К. Применение полупроводниковых приборов охлаждения в медицине. - ХТТ, 1968, №6.

4. Гусев В.Н. (RU) и др. Охладитель молока с аккумулятором холода. Патент №2175833 С2, МПК⁷ A01J 9/04, F25D 3/00, F25B 21/0212.

5. Мерзляков В.Г. (RU). Установка для охлаждения. Патент №2073819 С1, МПК⁶ F25D 3/00, F25D 7/00 (12), опубликовано 20.02.1997.

Холодильное устройство, включающее термоэлектрический модуль, холодная сторона которого имеет тепловую связь с потребителем холода, по меньшей мере, два замкнутых гидравлических контура с соответствующей регулирующей и перекачивающей арматурой, обеспечивающих охлаждение горячей стороны термоэлектрического модуля, один из упомянутых гидравлических контуров имеет радиатор для сброса тепла в окружающую среду, во второй гидравлический контур включен теплообменник, расположенный внутри аккумулятора холода, выполненного в виде теплоизолированной емкости, заполненной рабочим телом, которое имеет температуру фазового перехода выше номинальной температуры окружающей среды, но ниже температуры, при которой обеспечиваются устойчивая работа и заданная холодопроизводительность термоэлектрического модуля.