Способ охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей

 

Использование: холодильная техника, а именно, охлаждение объекта каскадной термоэлектрической батареей. Сущность изобретения: охлаждение объекта каскадной термоэлектрической батареей основан на дискретном переносе тепла от объекта от каскада к каскаду с промежуточным накоплением тепла на тепловых аккумуляторах при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока. Работу каждого каскада ведут в режимах номинальной холодопроизводительности и теплового ключа, а длительность временных интервалов этих режимов и силы токов через каскады регулируют в процессе выхода на стационарный режим в зависимости от температур объекта и тепловых аккумуляторов. 3 ил.

Изобретение относится к холодильной технике, конкретнее к малогабаритным термоэлектрическим охладителям и может быть использовано при создании бытовых, медицинских и специальных термоэлектрических охлаждающих приборов.

Известен способ термоэлектрического охлаждения, основанный на эффекте Пельтье, при котором при пропускании тока через термоэлемент его один спай нагревается, а другой охлаждается (см. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы АН СССР, 1987, с. 7-11).

Для получения достаточной степени охлаждения исполнительные термоэлементы соединяют в последовательную цепь, образуя термоэлектрическую батарею. Реализация этого способа обуславливает однако резкое уменьшение холодильного коэффициента, определяемого отношением отводимого теплового потока к потребляемой электрической мощности, при увеличении перепада температур между горячими и холодными спаями термобатареи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ охлаждения, основанный на использовании каскадной термоэлектрической батареи (см. авт.св. СССР N 322821, 1971). Данный способ состоит в том, что перенос тепла от объекта осуществляется от каскада к каскаду при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока до выхода ее на стационарный режим работы.

Холодные спаи первого каскада отводят тепловой поток от охлаждаемого объекта, который в совокупности с потребляемой этим каскадом электрической мощностью передается на холодные спаи второго каскада. Тепловой поток, отводимый от охлаждаемого объекта, поступает на холодные спаи третьего каскада уже в совокупности с суммарной электрической мощностью, потребляемой первым и вторым каскадом батареи и т.д. Таким образом, каждый последующий каскад батареи, электрически соединенный с предшествующим ему каскадом, должен обладать по сравнению с ним большей холодопроизводительностью. В связи с этим повышение холодопроизводительности каскадной батареи сопряжено с резким увеличением количества дефицитных полупроводниковых материалов. Электрическая мощность, потребляемая каскадной термоэлектрической батареей, представляет собой сумму электрических мощностей, потребляемых каждым ее каскадом.

Применение указанного способа охлаждения в виде сравнительно меньшего энергопотребления целесообразно при необходимости получения относительно небольших перепадов температур (порядка 30^оС) между горячими и холодными спаями термоэлектрической батареи.

Стремление увеличить этот перепад температур до 50^оС и более путем увеличения каскадов приводит к резкому возрастанию потребляемой электрической мощности. Поэтому использование термоэлектрических батарей с количеством каскадов более трех считается непрактичным и в большинстве случаев является технически трудно осуществимой задачей.

Задача, решаемая изобретением, состоит в создании способа охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей, лишенного недостатков прототипа.

Технический результат, который дает осуществление изобретения заключается в повышении холодильного коэффициента при одновременном уменьшении расхода полупроводниковых термоэлектрических материалов.

Это достигается тем, что в способе охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей путем переноса тепла от объекта при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока до выхода ее на стационарный режим работы перенос тепла ведут дискретно от каскада к каскаду с промежуточным накоплением тепла на тепловых аккумуляторах, причем работу каждого каскада ведут в режимах номинальной холодопроизводительности и теплового ключа, а длительности временных интервалов этих режимов и силы токов через каскады регулируют в процессе выхода на стационарный режим в зависимости от температур объекта и тепловых аккумуляторов. Достигаемый технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.

Отличительными признаками способа охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей является то, что перенос тепла ведут дискретно от каскада к каскаду с промежуточным накоплением тепла на тепловых аккумуляторах, причем работу каждого каскада ведут в режимах номинальной холодопроизводительности и теплового ключа, а длительности временных интервалов этих режимов и силы токов через каскады регулируют в процессе выхода на стационарный режим в зависимости от температур объекта и тепловых аккумуляторов.

На фиг.1 представлена конструктивная схема устройства для охлаждения объекта в соответствии с предлагаемым способом охлаждения.

На фиг.2 приведена циклограмма работы трехкаскадной батареи с промежуточными аккумуляторами тепла при установившемся режиме отвода тепла от охлаждаемого объекта. На фигуре также приводится характерное изменение во времени температур аккумуляторов тепла при работе каскадов батареи в режимах активного отвода тепла и теплового ключа.

На фиг. 3 представлен пример функциональной схемы питания и управления процессом охлаждения объекта при реализации предлагаемого способа охлаждения с использованием устройства, изображенного на фиг.1.

В соответствии с предлагаемым способом охлаждения перенос тепла многокаскадной термоэлектрической батареей с промежуточными аккумуляторами тепла и электрически независимыми каскадами происходит следующим образом.

При работе первого наиболее холодного каскада батареи в режиме активного отвода тепла в течение промежутка времени Δτ_1-i(см. фиг.2) некоторое количество тепла, определяемое теплофизическими свойствами аккумулятора тепла и холодопроизводительностью этого каскада, а также длительностью промежутка времени Δτ_1-i сбрасывается в аккумулятор тепла следующего за ним второго каскада батареи. Об этом свидетельствует (см. фиг.2) уменьшение во времени температуры аккумулятора тепла второго каскада, находящегося в течение промежутка времени Δτ_1-i в режиме теплового ключа, компенсирующее обратный переток тепла через термоэлементы и тепловую изоляцию второго каскада батареи. В момент окончания промежутка времени Δτ_1-i второй каскад переходит в режим активного отвода тепла, накопленного в его аккумуляторе тепла, а первый каскад батареи переходит в режим теплового ключа. При последующей работе первого каскада батареи в этом режиме в течение промежутка времени Δτ_1-2 происходит заполнение разряженного аккумулятора тепла этого каскада тепловой энергией, передаваемой ему путем теплоотдачи от охлаждаемого объекта.

Аналогичным образом осуществляется перенос тепла вторым и последующим каскадами батареи (см. фиг.2) в течение всего процесса охлаждения объекта. В свою очередь происходит понижение средних значений и амплитуд колебаний температур аккумуляторов тепла каскадной батареи в режимах активного отвода тепла и теплового ключа до выхода батареи на установившийся режим работы, который характеризуется постоянством во времени значений указанных параметров.

Для получения установившегося режима отвода тепла от охлаждаемого объекта, соответствующего требуемому значению температуры охлаждаемого объекта с минимальным значением потребляемой мощности необходим соответствующий подбор длительности промежутка времени Δτ_i.1 и Δτ_i.2 работы каскадов батареи в режимах активного отвода тепла и теплового ключа и значений токов I_c.i и I_k.i, потребляемых ими в этих режимах. При этом увеличение тока I_с.i или длительности промежутка времени Δτ_i.1 для i-го каскада батареи приводит к понижению установившегося среднего значения температур аккумуляторов тепла этого каскада, но только при соответствующем увеличении длительностей промежутков времени Δτ_i.1 или токов I_с.i потребления последующих каскадов батареи в режиме активного отвода тепла и общей длительности Δτ_i-1+Δτ_i-2 циклов их работы.

Следует отметить, что в предлагаемом способе охлаждения при установленных значениях токов I_с.i и I_k.i потребления каждого i-го каскада батареи, в отличие от известного способа охлаждения, имеется возможность вывода батареи на установившийся режим работы с оптимальными значениями холодопроизводительности и потребляемой электрической мощности путем подбора соответствующих длительностей промежутков времени Δτ_i.1 и Δτ_i.2 для каждого i-го каскада батареи. В совокупности с этим фактором возможность независимого регулирования значений I_c.i и I_k.i и токов потребления i-го каскада батареи позволяет осуществлять отвод тепла от охлаждаемого объекта с практически одинаковыми значениями холодопроизводительности Q_o.i каскадов батареи в режимах активного отвода тепла. Это приводит к использованию одинакового количества термоэлементов в каждом каскаде батарей, что обеспечивает существенное уменьшение расхода дефицитных полупроводниковых материалов по сравнению с известным способом охлаждения объекта каскадной термоэлектрической батареей.

Как видно из циклограммы, приведенной на фиг.2, среднее значение электрической мощности, потребляемой в установившемся режиме охлаждения объекта, определяется равенством где Δτ_e= Δτ_i.1 +Δτ_1.2 длительность цикла работы первого и каждого последующего каскада батареи.

При этом в любой момент времени только один каскад батареи работает в режиме активного отвода тепла с максимальным потреблением электрической мощности. В связи с этим при использовании предлагаемого способа охлаждения достигается существенное уменьшение потребляемой электрической энергии, а значит повышение холодильного коэффициента многокаскадной батареи по сравнению с известным способом охлаждения, основанном на ее использовании.

В соответствии с конструктивной схемой устройства для реализации предлагаемого способа охлаждения, приведенной на фиг.1, охлаждаемый объект 1 находится в теплообмене с аккумулятором тепла 2 первого теплоотводящего каскада батареи, выполненным, например, в виде теплопроводящей плиты с оребренной тепловоспринимающей поверхностью. Этот аккумулятор тепла находится в тепловом контакте с холодными спаями термоэлементов 3 первого каскада батареи.

Горячие спаи указанных термоэлементов находятся в тепловом контакте с аккумулятором тепла 4, выполненным, например, в виде теплопроводной плиты, которая также имеет тепловой контакт с холодными спаями термоэлементов 5 этого каскада батареи. Горячие спаи термоэлементов 5 находятся в тепловом контакте с аккумулятором тепла 6 третьего каскада батареи, выполненным, например, также в виде теплопроводной плиты. Аккумулятор тепла 6 имеет тепловой контакт также с холодными спаями термоэлементов 7 третьего каскада батареи, горячие спаи которых находятся в тепловом контакте с теплопроводящим радиатором 8, выполненным, например, в виде оребренной теплопроводной плиты. Каждый из указанных аккумуляторов тепла имеет датчик 9 температуры, зазоры между аккумуляторами тепла 2,4 и 6 заполнены тепловой изоляцией 10. В свою очередь охлаждаемый объект 1 и термоэлектрическая батарея окружены тепловой изоляцией 11.

Применительно к описанному устройству функциональная схема питания током каскадов батареи и управления ее работой в соответствии с предлагаемым способом охлаждения, приведенная на фиг.3 содержит три регулируемых источника постоянного стабилизированного тока первого, второго и третьего каскадов батареи, соответственно 1, 2 и 3. Каждый i-ый источник постоянного стабилизированного тока имеет входы i₅; i₆ напряжения питания U, выходы i₁, i₂ постоянного стабилизированного тока i-го каскада термоэлектрической батареи и информационные входы i₃, i₄ для датчика температуры аккумулятора тепла этого каскада батареи. В состав каждого i-го источника постоянного стабилизированного тока входят: импульсный стабилизатор тока σ_i триммер RA_i, RC_i ручная регулировка тока, двухпозиционный ключ S_i, компаратор С_i и таймер Т_i. Входы IN и выходы OUT указанных таймеров источников 1,2 и 3 постоянного стабилизированного тока определенным образом соединены между собой (см. фиг.3). Выход OUT таймера Т1 соединен со входом IN таймера Т2, выход OUT таймера Т2 соединен со входом IN таймера Т3, а выход OUТ таймера Т3 подключен ко входу IN таймера Т1, тем самым замыкая кольцо. Управляющий вход STOP таймера Т_i каждого i-го источника постоянного стабилизированного тока соединен с выходом компаратора С_i, а управляющий выход таймера Т_i подключен к управляющему входу двухпозиционного ключа S_i, который также, как и триммеры RA_i, RC_i, подключен к управляющим входам импульсного стабилизатора σ_i тока.

В соответствии с предлагаемым способом охлаждения описанная схема после подключения клемм каждого i-го каскада батареи и выходов датчика температуры его аккумулятора тепла соответственно к выходам i₁, i₂ и τ₃, i₄ i-го источника постоянного стабилизированного тока и подачи напряжения питания U работает следующим образом.

Таймер Т1 источника (см. фиг.3) постоянного стабилизированного тока первого каскада батареи посредством ключа S₁ переводит стабилизатор σ₁ в состояние, соответствующее работе этого каскада в режиме активного отвода тепла. При этом напряжение питания U указанным стабилизатором σ₁ преобразуется в стабилизированный ток через первый каскад батареи. Триммером RА₁ вручную устанавливается значение тока I_к.1 через термоэлементы первого каскада батареи, соответствующее режиму активного отвода тепла этим каскадом. В момент подачи напряжения питания U таймеры Т2 и Т3 посредством ключей S₂ и S₃ подключают к управляющим входам стабилизаторов σ₂ и σ₃ соответственно триммеры RC₂ и RC₃, которыми вручную устанавливаются значения токов через термоэлементы второго и третьего каскадов батареи, соответствующие режимам теплового ключа этих каскадов соответственно I_k.2 и I_k.3.

В момент окончания промежутка времени Δτ_2.1 после подачи напряжения питания U, заданного таймером Т1, ключ S₁ подключает триммер RC₁ к управляющим входам стабилизатора σ₁, в результате чего первый каскад батареи переключается на работу в режиме теплового ключа, а на выходе OUT этого таймера образуется сигнал, который поступает на вход IN таймера Т2. Этот таймер изменяет состояние ключа S₂, который подключает триммер RA₂ к управляющим входам стабилизатора σ₂, отключая от них триммер RC₂. В результате второй каскад батареи из режима теплового ключа переводится на работу в режим активного отвода тепла. Триммером RC₁ устанавливается значение тока I_k.1, соответствующее работе первого каскада батареи в режиме теплового ключа, а триммером RA₂ устанавливается значение тока I_o.2 через термоэлементы второго каскада батареи, соответствующее режиму активного отвода тепла этим каскадом.

В момент окончания последующего промежутка времени ΔτI_2.1, заданного таймером Т2, этот таймер изменяет состояние ключа S₂, который подключает снова триммер RC₂ к управляющим входам стабилизатора σ₂, отключая от них триммер RA₂. При этом второй каскад батареи снова переводится на работу в режиме теплового ключа, а на выходе OUT таймера Т2 образуется сигнал, поступающий на вход IN таймера Т3. Этот сигнал приводит к тому, что таймер Т3 изменяет состояние ключа S₃, который подключает триммер RA₃ к управляющим входам стабилизатора σ₃, отключая от них триммер RC₃. В результате третий каскад батареи из режима теплового ключа переводится на работу в режиме активного отвода тепла. Триммером RA₃ устанавливается значение тока I_o,3 через термоэлементы третьего каскада батареи, соответствующее режиму активного отвода тепла этим каскадом. В момент окончания последующего промежутка времени Δτ_3.i заданного таймером Т3, этот таймер изменяет состояние ключа S₃, который подключает снова триммер RC₃ к управляющим входам стабилизатора σ₃, отключая от них триммер РА₃. При этом третий каскад батареи снова переводится на работу в режиме теплового ключа, а на выходе ОUT таймера Т3 образуется сигнал, поступающий на вход IN таймера Т1. Этот сигнал приводит к тому, что первый каскад батареи снова переводится на работу в режиме активного отвода тепла из режима теплового ключа. Далее описанный выше цикл работы схемы питания токов каскадов батареи и управления ее работой непрерывно повторяется при установленных значениях токов I_о.i и I_k.i потребления каждого i-го каскада и заданных таймерами Т1, Т2, Т3 значениях временных интервалов Δτ_i.1. Сигнал с датчика температуры аккумулятора тепла каждого i-го каскада батареи непрерывно поступает на вход компаратора С_i i-го источника постоянного стабилизированного тока и сравнивается с заданной в компараторе установкой, соответствующей требуемому минимальному значению T_{i min} температуры аккумулятора тепла i-го каскада батареи в режиме активного отвода тепла. При этом, если выполняется условие T_i.τ ≅ T_{i min}, где T_i.τ текущее значение температуры аккумулятора тепла, на выходе компаратора С_i появляется сигнал, который передается на вход STOP таймера. В результате таймер Т_i переводит ключ S_i в состояние, соответствующее работе i-го каскада батареи в режиме теплового ключа.

Таким образом осуществляется автоматическое определение оптимальных значений Δτ_1.i, Δτ_2.i и Δτ_3.i временных интервалов работы каскадов батареи в режиме активного отвода тепла, соответствующих установленным значениям I_o.i потребляемых ими токов в этом режиме, необходимых для получения установившегося режима работы батареи с соответствующим этим токам минимального значения потребляемой электрической мощности.

Для реализации способа охлаждения между каскадами батареи устанавливают теплопроводные аккумуляторы тепла с датчиками температуры на каждом из них, количество термоэлементов во всех каскадах батареи, начиная со второго теплоотводящего каскада, делают одинаковым и равным числу термоэлементов в первом теплоотводящем каскаде, не нарушая последовательного соединения термоэлементов в каждом каскаде, разрывают электрические связи между каскадами батареи, клеммы каждого i-го каскада батареи подключают к отдельному регулируемому источнику постоянного стабилизированного тока, для каждого i-го каскада батареи задаются значениями Δτ_i.1 и Δτ_i-2 временных интервалов соответственно режима активного отвода тепла термоэлементами этого каскада при потребляемом ими токе I_o.i и режима теплового ключа при потребляемом термоэлементами токе I_k.1 из условий Δτ_(i+1) > Δτ_i.1 и того, что для каждого i-го каскада, начиная со второго теплоотводящего каскада батареи должно выполняться равенство Δτ_i.1+ Δτ_i.2= Δτ_i.1+ +Δτ_i.2, задаются значениями I_o.i и I_k.i (0,2 0,4) I_o.i токов потребления для каждого i-го каскада батареи, через первый каскад батареи пропускают ток I_o.i, а через все последующие каскады батареи в то же время пропускают токи I_k.i. В момент окончания промежутка времени Δτ_1.i ток через первый каскад батареи уменьшают до значения I_k.1, а ток через второй каскад батареи увеличивают до значения I_0,2, в момент окончания последующего промежутка Δτ_2.1 времени ток I_0,2 через второй каскад батареи снова уменьшают до значения I_k.2, а ток через третий каскад батареи увеличивают до значения I_0,3. Аналогично осуществляют последовательное во времени и по высоте батареи переключение режимов работы каскадов батареи до момента времени Δτ_i.1 + +Δτ_i-2 осуществляют непрерывное повторение указанных циклов работы каскадов батареи и постоянный контроль температур их аккумуляторов тепла, регистрируемых датчиками температур этих аккумуляторов тепла, фиксируют установившийся режим отвода тепла от охлаждаемого объекта по постоянству во времени средних значений температур аккумуляторов тепла каскадов батареи и амплитуд их колебаний при работе каскадов батарей в режимах активного отвода тепла и теплового ключа. Путем подбора значений длительностей промежутков Δτ_i.1 и Δτ_i.2 времени работы каскадов батареи в режимах активного отвода тепла и теплового ключа и потребляемых ими токов I_o.i, I_k.i батарею выводят на установившийся режим отвода тепла от охлаждаемого объекта, соответствующий требуемому значению температуры охлаждаемого объекта и минимальному значению потребляемой электрической мощности.

Формула изобретения

СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ОБЪЕКТА КАСКАДНОЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ БАТАРЕЕЙ путем переноса тепла от объекта при подаче на клеммы батареи регулируемого постоянного стабилизированного тока до выхода ее на стационарный режим работы, отличающийся тем, что перенос тепла ведут дискретно от каскада к каскаду с промежуточным накоплением тепла на тепловых аккумуляторах, причем работу каждого каскада ведут в режимах номинальной холодопроизводительности и теплового ключа, а длительности временных интервалов этих режимов и силы токов через каскады регулируют в процессе выхода на стационарный режим в зависимости от температур объекта и тепловых аккумуляторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3