Устройство для нагрева и охлаждения жидкости

 

Изобретение относится к системам нагрева и охлаждения жидкости в устройствах, использующих термоэлектрические батареи, работа которых основана на эффекте Пельтье, и может применяться в машиностроении, в частности в автомобильной технике, холодильной технике, медицинской технике и т.д. Сущность изобретения: устройство для нагрева и охлаждения жидкости, включающее термобатареи, содержащие полупроводниковые ветви р- и n-типа проводимости, соединенные коммутационными шинами, токовые выводы и теплопереходы, а также теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, которые выполнены в виде чередующихся каналов горячего и холодного контуров протока жидкости, верхняя и нижняя стенки которых образованы соответственно горячими или холодными теплопереходами параллельно установленных с зазором по отношению друг к другу батарей, между которыми размещены герметичные прокладки. Каналы каждого теплообменника соединены последовательно отводами, а подачу жидкости в каналы теплообменников осуществляют последовательно или последовательно-параллельно. Для снижения термических напряжений герметичные прокладки выполнены либо из упругого эластичного материала, либо из жесткого материала, но соединены при этом с теплопереходом посредством герметичного упругого эластичного материала. Теплопереходы могут быть выполнены составными, а части их соединены встык герметичным эластичным материалом. Использование данного изобретения позволит значительно повысить холодопроизводительность устройств, работа которых основана на эффекте Пельтье, а также обеспечить надежную эффективную эксплуатацию устройств, снабдив их средствами снижения термических напряжений. 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к системам нагрева и охлаждения жидкости, а именно к устройствам, работа которых основана на эффекте Пельтье, и может быть использовано в машиностроении, в частности в автомобилестроении, в областях холодильной техники, в медицинской технике и т.д.

Известно устройство для охлаждения и нагрева жидкости, в котором производится одновременный нагрев и охлаждение жидкости при помощи термоэлектрической полупроводниковой батареи. Устройство обеспечивает контакт жидкости непосредственно с горячими и холодными спаями термобатареи, что позволяет исключить потери тепла и повысить энергетическую эффективность устройства, но ограничивает вид теплоносителя, так как в данном случае может быть использована только неэлектропроводная жидкость (авт. св. СССР N 968620, кл. H 01 L 35/02, 1983).

Наиболее близким к предложенному решению является устройство для нагрева и охлаждения жидкости, включающее термобатарею, содержащую полупроводниковые ветви p- и n-типа проводимости, коммутационные шины, теплопереходы и токовые выводы, теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, средства подачи и отвода жидкости (авт. св. N 1764094, кл. H 01 L 35/02, 1992).

Данное устройство не позволяет достигнуть одновременно высокой удельной холодопроизводительности и теплотехнической эффективности, так как не более 30 - 40% поверхности теплообменников участвуют в передаче тепла, теплообменники взаимодействуют лишь с одной поверхностью теплопереходов термобатарей.

Техническим результатом изобретения является достижение удельной холодопроизводительности не менее 250 Вт/л объема, занимаемым устройством при теплофизической эффективности, соответствующей потере теплового напора не более 20% (при использовании термобатарей с термоэлектрической эффективностью не ниже 2,5/1000К с теплоносителем вода).

Технический результат достигается за счет того, что устройство для нагрева и охлаждения жидкости, включающее термобатарею, содержащую полупроводниковые ветви p- и n-типа проводимости, коммутационные шины, теплопереходы, токовые выводы, теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, средства подачи и отвода жидкости, снабжено герметичными прокладками, верхней и нижней крышками и отводами, при этом теплообменники выполнены в виде чередующихся каналов горячего и холодного контуров протока жидкости, верхняя и нижняя стенки которых образованы соответственно двумя горячими или двумя холодными теплопереходами параллельно установленных с зазором по отношению друг к другу термобатарей, между которыми размещены герметичные прокладки, а верхняя и нижняя крышки установлены на герметичных прокладках с образованием верхнего и нижнего каналов теплообменников, при этом каналы каждого теплообменника соединены последовательно или последовательно-параллельно, причем средства подачи и отвода жидкости, выполненные, например, в виде штуцеров, могут быть установлены с противоположных сторон смежных каналов, обеспечивая циркуляцию жидкости в режиме противотока, либо на прилежащих сторонах теплопереходов, обеспечивая циркуляцию жидкости во взаимно перпендикулярных направлениях; теплопереходы термобатарей могут быть выполнены составными, причем стыки между теплопереходами могут быть ориентированы как вдоль каналов, так и поперек и заполнены эластичным материалом; каналы могут быть снабжены поддерживающими прокладками, расположенными вдоль каналов; устройство может быть снабжено поддерживающими прокладками, размещенными внутри каналов в местах стыка частей теплопереходов, ориентированных вдоль каналов, а герметичные прокладки, образующие совместно с одноименными теплопереходами каналы теплообменников, выполнены из эластичного герметичного упругого материала либо из жесткого материала, но соединены с теплопереходами герметичным эластичным упругим материалом.

На фиг. 1 изображено устройство для нагрева и охлаждения жидкости; на фиг. 2 - поперечный разрез устройства; на фиг.3 - схема последовательно-параллельного соединения каналов теплообменников.

Устройство для нагрева и охлаждения жидкости включает термобатарею 1, которая содержит полупроводниковые ветви 2 p- и n-типа проводимости, коммутационные шины 3, теплопереходы 4 горячих спаев и теплопереходы 5 холодных спаев, токовые выводы 6, теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, выполненные в виде каналов 7 и каналов 8 соответственно горячего и холодного контуров, соединенных отводами 9, герметичные прокладки 10, верхнюю 11 и нижнюю 12 крышки и средство 13 для подвода и отвода жидкости, а также может быть снабжено размещенными внутри и расположенными вдоль каналов 7, 8 поддерживающими прокладками 14, причем в случае выполнения теплопереходов 4 и/или 5 составными стыки 15 между ними заполнены герметичным эластичным материалом, при этом, если стыки 15 ориентированы вдоль каналов 7, 8, устройство обязательно имеет поддерживающие прокладки 14, размещенные внутри каналов 7, 8 предпочтительно в местах соединения частей теплопереходов 4 и/или 5.

Устройство работает следующим образом.

Жидкость подается в каналы 7 и 8 через средство подвода жидкости 13, проходит по каналам контуров, контактируя с соответствующими теплопереходами 4 и 5, на токовые выводы 6 термобатарей 1 подается напряжение. В результате жидкость в каналах 8 горячего контура нагревается, а в каналах 7 охлаждается за счет соответственно выделения и поглощения тепла на спаях термоэлектрических батарей 1 и передачи его через теплопереходы 4, 5 жидкости.

Подача жидкости в каналы 7, 8 может быть осуществлена как последовательно, т. е. жидкость проходит все одноименные каналы последовательно один за другим и выходит из устройства (фиг. 1), так и последовательно-параллельно (фиг. 3).

Выполнение теплообменников в виде чередующихся каналов 7, 8 горячего и холодного контуров протока жидкости, верхняя и нижняя стенки которых образованы соответственно двумя горячими или двумя холодными теплопереходами 4, 5 параллельно установленных с зазором по отношению друг к другу термоэлектрических батарей 1, между которыми размещены герметичные прокладки 10, позволяет увеличить полезную поверхность теплообменников (поверхность, через которую передается тепло) до 80-95%, а за счет использования отводов 9, дающих возможность обеспечить протекание жидкости в горячем и холодном контурах в соответствии с принципом противотока, соединять каналы как последовательно, так и последовательно-параллельно и возможности независимо изменять высоту каналов за счет изменения высоты герметичных прокладок 10 позволяет максимально оптимизировать устройство и обеспечить одновременное достижение высокой холодопроизводительности, - не менее 250 Вт/л объема устройства при потерях теплового напора не более 20% (при использовании термобатарей с термоэлектрической эффективностью не ниже 2,5/1000К и теплоносителя - воды).

Средство 13 для подвода и отвода жидкости может быть выполнено в виде штуцеров, приливов, гребенок, отводов и т. д.

Для снижения термических напряжений и создания благоприятного режима работы устройства герметичные прокладки выполнены из эластичного упругого материала либо из жесткого материала, но соединены с теплопереходами эластичным герметичным упругим материалом. В качестве эластичного упругого материала для герметичных прокладок и материалов, соединяющих герметичные прокладки, в случае выполнения их из жесткого материала, могут быть использованы резины, герметики, в том числе силиконовые, обладающие достаточной адгезией к соединяемым материалам (не менее 0,1 МПа) и достаточной эластичностью (величина упругой деформации не менее 20%).

При необходимости создания более мощных устройств может быть увеличена площадь теплопереходов 4, 5 за счет наращивания их по длине и/или по ширине, при этом для снятия термических напряжений стыки 15 между теплопереходами 4, 5 заполнены герметичным эластичным упругим материалом. Для увеличения прочности конструкции каналы могут снабжаться поддерживающими прокладками 14, установленными вдоль каналов, преимущественно в случае выполнения теплопереходов 4, 5 составными (фиг.2), причем при расположении стыков 15 вдоль каналов 7, 8 протока жидкости устройство обязательно имеет поддерживающие прокладки 14, размещенные предпочтительно в местах стыков 15 частей теплопереходов 4, 5. Токовые выводы 6 батарей служат для подачи напряжения и соединяются между собой последовательно и/или параллельно в зависимости от напряжения источника питания.

Формула изобретения

1. Устройство для нагрева и охлаждения жидкости, включающее термобатарею, содержащую полупроводниковые ветви p- и n-проводимости, коммутационные шины, теплопереходы и токовые выводы, теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, средства подачи и отвода жидкости, отличающееся тем, что устройство снабжено герметичными прокладками, верхней и нижней крышками и отводами, при этом теплообменники выполнены в виде чередующихся каналов горячего и холодного контуров протока жидкости, верхняя и нижняя стенки которых образованы соответственно двумя горячими или двумя холодными теплопереходами параллельно установленных с зазором по отношению друг к другу термобатарей, между которыми размещены герметичные прокладки, а верхняя и нижняя крышки установлены на герметичных прокладках с образованием верхнего и нижнего каналов теплообменников, при этом каналы каждого теплообменника соединены последовательно отводами, а подачу жидкости в каналы теплообменников осуществляют последовательно или последовательно-параллельно.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства подачи жидкости в горячий и холодный контуры установлены с противоположных сторон смежных каналов, обеспечивая циркуляцию жидкости в режиме противотока.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства подачи жидкости в горячий и холодный контуры установлены на прилежащих сторонах теплопереходов, обеспечивая циркуляцию жидкости во взаимно перпендикулярных направлениях.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопереходы термобатарей выполнены составными, причем стыки ориентированы поперек канала и заполнены теплоизоляционным герметичным эластичным материалом.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри каналов установлены поддерживающие прокладки, расположенные вдоль каналов.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопереходы термобатарей выполнены составными и их части соединены встык посредством теплоизоляционного герметичного эластичного материала, при этом устройство снабжено поддерживающими прокладками, размещенными внутри каналов в местах стыка частей теплопереходов, ориентированных вдоль каналов.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что герметичные прокладки выполнены из упругого эластичного материала.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что герметичные прокладки выполнены из жесткого материала и присоединены к поверхностям теплопереходов посредством герметичного эластичного упругого материала.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства подачи и отвода жидкости выполнены в виде штуцеров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3