Устройство для крепления деталей методом примораживания

Изобретение относится к термоэлектрической технике, в частности к конструкциям термоэлектрических устройств для крепления деталей методом примораживания при их механической обработке. Технический результат: повышение эффективности и надежности крепления. Сущность: устройство содержит термоэлектрическую батарею (ТЭБ), приводимую в тепловой контакт с деталью (объектом примораживания) и систему теплосброса. ТЭБ состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р-типа и n-типа. Электрическое соединение ветвей осуществляют посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой. Каждая ветвь в ТЭБ контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами. Коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа. Концы коммутационных пластин, образующих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а концы коммутационных пластин, образующих горячие контакты, - за другую. Свободные концы коммутационных пластин выполнены с сечением Т-образной формы и припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину. Трубопровод по периметру огибает ТЭБ, имея непосредственный тепловой контакт с внешней поверхностью керамических пластин, противоположной поверхности нанесения электроизолированных площадок, и образует замкнутый контур, по которому протекает теплоноситель. На одной из оставшихся поверхностей трубопровода размещается деталь - объект примораживания, а вторая приводится в контакт с системой теплосброса. ТЭБ и трубопровод изолированы от окружающей среды посредством теплоизоляции. 1 ил.

 

Изобретение относится к термоэлектрической технике, в частности к конструкциям термоэлектрических устройств для крепления деталей методом примораживания при их дальнейшей механической обработке.

Прототипом изобретения является замораживающее устройство, предназначенное для закрепления деталей при их обработке на станках методом примораживания [1]. Устройство включает в себя термоэлектрическую батарею (ТЭБ), приводимую в тепловой контакт холодными спаями с деталью, подлежащей механической обработке, и жидкостной теплообменник, сопряженный с горячими спаями ТЭБ.

ТЭБ выполняется из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем коммутация обеих ветвей (р- и n-типа) к коммутационной пластине производится к одной и той же плоской поверхности по краям последней. При этом термоэлемент имеет «П-образную» форму, где вертикальные элементы - р- и n-ветви, а горизонтальные - коммутационные пластины. Электрически последовательно соединенные коммутационными пластинами термоэлементы, образующие ТЭБ, заключены между двумя высокотеплопроводными электроизоляционными пластинами - теплопереходами.

Недостатком известной конструкции является невозможность использования мощных ТЭБ с током питания порядка 100 А и выше вследствие возникновения в данной конструкции ТЭБ значительных механических напряжений из-за теплового расширения (сжатия) материалов, а также биметаллического эффекта, снижающих практически до нуля надежность ее функционирования. Данное обстоятельство ограничивает применимость данного устройства для примораживания крупных деталей при их механической обработке с высокой интенсивностью.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание термоэлектрической батареи, лишенной указанных недостатков.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение эффективности и надежности крепления деталей.

Решение поставленной задачи с достижением технического результата обеспечивается тем, что в устройстве для крепления деталей методом примораживания, включающем в себя термоэлектрическую батарею, состоящую из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, приводимую в тепловой контакт с деталью - объектом примораживания и систему теплосброса, электрическое соединение ветвей в термоэлектрической батареи осуществляется посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой, причем каждая ветвь в термоэлектрической батарее контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами, при этом коммутационные пластины имеют площадь несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, причем концы коммутационных пластин выполнены с сечением Т-образной формы и выступают за одну поверхность структуры, а концы коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, - за другую, при этом свободные концы коммутационных пластин припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамическую пластину, а трубопровод по периметру огибает термоэлектрическую батарею, имея непосредственный тепловой контакт с внешней поверхностью керамических пластин, противоположной поверхности нанесения электроизолированных площадок, и образует замкнутый контур, по которому в процессе функционирования устройства протекает теплоноситель, где на одной из оставшихся поверхностей трубопровода размещается деталь - объект примораживания, а вторая приводится в контакт с системой теплосброса, термоэлектрическая батарея и трубопровод с теплоносителем изолированы от окружающей среды посредством теплоизоляции.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена конструкция устройства.

Устройство содержит ТЭБ 1, приведенную в тепловой контакт с трубопроводом 2, выполненным из высокотеплопроводного электроизоляционного материала, заполненным теплоносителем 3, систему теплосброса 4.

ТЭБ 1 состоит из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин 5 и 6 чередующихся ветвей, изготовленных соответственно из полупроводника р-типа 7 и n-типа 8. Электрическое соединение ветвей осуществляют посредством контакта ветвь р-типа 7 - коммутационная пластина 5 или 6 - ветвь n-типа 8, где ветвь р-типа 7 контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа 8 - с другой. Каждая ветвь в ТЭБ 1 контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами 5 и 6. Коммутационные пластины 5 и 6 имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа 7 и 8, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями ТЭБ 1, как это изображено на чертеже. Концы коммутационных пластин 5, осуществляющих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а концы коммутационных пластин 6, осуществляющих горячие контакты, - за другую. Свободные концы коммутационных пластин 5 и 6 выполнены с сечением Т-образной формы и припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам 9 и 10, выполненным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамические пластины 11 и 12.

Трубопровод 2 по периметру огибает ТЭБ 1 и образует замкнутый контур, по которому в процессе функционирования устройства протекает теплоноситель 3. При этом трубопровод 2 имеет непосредственный тепловой контакт с внешней поверхностью (противоположной нанесению площадок 9 и 10) керамических пластин 11 и 12. На одной из оставшихся поверхностей трубопровода размещается деталь (объект примораживания) 13, а вторая - приводится в контакт с системой теплосброса 4.

ТЭБ 1 и трубопровод 2 с теплоносителем 3 изолированы от окружающей среды посредством теплоизоляции 14. Подвод электрической энергии к ТЭБ осуществляется через крайние коммутационные пластины.

Устройство работает следующим образом.

При прохождении по ТЭБ постоянного электрического тока, подаваемого от источника электрической энергии через контактные площадки 14, между коммутационными пластинами 5 и 6, представляющими собой контакты ветвей р- и п-типа 7 и 8, возникает разность температур, обусловленная выделением на одних соседних концах ветвей и поглощением на других соседних концах ветвей теплоты Пельтье. При указанной на чертеже полярности электрического тока происходит нагрев коммутационных пластин 6 и охлаждение коммутационных пластин 5. Соответственно имеет место нагрев площадок 10 и керамической пластины 12 и охлаждение площадок 9 и керамической пластины 11.

Теплоноситель 3, протекая по части трубопровода 2, которая находится в тепловом контакте с холодной керамической пластиной 11, охлаждается до некоторого определенного значения. Далее, теплоноситель 3, протекая по части трубопровода 2, которая контактирует с деталью 15, примораживает последнюю для дальнейшей обработки. За счет теплообмена с деталью 15 температура теплоносителя 3 повышается. В дальнейшем теплоноситель 3 продолжает нагреваться, перемещаясь по части трубопровода 2, находящейся в тепловом контакте с горячей керамической пластиной 12, снимая с нее тепло. Далее нагретый теплоноситель 3 охлаждается системой теплосброса 4. После этого теплоноситель 3 вновь поступает в область трубопровода, контактирующую с холодной керамической пластиной, совершая тем самым замкнутую циркуляцию. В заявляемом устройстве для крепления деталей методом примораживания:

1) частично или полностью исключаются механические напряжения, возникающие в ветвях термоэлементов р- и n-типа за счет линейной компенсации теплового расширения одних концов (горячих) ветвей линейным сжатием других концов (холодных), что приводит к повышению надежности ТЭБ;

2) в значительной мере устраняются перетоки тепла с горячих коммутационных пластин на холодный по межтермоэлементным пространствам за счет их более плотной упаковки;

3) коммутационные пластины вследствие специфики исполнения электрических контактов ТЭБ имеют намного меньшую толщину, чем в прототипе, следствием чего является значительное уменьшение их электрических сопротивлений и теплоемкости, что дает возможность достигнуть более низких температур, а также уменьшает длительность выхода ТЭБ на рабочий режим;

4) в ТЭБ могут быть использованы ветви различной длины, что дает возможность более точного согласования таких параметров, как оптимальный ток и перепад температур для каждой пары ветвей р- и n-типа, следствием чего является повышение энергетической эффективности ТЭБ и всего устройства в целом.

Литература

1. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Киев:

Наукова думка, 1979.

Устройство для крепления деталей методом примораживания, включающее в себя термоэлектрическую батарею, состоящую из последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями, изготовленными из полупроводника соответственно р- и n-типа, приводимую в тепловой контакт с деталью - объектом примораживания, и систему теплосброса, отличающееся тем, что электрическое соединение ветвей в термоэлектрической батарее осуществляется посредством контакта ветвь р-типа - коммутационная пластина - ветвь n-типа, где ветвь р-типа контактирует торцевой поверхностью с одной из поверхностей коммутационной пластины, а ветвь n-типа - с другой, причем каждая ветвь в термоэлектрической батарее контактирует противоположными торцевыми поверхностями с двумя коммутационными пластинами, при этом коммутационные пластины имеют площадь, несколько большую, чем площадь поперечного сечения ветвей р- и n-типа, вследствие чего их концы выступают за поверхность структуры, образованной ветвями термоэлектрической батареи, причем концы коммутационных пластин, осуществляющих холодные контакты, выступают за одну поверхность структуры, а концы коммутационных пластин, осуществляющих горячие контакты, - за другую, при этом свободные концы коммутационных пластин выполнены с сечением Т-образной формы и припаяны к электроизолированным друг от друга площадкам, изготовленным в виде пленок металлов или сплавов, нанесенных на керамические пластины, а трубопровод по периметру огибает термоэлектрическую батарею, имея непосредственный тепловой контакт с внешней поверхностью керамических пластин, противоположной поверхности нанесения электроизолированных площадок, и образует замкнутый контур, по которому в процессе функционирования устройства протекает теплоноситель, где на одной из оставшихся поверхностей трубопровода размещается деталь - объект примораживания, а вторая приводится в контакт с системой теплосброса, термоэлектрическая батарея и трубопровод с теплоносителем изолированы от окружающей среды посредством теплоизоляции.