Устройство охлаждения

ПАТЕНТ №2566950

Изобретение относится к области холодильной или морозильной техники. Устройство охлаждения, содержащее термоэлектрические модули, одна поверхность которых контактирует с объектом охлаждения, другая поверхность термоэлектрических модулей - с теплообменником, а также насос циркуляции теплоносителя. Каждый из n≥2 термоэлектрических модулей снабжен собственным теплообменником, соединенным с общей охлаждающей магистралью через насос(ы) циркуляции теплоносителя. Техническим результатом является улучшение теплового контакта поверхностей термоэлектрических модулей с теплообменниками. 3 з.п. ф-лы, 2 ил

Известен холодильный термоэлектрический блок АХ - ЖВ - 250 - 12 (см. crystalltherm.com>images/Katalogi/Каталог-2012.pdf) изготовления ООО НПО «Кристалл», содержащий два и более термоэлектрических модулей, установленных одной стороной на жидкостный теплообменник, а вторая сторона термоэлектрических модулей контактирует с воздушным радиатором

Известна также термоэлектрическая сборка типа «жидкость - жидкость» 400-24-LL (см. kryothermtec.com) изготовления фирмы «Криотерм», в которой термоэлектрические модули контактируют своими сторонами с жидкостными теплообменниками. Недостатками этих устройств является большая сложность изготовления теплообменника, полностью прилегающего к поверхности всех термоэлектрических модулей, второй поверхностью установленных на другом теплообменнике, из-за технологического разброса высоты термоэлектрических модулей и непараллельности их сторон рис. 2. Устранять получающиеся зазоры приходится за счет теплопроводящих паст или клеев, увеличивая тепловое сопротивление, что приводит, при прочих равных, к уменьшению разности температур между холодной и горячей сторонами и уменьшению холодильного коэффициента в целом.

Размещение нескольких термоэлектрических модулей между двумя теплообменными поверхностями для обеспечения теплового контакта требует применения большого числа элементов, стягивающих между собой эти поверхности, что приводит к перетеканию тепла между поверхностями и уменьшению разности температур горячей и холодной сторон термоэлектрических модулей.

Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение теплового контакта поверхностей термоэлектрических модулей с теплообменниками при одновременном упрощении процесса изготовления теплообменников и крепления термоэлектрических модулей между ними.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве охлаждения, содержащем термоэлектрические модули, одна поверхность которых контактирует с объектом охлаждения, а другая поверхность термоэлектрических модулей - с теплообменником, а также насос циркуляции теплоносителя, в отличие от известного, каждый из n≥2 термоэлектрических модулей снабжен собственным теплообменником, соединенным с общей охлаждающей магистралью через насос циркуляции теплоносителя.

В устройстве охлаждения предлагается каждый термоэлектрический модуль снабдить узлом поджатия к объекту охлаждения, выполненным в виде плоской пружины. В устройстве охлаждения предлагается каждый теплообменник, контактирующий с горячей стороной термоэлектрического модуля, снабдить узлом поджатия к термоэлектрическому модулю, выполненному в виде плоской пружины. В устройстве охлаждения предлагается насос циркуляции теплоносителя через теплообменники включить последовательно с теплообменниками, соединенными также последовательно, при этом расходно-напорные характеристики насоса циркуляции теплоносителя через теплообменники определяют из соотношения:

ΔT=T₁-T_n/T₁ ≤ΔQ, где:

ΔT - разность температур теплоносителя на входе первого и выходе последнего теплообменников;

T₁ - температура теплоносителя на входе первого теплообменника;

T_n - температура теплоносителя на выходе последнего теплообменника;

ΔQ - допуск на холодопроизводительность термоэлектрических модулей.

Данное изобретение актуально при количестве используемых термоэлектрических модулей более одного, так как при одном модуле не возникает проблем с обеспечением теплового контакта общего теплообменника и модулей, отличающихся по высоте и с непараллельными сторонами.

Улучшение теплового контакта поверхностей термоэлектрических модулей с теплообменниками решается тем, что индивидуальный теплообменник каждого термоэлектрического модуля исключает влияние их технологического разброса по высоте и непараллельности сторон, при обеспечении требуемой чистоты обработки поверхности, контактирующей с термоэлектрическим модулем. При стандартном допуске на высоту термоэлектрического модуля ±0,02 мм и не параллельности ±0,02 зазор между поверхностью теплообменника и термоэлектрическим модулем меньшей высоты может достигать величины 0,06 мм в середине термоэлектрического модуля размером 40×40 мм. В случае использования широко применяемой теплопроводящей пасты КПТ-8 с коэффициентом теплопроводности 0,8 Вт/м*К и тепловом потоке через термоэлектрический модуль 50 Вт на этом зазоре будет потеряно 2,3°C.

На увеличение разности температур поверхностей термоэлектрических модулей при прочих равных условиях направлено использование плоских пружин, которые полностью исключают перетекание тепла по элементам, стягивающим поверхности, между которыми расположены термоэлектрические модули.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена структура устройства с теплообменниками для каждого термоэлектрического модуля. При этом на фиг. 1 представлены: термоэлектрические модули 1 различной высоты и взаимным расположением поверхностей, одна поверхность которых контактирует с объектом охлаждения 2, а другая поверхность термоэлектрических модулей - с соединенными последовательно теплообменниками 3, а также насос(ы) 4 циркуляции теплоносителя через теплообменники, соединенные с общей охлаждающей магистралью 5. В общем случае, в устройстве может быть несколько групп из последовательно соединенных между собой теплообменников и насоса.

При этом каждый термоэлектрический модуль 1 прикреплен к объекту охлаждения 2 с помощью плоских пружин, один конец которых закреплен с помощью элементов крепления на объекте охлаждения, а второй конец прижимает охлаждающую сторону термоэлектрического модуля к объекту охлаждения. Причем каждый теплообменник 3, снимающий тепло с горячей стороны, прикреплен к термоэлектрическому модулю 1 с помощью плоских пружин, один конец которых закреплен с помощью элементов крепления на теплообменнике, а второй конец прижимает горячую сторону термоэлектрического модуля к теплообменнику.

Плоские пружины с помощью элементов крепления обеспечивают тепловой контакт поверхностей термоэлектрических модулей 1 с объектом охлаждения 2 и теплообменниками 3 независимо от высоты термоэлектрических модулей и непараллельности их сторон.

Предложенное устройство работает следующим образом. К горячей поверхности каждого термоэлектрического модуля 1 с помощью плоских пружин и элементов крепления прикрепляют теплообменник 3. Термоэлектрические модули 1 с прикрепленными к ним теплообменниками 3 прикрепляют к объекту охлаждения 2 с помощью плоских пружин и элементов крепления. Соединяют последовательно между собой гидравлические магистрали теплообменников 3 и подключают их через насос 4 к охлаждающей магистрали 5. Требуемый расход теплоносителя через теплообменники обеспечивается тем, что расходно-напорные характеристики насоса 4 определяют из соотношения:

ΔT=T₁-T_n/T₁≤ΔQ, где:

ΔT - разность температур теплоносителя на входе первого и выходе последнего теплообменников;

T₁ - температура теплоносителя на входе первого теплообменника;

T_n - температура теплоносителя на выходе последнего теплообменника;

ΔQ - допуск на холодопроизводительность термоэлектрических модулей.

В случае, когда значение разности ΔT между температурой теплоносителя на входе первого T₁ и выходе последнего T_n теплообменников, соединенных в последовательную цепь, отнесенное к температуре теплоносителя на входе первого теплообменника T₁ из общей охлаждающей магистрали, не превышает по величине допуск на холодопроизводительность ΔQ, который указывается в технической документации на модули, можно пренебречь влиянием разности температур поверхностей термоэлектрических модулей на их холодопроизводительность.

Тепловой контакт поверхности каждого термоэлектрического модуля с объектом охлаждения обеспечивается тем, что каждый термоэлектрический модуль прикреплен к объекту охлаждения с помощью плоских пружин, один конец которых закреплен на объекте охлаждения, а второй конец прижимает охлаждающую сторону термоэлектрического модуля к объекту охлаждения. Тепловой контакт другой поверхности термоэлектрического модуля с теплообменником обеспечивается тем, что каждый теплообменник, снимающий тепло с горячей стороны, прикреплен к термоэлектрическому модулю с помощью плоских пружин, один конец которых закреплен на теплообменнике, а второй конец прижимает горячую сторону термоэлектрического модуля к теплообменнику.

Применение индивидуальных теплообменников 3 для каждого термоэлектрического модуля 1 снижает требования к допускам на геометрические размеры термоэлектрических модулей в процессе их производства, а в совокупности с прижатием термоэлектрических модулей 1 плоскими пружинами с элементами крепления обеспечивает тепловой контакт любого количества термоэлектрических модулей с объектом охлаждения 2 и теплообменниками 3. Использование насосов 4, обеспечивающих циркуляцию теплоносителя через каждую группу из n последовательно соединенных теплообменников 3 от охлаждающей магистрали 5, исключает неравномерное распределение теплоносителя через группы теплообменников 3 из-за разброса гидравлического сопротивления магистралей.

Предлагаемое устройство охлаждения гарантирует тепловой контакт поверхностей термоэлектрических модулей с объектом охлаждения и теплообменниками, удешевляет изготовление качественных теплообменников, упрощает сборку устройства охлаждения, гарантирует равномерный съем тепла с горячих сторон термоэлектрических модулей, повышая тем самым холодопроизводительность или уменьшая количество необходимых термоэлектрических модулей.