RU144269U1 - Термоэлектрический модуль - Google Patents

Abstract

1. Термоэлектрический модуль, состоящий из стянутых винтами воздушного и водяного теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены термоэлектрические охладители, расположенные в виде прямоугольника и окруженные защитным барьером, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен клеммной коробкой, которая расположена на внешней стороне водяного теплообменника и сообщается с полостью, в которой расположены термоэлектрические охладители и температурные датчики, посредством каналов, выполненных в стенке водяного теплообменника, при этом в упомянутых каналах расположены электрические провода охладителей и датчиков, выходы которых закреплены на клеммной плате, установленной в клеммной коробке, при этом в упомянутую коробку через сальниковый уплотнитель подведен кабель для внешних подключений.2. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что клеммная коробка дополнительно снабжена поглотителем влаги силикагелем.

Description

Область техники

Полезная модель относится к холодильному оборудованию, а именно, к термоэлектрическим холодильным установкам и может быть использована, например, для охлаждения воздуха в продовольственных кладовых на судах в жестких условиях эксплуатации, а также в устройствах кондиционирования воздуха.

Принцип работы термоэлектрического модуля (далее ТЭМ) основан на эффекте Пельтье, когда при пропускании постоянного тока через контакты двух разнородных металлов (полупроводников), из которых состоит ТЭМ, на одном из контактов происходит охлаждение (поглощение тепла), а на другом - выделение тепла.

Уровень техники

Известны термоэлектрические устройства, состоящие из воздушных и/или гидравлических теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены два и более термоэлектрических охладителей, образующих плоский слой, причем, последние окружены по периметру защитным барьером из низко теплопроводного материала, а теплообменники между собой стянуты винтами - RU 2187052 F25B 21/02, 14.12.2000, RU 2092753 F25B 21/02, 13.06.1996, RU 2364803 F25B 21/02, 18.09.2007, RU 2397074 B60H 1/32, 01.09.2008, RU 2234647 F25B 21/02, 27.11.2002.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран холодильный термоэлектрический блок RU 2092753 F25B 21/02, 13.06.1996. Блок содержит два и более термоохладителей на горячих и холодных спаях, которых установлены теплообменники. Пространство между ними и полость между горячими и холодными спаями заполнено теплоизоляционным влагонепроницаемым материалом, теплообменник горячих спаев выполнен в виде автономных секций, закрепленных только на одном термомодуле, при этом теплообменник и вентилятор для его обдува размещены в кожухе, имеющем форму диффузора с сужением в сторону теплообменника. Отверстия для входа и выхода воздуха выполнены на противоположных торцевых сторонах кожуха.

К недостаткам прототипа можно отнести невысокую надежность устройства, так как в нем частично решена задача герметичности конструкции, что приводит к низкому уровню защиты термоэлектрических охладителей и токоведущих цепей от конденсата.

Это объясняется тем, что ограждающий слой из теплоизоляционного материала вокруг и/или между термоэлектрическими охладителями предназначен, в первую очередь, для уменьшения теплопритоков к охлаждаемой поверхности теплообменника, что не гарантирует защиту термоэлектрических охладителей и размещенных вблизи них разного рода температурных датчиков от воздействия влаги (конденсата). Не решает вопрос и применение в качестве теплоизоляции вспениваемых материалов (пенополиуретаны), так как процесс вспенивания в узких или затесненных пространствах вызывает технологические трудности. Еще более негерметичны ограждения из твердых вспененных материалов, например, пенопластов.

Актуальной проблемой является защита от конденсата токоведущих цепей и термоэлектрических охладителей, так как вода на них при длительной (1000 и более часов) работе способствует электрохимической коррозии с последующим разрушением. Снижение надежности электроизоляции цепей электропитания относительно корпуса неприемлемо, в особенности, для судовых охлаждающих устройств, питающихся непосредственно от судовой сети постоянного тока, в которых снижение значения сопротивления электроизоляции равносильно отказу.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании новой надежной конструкции ТЭМ, работающей в жестких условиях эксплуатации на судах.

Технический результат полезной модели заключается в повышении герметичности конструкции, увеличении надежности, увеличение срока службы, в повышении оперативности управления ТЭМ за счет варьирования переключения токоподводящих цепей охладителей.

Раскрытие полезной модели

Поставленные задачи решены следующим образом. Термоэлектрический модуль состоит из стянутых винтами воздушного и водяного теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены термоэлектрические охладители, расположенные в виде прямоугольника и окруженные защитным барьером. ТЭМ отличается тем, что он дополнительно снабжен клеммной коробкой, которая расположена на внешней стороне водяного теплообменника и сообщается с полостью, в которой расположены термоэлектрические охладители и температурные датчики, посредством каналов, выполненных в стенке водяного теплообменника, при этом в упомянутых каналах расположены электрические провода охладителей и датчиков, выходы которых закреплены на клеммной плате, установленной в клеммной коробке, в которую через сальниковый уплотнитель подведен кабель для внешних подключений. Клеммная коробка дополнительно снабжена поглотителем влаги силикагелем.

Кроме того, защитный барьер ТЭМ образован двумя жгутами квадратного сечения, которые установлены с зазором друг относительно друга, при этом один из жгутов расположен на воздушном теплообменнике, другой на водяном, а на наружные боковые поверхности барьера нанесено защитное покрытие из кремнийорганического герметика.

Осуществление полезной модели

Заявляемая полезная модель поясняется рисунками, На фиг.1 изображен ТЭМ в разрезе, на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1, на фиг 3 - узел соединения ребра воздушного теплообменника.

ТЭМ содержит воздушный теплообменник 1 и водяной теплообменник 2, между которыми размещен плоский, прямоугольной формы слой из термоэлектрических охладителей 3 и датчиков температуры 4. Теплообменники 1 и 2 стянуты по контуру винтами 5. Усилие стяжки замыкается на упоры 6, которые установлены между теплообменниками по периметру и в центре. Винты 5 передают усилие на теплообменник 2 через нетеплопроводные упорные втулки 7. Каналы 8 в стенке теплообменника 2 соединяют полость, занятую термоэлектрическими охладителями 3, с клеммной коробкой 9, расположенной на внешней стороне теплообменника 2. На коробке установлена крышка 10, которая закреплена винтами с уплотнением (не показано). В коробке 9 выполнен сальниковый ввод 11 для установки кабеля наружных подключений. Провода от термоохладителей и датчиков температуры распаяны на клеммной плате 12, установленной в клеммной коробке 9. К этой же плате 12 подведен и подпаян кабель наружных подключений ТЭМ. В коробку помещены упаковки с силикагелем 13. Боковые поверхности термоэлектрических охладителей 3 по периметру окружены защитным барьером из двух резиновых жгутов 14, и охвачены снаружи единым сплошным защитным покрытием из кремнийорганического герметика 15.

Для улучшения теплообмена на поверхности контакта термоэлектрических охладителей 3, нанесена кремнийорганическая теплопроводная паста (КПТ-8). Охладители установлены на электроизоляционные планки 16. Ребра 17 воздушного теплообменника запрессованы в основании 18 теплообменника 1

ТЭМ работает следующим образом. При сборке ТЭМ теплообменники 1 и 2 стягивают винтами 5, до тех пор, пока теплообменники не сблизятся на расстояние, равное высоте упоров 6, которое на несколько десятых миллиметра превышает высоту термоэлектрических охладителей 3. Термоэлектрические охладители вначале испытывают некоторое давление, передаваемое на них от теплообменников через теплопроводную пасту, но, когда упоры остановят сближение теплообменников, теплопроводная кремнийорганическая паста, обладая заметной текучестью, будет ослаблять давление на охладители. Когда толщина слоев пасты по обеим сторонам охладителя станет равной разности высот упоров и охладителей, давление на последние прекратится, и вся дальнейшая работа устройства будет происходить при полностью механически разгруженных охладителях. С целью исключения перемещений (в условиях тряски и вибрации) термоэлектрических охладителей 3, связь которых с теплообменными поверхностями осуществлена только с помощью вязкой теплопроводной пасты, применены планки 16, выполненные из электроизоляционного материала и имеющие профиль, удерживающий охладители от линейных перемещений. Планки 16 винтами закреплены на стенке водяного теплообменника 2. На планках 16 также закреплены электрические проводники от термоэлектрических охладителей и датчиков температуры 4.

Защитный барьер термоэлектрических охладителей образован двумя жгутами квадратного сечения 14. Один жгут приклеен к воздушному теплообменнику 1, другой - к водяному 2. Между жгутами предусмотрен зазор от 0,5 до 2,0 мм. При обмазке снаружи жгутов кремнийорганическим герметиком 15 образуется сплошной защитный слой, перекрывающий зазор между жгутами. При включении ТЭМ, когда температуры обоих теплообменников могут значительно отличаться, защитный барьер, обладая упругостью, сохраняет механическую прочность и паро-влаго-непроницаемость. Провода от термоэлектрических охладителей 3 и датчиков температуры 4 через каналы 8 в стенке водяного теплообменника 2 выводят в клеммную коробку 9. Клеммную коробку герметично закрывают крышкой 10, а кабель подключения проводят через сальниковую буксу. Таким образом, работа термоэлектрических охладителей 3 происходит в полностью герметичной зоне, в которую исключен доступ водяных паров. Для полного исключения в герметичной зоне остаточных паров воды в клеммную коробку вложена упаковка с силикагелем 13.

Выведение проводов токоподводящих цепей всех термоэлектрических охладителей на клеммные платы 12 внутри клеммной коробки 9 позволяет быстро варьировать переключение цепей охладителей и выбирать необходимые значения характеристик ТЭМ.

Таким образом, предлагаемый ТЭМ за счет комбинирования различных соединений токоподводящих цепей термоохладителей позволяет оперативно изменять и выбирать необходимые характеристики любых возможных вариантов параллельно-последовательного соединения, что повышает оперативность управления ТЭМ. В ранее известных устройствах (например, RU 2397074) была предусмотрена возможность комбинирования различных соединений, но только в процессе его изготовления (за счет подключения модулей на токовых площадках внутри конструкции).

В предлагаемом ТЭМ применены 24 термоэлектрических охладителя. Как показали проведенные испытания, это число является оптимальным количеством, обеспечивающим максимальное число комбинаций необходимых вариантов подключений. ТЭМ с 24 термоэлектрическими охладителями оптимален также по габаритам и массе (около 12 кг), что делает его удобным для использования в холодильных установках различной холодопроизводительности.

С целью исключения разрушения мест запрессовки ребер 17 в основании 18 теплообменника 1 (при отрицательных температурах охлаждаемого воздуха в условиях выпадения росы и образования инея), зоны запрессовки (фиг.3) обрабатывают водостойким лаком, например, УР-231, который заполняет все неплотности, микротрещины и микрополости, которые неизбежно остаются после запрессовки ребер. Тем самым исключена возможность заполнения водой этих неплотностей и микротрещин. Таким образом, надежность работы ТЭМ модуля повышается.

ТЭМ работает следующим образом.

Основным элементом ТЭМ являются термоэлектрические охладители 3, создающие эффект охлаждения при подаче на их токовые выводы постоянного напряжения заданной полярности.

При подаче напряжения постоянного тока на спаях термоэлектрических охладителей 3 возникает разность температур, обусловливающая передачу тепла с низкого температурного уровня (охлаждаемого объема, например, кладовой) на более высокий (охлаждающая вода). Тепло из охлаждаемого объема поглощается воздушным теплообменником 1 и вместе с теплом, эквивалентным потребляемой электрической мощности термоэлектрического охладителя передается на водяной теплообменник 2, где отдается проточной охлаждающей воде. Термоэлектрические охладители установлены на водяной теплообменник 2. С противоположной стороны термоэлектрические охладители 3 находятся в тепловом контакте с воздушным теплообменником. Надежность теплового контакта обеспечена стяжкой теплообменников

При работе ТЭМ на судах в водяной теплообменник подают охлаждающую воду, температура которой может достигать 5°C. При этом на внешних стенках теплообменника может выпадать роса. Длительное воздействие капельной влаги на стенки теплообменника способно вызвать усиленную коррозию. Кроме того, как показывает опыт, количество сконденсированной влаги на стенках теплообменника в течение часа может достигать 100 мл, что равносильно дополнительной тепловой нагрузке 60 Вт. При расчетной нагрузке на теплообменник 600 Вт дополнительная нагрузка от конденсата может быть принята во внимание. С целью повышения эффективности водяных теплообменников и повышения коррозионной устойчивости наружная поверхность водяных теплообменников покрыта жидким керамическим теплоизоляционным покрытием типа ″Корунд″, исключающим выпадение на покрытых поверхностях конденсата.

Claims (2)

1. Термоэлектрический модуль, состоящий из стянутых винтами воздушного и водяного теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены термоэлектрические охладители, расположенные в виде прямоугольника и окруженные защитным барьером, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен клеммной коробкой, которая расположена на внешней стороне водяного теплообменника и сообщается с полостью, в которой расположены термоэлектрические охладители и температурные датчики, посредством каналов, выполненных в стенке водяного теплообменника, при этом в упомянутых каналах расположены электрические провода охладителей и датчиков, выходы которых закреплены на клеммной плате, установленной в клеммной коробке, при этом в упомянутую коробку через сальниковый уплотнитель подведен кабель для внешних подключений.

2. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что клеммная коробка дополнительно снабжена поглотителем влаги силикагелем.