RU2450221C1

RU2450221C1 - Thermoelectric cooling device

Info

Publication number: RU2450221C1
Application number: RU2011101055/06A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Андреевич Зайков (RU); Геннадий Андреевич Зайков
Original assignee: Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения"
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-05-10

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: device comprises a vessel radiator with a cooling object fixed in it, a heat conducting element with contact surfaces, an adjacent thermoelectric battery, cold and hot solders of which are parallel to each other and are thermally connected with the inner surface of the vessel radiator wall and the wall of the cooling object. The contact surfaces of the heat conducting element are made with an inclination relative to each other, and the inner surface of the vessel radiator wall is made with an inclination relative to the cooling object wall and is provided with a collar and limiting planks, at the same time the angle of inclination of the inner surface of the vessel radiator wall to the cooling object wall is equal to the angle of inclination of contact surfaces of the heat conducting element. The thermoelectric battery is installed on the inner surface of the vessel radiator between limiting planks with a support against the collar, and the heat conducting element is installed as capable of displacement for pressing of its contact surfaces to the wall of the cooling object and cold solders of the thermal battery and is equipped with a displacement device.

EFFECT: expansion of functional capabilities and improved manufacturability of a thermoelectric cooling device.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к холодильной технике, а именно к термоэлектрическим устройствам термостатирования и охлаждения, содержащим термобатарею, состоящую из термоэлектрических модулей с холодными и горячими спаями, работающими при подаче постоянного тока и передающими свое тепло теплообменникам, находящимся внутри и снаружи холодильного устройства. При этом, как правило, внутренняя камера от внешнего теплообменника изолирована теплоизоляцией. Известно, что передача и отвод тепла осуществляются эффективнее при малом тепловом сопротивлении теплообменников. Исходя из этого применяют те или иные конструкции холодильных устройств, обеспечивающих наиболее низкое тепловое сопротивление цепи «объект охлаждения - термобатарея - отводящее устройство». В этом случае решающую роль играет вид соединения термоэлектрического модуля с теплообменным устройством.The present invention relates to refrigeration, in particular to thermoelectric devices for thermostating and cooling, containing a thermopile consisting of thermoelectric modules with cold and hot junctions, operating when direct current is supplied and transferring their heat to heat exchangers inside and outside the refrigeration device. In this case, as a rule, the inner chamber from the external heat exchanger is insulated with heat insulation. It is known that heat transfer and removal are carried out more efficiently with low thermal resistance of heat exchangers. Based on this, one or another design of refrigeration devices is used that provides the lowest thermal resistance of the circuit "cooling object - thermal battery - outlet device". In this case, the type of connection of the thermoelectric module with the heat exchange device plays a decisive role.

В настоящее время в качестве батарей в холодильных приборах применяют термоэлектрические модули Пельтье. Термоэлектрические модули изготавливают из двух гладких, сравнительно тонких (2 мм) наружных керамических прокладок и полупроводниковых переходов, находящихся между прокладками. Именно наличие керамических пластин создает сложности при установке и закреплении указанных модулей в различного рода конструкциях холодильных устройств. Стоит отметить, что в последнее время предпринимаются попытки по замене хрупкой керамики на более прочный материал (ПМ №33462 от 27.06. 2003. М. Кл. 7 Н01L 35/02, 35/32), например на алюминий или медь с небольшим слоем керамики. Это позволяет изготавливать термомодули различного конструктивного исполнения и размеров, но в силу различных причин производство указанных модулей и их применение в термоэлектрических приборах в настоящее время не налажено.Currently, Peltier thermoelectric modules are used as batteries in refrigeration appliances. Thermoelectric modules are made of two smooth, relatively thin (2 mm) outer ceramic gaskets and semiconductor junctions located between the gaskets. It is the presence of ceramic plates that creates difficulties in the installation and fixing of these modules in various types of refrigeration units. It is worth noting that recently attempts have been made to replace brittle ceramics with more durable material (PM No. 33462 dated 06/27/2003. M. Cl. 7 H01L 35/02, 35/32), for example, aluminum or copper with a small layer of ceramic . This allows the manufacture of thermal modules of various designs and sizes, but for various reasons, the production of these modules and their use in thermoelectric devices is not currently established.

В связи с этим в большинстве случаев в холодильных устройствах применены термоэлектрические модули с гладкими керамическими пластинами с различными конструктивными вариантами их установки и закрепления.In this regard, in most cases, thermoelectric modules with smooth ceramic plates with various design options for their installation and fastening are used in refrigeration units.

Так, например, известен термоэлектрический холодильник (М. кл. F25B 21/02, авт.св. N342024 от 14.06.72), содержащий прямоугольную камеру с двойными стенками, полость между которыми отвакуумирована, и термоэлектрическую батарею из полупроводниковых элементов с коммутационными пластинами на горячих и холодных спаях, которые размещены в ее межстеночной полости, и наружные стенки камеры поджаты атмосферным давлением к коммутационным пластинам «горячих» слоев, а внутренние к коммутационным пластинам «холодных» спаев. Каждый полупроводниковый элемент заключен в вакуумно-плотный кожух, а камеры и дверь по линии разъема имеют гофрированные вставки из малотеплопроводного материала, между гофрами которых размещены прокладки.So, for example, a thermoelectric refrigerator is known (M. cl. F25B 21/02, ed. St. N342024 of 06/14/72) containing a rectangular chamber with double walls, the cavity between which is evacuated, and a thermoelectric battery of semiconductor elements with patch plates on hot and cold junctions, which are placed in its inter-wall cavity, and the outer walls of the chamber are drawn by atmospheric pressure to the connecting plates of the “hot” layers, and the internal walls to the connecting plates of the “cold” junctions. Each semiconductor element is enclosed in a vacuum-tight casing, and the chambers and the door along the connector line have corrugated inserts of low-heat-conducting material, between which corrugations there are gaskets.

Недостатком такого холодильника является сложность конструкции, обусловленная необходимостью выполнения параллельных упругих тонких стенок, обеспечивающих хороший тепловой контакт термобатареи с указанными стенками и охлаждаемым объектом, отвод тепла от указанных стенок, а также необходимость вакуумирования полостей межстеночноного пространства и защиты этих полостей и полупроводниковых элементов от действия атмосферного давления. Кроме того, в подобной конструкции трудно осуществить одинаковое усилие прижима для нескольких рядом расположенных термобатарей к внутренним и наружным стенкам холодильника.The disadvantage of such a refrigerator is the design complexity due to the need to perform parallel elastic thin walls that provide good thermal contact between the thermopile and the walls and the object to be cooled, heat removal from these walls, and the need for evacuation of the interwall space cavities and the protection of these cavities and semiconductor elements from atmospheric action pressure. In addition, in such a design, it is difficult to realize the same clamping force for several adjacent thermal batteries to the inner and outer walls of the refrigerator.

Известно также техническое решение (SU №1257378 A1, F25В 21/02 от 16.01.85), содержащее теплоизолированный кожух, в котором размещен металлический стакан с термоэлектрическим охладителем, выполненным в виде расположенной внутри кожуха системы радиально установленных термобатарей с индивидуальным теплообменником и упругим прижимом у каждой из них, а на боковой поверхности стакана между батареями выполнены боковые прорези. Данное решение устраняет недостаток предыдущей конструкции в части размещения рядом расположенных термобатарей, но в тоже время обладает рядом других. Наличие дополнительной стенки, необходимой для упора пружин прижимов, усложняет конструкцию, стенка мешает отводу тепла от теплообменников и, в связи с этим, возникает необходимость применения водяного охлаждения.A technical solution is also known (SU No. 1257378 A1, F25В 21/02 of 01.16.85) containing a thermally insulated casing, in which a metal cup with a thermoelectric cooler is placed, made in the form of a system of radially installed thermopiles located inside the casing with an individual heat exchanger and an elastic clamp each of them, and on the side surface of the glass between the batteries side slots are made. This solution eliminates the drawback of the previous design in terms of placing adjacent thermal batteries, but at the same time has a number of others. The presence of an additional wall, necessary for stopping the spring clamps, complicates the design, the wall interferes with the removal of heat from heat exchangers and, in connection with this, there is a need to use water cooling.

Наиболее близким по техническому решению является термоэлектрическое устройство для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащее термоэлектрическую батарею, на холодных спаях которой установлен объект охлаждения, а горячие спаи снабжены радиатором с теплопроводным элементом, выполненным в виде пластины, установленной между горячими спаями и радиатором и жестко присоединенной к ним (авт.св. N861894, кл. F25В 21.02, от 21.08.78).The closest in technical solution is a thermoelectric device for cooling semiconductor devices, containing a thermoelectric battery, on the cold junctions of which a cooling object is installed, and the hot junctions are equipped with a radiator with a heat-conducting element made in the form of a plate mounted between the hot junctions and the radiator and rigidly attached to them (ed. St. N861894, class F25B 21.02, 08.21.78).

Выполнение теплопроводного элемента в виде пластины хотя и позволяет иметь тепловой контакт охлаждаемого элемента со спаями батареи при определенной температуре, однако исключает возможность его контроля и регулировки. При этом подобное конструктивное решение сложно применить в устройстве, где объекту охлаждения требуется двухстороннее и к тому же, например, многоместное охлаждение. Кроме того, для осуществления контакта с помощью пластины (плоскопараллельного теплопроводного элемента), требуется соблюдение высокой точности изготовления теплопроводного элемента по сравнению с расчетным значением, так как практически приращение его размеров при нагревании (изменении температуры) сравнимо с допуском на его изготовление по 9-11 квалитету). Данное обстоятельство затрудняет применение теплопроводных пластин в указанных устройствах без их индивидуальной подгонки (регулировки) теплопроводных элементов и, следовательно, такую конструкцию сложно применить для серийного изготовления указанных охлаждающих устройств.The implementation of the heat-conducting element in the form of a plate, although it allows you to have thermal contact of the cooled element with the junctions of the battery at a certain temperature, but excludes the possibility of its control and adjustment. Moreover, such a constructive solution is difficult to apply in a device where the cooling object requires two-sided and, for example, multi-seat cooling. In addition, to make contact with a plate (a plane-parallel heat-conducting element), it is necessary to maintain high accuracy of manufacturing a heat-conducting element in comparison with the calculated value, since the practically increment of its dimensions during heating (temperature change) is comparable to the manufacturing tolerance of 9-11 quality). This circumstance complicates the use of heat-conducting plates in these devices without their individual adjustment (adjustment) of the heat-conducting elements and, therefore, such a design is difficult to apply for serial production of these cooling devices.

Задача изобретения состоит в расширении функциональных возможностей и повышении технологичности термоэлектрического охлаждающего устройства.The objective of the invention is to expand the functionality and improve the manufacturability of a thermoelectric cooling device.

Поставленная задача решается за счет того, в термоэлектрическом охлаждающем устройстве, содержащем корпус-радиатор с закрепленным в нем объектом охлаждения, теплопроводным элементом с контактными поверхностями, примыкающей к нему термоэлектрической батарей, холодные и горячие спаи которой параллельны друг другу и термически соединены с внутренней поверхностью стенки корпуса-радиатора и стенкой объекта охлаждения, контактные поверхности теплопроводного элемента выполнены с наклоном относительно друг друга, а внутренняя поверхность стенки корпуса-радиатора выполнена с наклоном относительно стенки объекта охлаждения и снабжена буртиком и ограничительными планками, при этом угол наклона внутренней поверхности корпуса-радиатора к стенке объекта охлаждения равен углу наклона контактных поверхностей теплопроводного элемента, причем термоэлектрическая батарея установлена на внутренней поверхности корпуса-радиатора между ограничительными планками с опорой на буртик, а теплопроводный элемент установлен с возможностью перемещения для прижима его контактных поверхностей к стенке объекта охлаждения и холодным спаям термобатареи и снабжен устройством перемещения.The problem is solved due to the fact that in a thermoelectric cooling device containing a radiator body with a cooling object fixed in it, a heat-conducting element with contact surfaces, adjacent thermoelectric batteries, the cold and hot junctions of which are parallel to each other and are thermally connected to the inner surface of the wall the radiator case and the wall of the cooling object, the contact surfaces of the heat-conducting element are inclined relative to each other, and the inner surface the walls of the radiator case are made with an inclination relative to the wall of the cooling object and provided with a shoulder and restrictive bars, while the angle of inclination of the inner surface of the radiator body to the wall of the cooling object is equal to the angle of the contact surfaces of the heat-conducting element, the thermoelectric battery being installed on the inner surface of the radiator body between restrictive strips supported by a shoulder, and the heat-conducting element is installed with the possibility of movement to clamp its contact surfaces NOSTA object to the wall cooling and cold spayam thermopile and provided with displacement apparatus.

Выполнение равных углов наклона контактных поверхностей теплопроводного элемента и внутренней поверхности стенки корпуса-радиатора со стенкой объекта охлаждения обеспечивает при перемещении теплопроводного элемента прижим друг к другу всех контактных поверхностей, участвующих в теплообмене между объектом охлаждения и корпусом-радиатором.The implementation of equal inclination angles of the contact surfaces of the heat-conducting element and the inner surface of the wall of the radiator body with the wall of the cooling object ensures that when moving the heat-conducting element, all contact surfaces involved in heat exchange between the cooling object and the radiator body are pressed against each other.

Возможность получения одинакового усилия прижима путем перемещения каждого отдельно взятого теплопроводного элемента позволяет обеспечить в конструкции охлаждающего устройства двухместную и двухстороннюю установку термобатарей, получая при этом в каждом случае качественный контакт независимо от величины первоначального зазора между стенками корпуса-радиатора и объекта охлаждения. Наличие двухсторонней и двухместной установки термобатарей улучшает равномерность распределения температуры в охлаждаемом объекте и корпусе-радиаторе, что в конечном итоге повышает надежность и качество работы устройства.The possibility of obtaining the same clamping force by moving each individual heat-conducting element makes it possible to provide two-sided and two-sided installation of thermal batteries in the design of the cooling device, while in this case receiving high-quality contact regardless of the size of the initial clearance between the walls of the radiator body and the cooling object. The presence of a two-sided and two-seater installation of thermal batteries improves the uniformity of temperature distribution in the cooled object and the radiator case, which ultimately increases the reliability and quality of the device.

Таким образом, заявляемое техническое решение путем применения двухстороннего и двухместного охлаждения объекта позволило в отличие от прототипа расширить его функциональные возможности, не усложняя при этом конструкцию устройства.Thus, the claimed technical solution through the use of double and double cooling of the object, unlike the prototype, allowed to expand its functionality, without complicating the design of the device.

Выполнение с наклоном относительно друг друга контактных поверхностей теплопроводного элемента повышает технологичность конструкции, так как в этом случае не нужен точный расчет толщины теплопроводного элемента, требующий многих справочных данных о применяемых элементах. И, главное, отпадает необходимость его изготовления согласно расчетному значению с допусками, которые обязательно должны быть меньше температурных изменений размеров элементов, находящихся между объектом охлаждения и корпусом-радиатором.The execution of the contact surfaces of the heat-conducting element with an inclination relative to each other increases the manufacturability of the structure, since in this case an accurate calculation of the thickness of the heat-conducting element is not necessary, requiring many reference data on the elements used. And, most importantly, there is no need to manufacture it according to the calculated value with tolerances that must necessarily be less than temperature changes in the sizes of the elements located between the cooling object and the radiator body.

Заявленное техническое устройство поясняется графическими материалами, на которых представлены:The claimed technical device is illustrated by graphic materials on which are presented:

- на фиг.1 - фронтальный разрез устройства;- figure 1 is a frontal section of the device;

- на фиг.2 - профильный сложный разрез устройства;- figure 2 is a profile complex section of the device;

- на фиг.3 - вид В (увеличенное взаимное положение термобатареи и теплопроводного элемента после их установки).- figure 3 is a view of B (increased mutual position of the thermopile and the heat-conducting element after installation).

Устройство содержит расположенные по обе стороны охлаждаемого объекта четыре термоэлектрические батареи 1, холодные и горячие спаи которых параллельны друг другу, корпус-радиатор 2 с внутренней наклонной поверхностью 3, буртиком 4 и ограничительными планками 5, объект охлаждения (телекамеру) 6, теплопроводные элементы 7 с контактными поверхностями 8 и 9, устройство перемещения теплопроводных элементов в виде винтов 10, установленных на планках 11. Контактные поверхности 8 и 9 теплопроводных элементов 7 выполнены с наклоном относительно друг друга, а внутренняя поверхность 3 корпуса-радиатора 2 выполнена с таким же наклоном относительно стенки объекта охлаждения 6. Объект охлаждения 6 неподвижно закреплен в корпусе-радиаторе винтами 12. С внутренней стороны корпус-радиатор имеет теплоизоляцию 13, установленный на теплоизоляционном основании регулятор температуры 14, который сверху закрывается крышкой 15. Электропитание на термобатарею 1, телекамеру 6 и регулятор температуры 14 подается через разъем 16.The device contains four thermoelectric batteries 1 located on both sides of the cooled object, whose cold and hot junctions are parallel to each other, a radiator case 2 with an internal inclined surface 3, a shoulder 4 and restrictive bars 5, a cooling object (camera) 6, heat-conducting elements 7 s contact surfaces 8 and 9, a device for moving heat-conducting elements in the form of screws 10 mounted on the slats 11. Contact surfaces 8 and 9 of heat-conducting elements 7 are made with an inclination relative to each other ug, and the inner surface 3 of the casing-radiator 2 is made with the same slope relative to the wall of the cooling object 6. The cooling object 6 is fixedly mounted in the casing-radiator with screws 12. On the inside, the casing-radiator has thermal insulation 13, a temperature controller 14 installed on the heat-insulating base , which is closed by a cover 15. The power supply to the thermal battery 1, the camera 6 and the temperature controller 14 is supplied through the connector 16.

Работа устройства, представленного на фиг.1 и фиг.2, происходит следующим образом.The operation of the device shown in figure 1 and figure 2, is as follows.

В корпус-радиатор 2 с предварительно снятыми крышкой 15 и планками 11 устанавливают охлаждаемое устройство 6 и закрепляют винтами 12. На внутреннюю поверхность 3 между ограничительных планок 5 с опорой на буртик 4 устанавливают пластины термобатарей 1. После установки пластин термобатареи 1 между ними и стенкой объекта охлаждения 6 устанавливают теплопроводные элементы 7, планки 11 и винты 10. Затем винтом 10 перемещают теплопроводный элемент 7 до достижения плотного контакта его поверхностей с холодными спаями термобатареи 1 и стенкой объекта охлаждения 7. Указанную операцию проводят отдельно для каждого теплопроводного элемента, получая таким образом независимые качественные контакты каждой термобатареи 1 с теплопроводным элементом 7 и корпусом-радиатором 2, а объекта охлаждения 6 с теплопроводным элементом 7. При этом качество контактов практически не зависит от расстояния между внутренней стенкой корпуса-радиатора 2 и стенкой объекта охлаждения 6, а определяется только величиной перемещения теплопроводного элемента 7.In the radiator case 2 with the cover 15 and the strips 11 removed previously, a cooled device 6 is installed and fastened with screws 12. On the inner surface 3 between the restrictive strips 5 resting on the shoulder 4, the thermopiles 1 plates are installed. After installing the thermopiles 1 plates, between them and the object wall cooling 6 install heat-conducting elements 7, straps 11 and screws 10. Then, with a screw 10, move the heat-conducting element 7 to achieve tight contact of its surfaces with cold junctions of the thermopile 1 and the wall of the cooling object 7. The indicated operation is carried out separately for each heat-conducting element, thus obtaining independent high-quality contacts of each thermopile 1 with the heat-conducting element 7 and the radiator body 2, and the cooling object 6 with the heat-conducting element 7. Moreover, the quality of the contacts practically does not depend on the distance between the inner wall of the radiator casing 2 and the wall of the cooling object 6, and is determined only by the amount of movement of the heat-conducting element 7.

Указанное обстоятельство позволило сравнительно просто, в отличие от аналогов, применить в конструкции охлаждающего устройства двухместное и двустороннее охлаждение телекамеры 6. Наличие двухстороннего и двухместного охлаждения улучшает равномерность распределения температуры в объекте охлаждения и корпусе-радиаторе, что в конечном итоге повышает надежность и качество его работы.This circumstance made it possible relatively simply, unlike analogues, to use double and double-sided cooling of the camera 6. In the design of the cooling device, the presence of double-sided and double-sided cooling improves the uniformity of temperature distribution in the cooling object and the radiator body, which ultimately increases the reliability and quality of its operation .

Таким образом, реализованное в данном устройстве заявляемое техническое решение позволило в отличие от прототипа расширить его функциональные возможности при одновременном повышении технологичности и упрощении конструкции.Thus, the claimed technical solution implemented in this device made it possible, in contrast to the prototype, to expand its functionality while improving manufacturability and simplifying the design.

По мнению автора, заявляемое техническое решение может найти широкое применение в различных конструкциях холодильной и термостабилизирующей техники, в особенности, для многоместного и многостороннего охлаждения и термостабилизирования различных объектов техники.According to the author, the claimed technical solution can be widely used in various designs of refrigeration and thermostabilizing equipment, in particular, for multi-seat and multi-sided cooling and thermal stabilization of various objects of technology.

Claims

A thermoelectric cooling device comprising a radiator case with a cooling object fixed in it, a heat-conducting element with contact surfaces, an adjacent thermoelectric battery, the cold and hot junctions of which are parallel to each other and are thermally connected to the inner surface of the wall of the radiator case and the wall of the cooling object, characterized in that the contact surfaces of the heat-conducting element are inclined relative to each other, and the inner surface of the wall of the housing is a radiator and made with an inclination relative to the wall of the cooling object and provided with a shoulder and restrictive bars, while the angle of inclination of the inner surface of the wall of the radiator body to the wall of the cooling object is equal to the angle of the contact surfaces of the heat-conducting element, the thermoelectric battery mounted on the inner surface of the radiator body between the restrictive bars relying on the shoulder, and the heat-conducting element is mounted with the ability to move to clamp its contact surfaces to the wall about ekta cooling and cold spayam thermopile and is provided with a displacement device.