Термоелектричний охолоджувач

Реферат: Термоелектричний охолоджувач складається з n- та р-гілок та електротеплопереходів. Протилежні торці почергово розташованих у циліндричному сепараторі р- та n-гілок за допомогою електротеплопереходів з'єднано у електрично короткозамкнену, через випрямляючий діод, термоелектричну батарею, яка співвісно розташована у внутрішньому об'ємі статора, у вигляді пустотілого циліндра з феродіелектричного матеріалу з внутрішніми повздовжніми пазами з електричними обмотками, що генерують магнітне поле, яке обертається навколо центральної осі термоелектричної батареї. UA 85707 U (12) UA 85707 U UA 85707 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до термоелектричних пристроїв, а саме термоелектричних охолоджувачів, і знайде застосування в практиці охолодження в області кімнатних температур та нижче, різноманітних приладів, які застосовуються у приладобудуванні, побуту, медицині тощо. В даний час охолодження в області кімнатних температур та нижче проводиться різними методами, в тому числі і застосуванням ефекту Пельт'є [1]. Електроживлення охолоджуючих пристроїв в цьому випадку проводиться постійним електричним струмом, що зумовлює їх роботу в стаціонарному тепловому режимі. Найбільш близьким аналогом до пристрою, що заявляється, є термоелектричні охолоджувачі, які складаються з n- та р-гілок на основі кристалів твердих розчинів Bi-Te-Se-Sb, які розміщено між керамічними електротеплопереходами. Одна з граней цього пристрою знаходиться в тепловому контакті з термостатом, а друга - з елементом, яких охолоджується. Проходження постійного електричного струму відповідних величини та полярності викликає необхідний рівень охолодження елементу, який термостатується [2]. Недоліком таких термоелектричних охолоджувачів є недостатній перепад температур, який досягається, в цьому випадку при відносно великій споживній електричній потужності. Вищенаведені недоліки обумовлені тим, що термоелектричні матеріали, які застосовують в даний час для виготовлення термоелектричних охолоджувачів, працюючих в стаціонарному режимі, характеризуються відносно низьким значенням термоелектричної добротності - Zст. Цей фактор є стримуючим для подальшого розвитку термоелектричного охолодження в області як кімнатних температур, так і нижчих. Тому досить актуальною є задача створення термоелектричних охолоджувачів на існуючих матеріалах, які характеризувалися б підвищеним перепадом температур при зменшеному значенні електричної потужності, яка ними споживається. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованому термоелектричному охолоджувачі з n- та р-гілок і електротеплопереходів, згідно з корисною моделлю, протилежні торці почергово розташованих у циліндричному сепараторі n- та р-гілок за допомогою електротеплопереходів з'єднано у короткозамкнену, через випрямляючий діод, термоелектричну батарею, яка співвісно розташована у внутрішньому об'ємі статора у вигляді пустотілого циліндра з феродіелектричного матеріалу з внутрішніми повздовжніми пазами, з електричними обмотками, що генерують магнітне поле, яке обертається навколо центральної осі термоелектричної батареї, при цьому n- та р-гілки термоелектричної батареї зі сторони холодної грані з'єднано між собою за допомогою загального контакту у вигляді кільця, а зі сторони гарячої грані - n- та р-гілки з'єднано окремо до двох співвісно розташованих кільцевих контактів відповідно, а у внутрішньому об'ємі сепаратора з термоелектричною батареєю співвісно розташовано циліндричний сердечник з феродіелектричного матеріалу. В заявленій корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для термоелектричних охолоджувачів, яке полягає в тому, що протилежні торці почергово розташованих у циліндричному сепараторі n- та р-гілок за допомогою електропереходів з'єднано у короткозамкнену, через випрямляючий діод, термоелектричну батарею, яка співвісно розташована у внутрішньому об'ємі статора у вигляді пустотілого циліндра з феродіелектричного матеріалу з внутрішніми повздовжніми пазами, з електричними обмотками, що генерують магнітне поле, яке обертається навколо центральної осі термоелектричної батареї, при цьому n- та р-гілки термоелектричної батареї зі сторони холодної грані з'єднано між собою за допомогою загального контакту у вигляді кільця, а зі сторони гарячої грані - n- та ргілки з'єднано окремо до двох співвісно розташованих кільцевих контактів відповідно, а у внутрішньому об'ємі сепаратора з термоелектричною батареєю співвісно розташовано циліндричний сердечник з феродіелектричного матеріалу. Відповідність критерію "новизна" запропонованої корисної моделі забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному об'єкті існуючого рівня техніки. Промислове використання запропонованої моделі не вимагає спеціальних технічних та технологічних прийомів і матеріалів, її практична реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівного напрямку. Запропонований термоелектричний охолоджувач складається (фіг. 1-4) з гілок 1 та 2, р- та n-типів провідності відповідно, які виготовляються з класичних кристалів твердих розчинів Bi-TeSe-Sb. З однієї сторони ці гілки, що розташовані в сепараторі 16, знаходяться у електротепловому контакті з теплообмінником 9, через який за допомогою штуцерів 7, 8 пропускається рідина, яка охолоджується. На протилежних торцевих гранях теплообмінника 9 розташовано електрокомутаційне кільце 3, яке електрично з'єднує між собою гілки 1 та 2. Це кільце виготовляється з шарів міді та нікелю, які нанесені на торцеві грані теплообмінника 9. 1 UA 85707 U 5 10 15 20 25 30 Протилежні торцеві грані гілок 1 та 2, в свою чергу, з'єднано електрично з роздільними кільцями 4, 5, які розташовані на торцевій грані гарячого теплообмінника 10, який теж виконано з кераміки. Протилежна торцева грань цього теплообмінника містить штуцери 7, 8, за допомогою яких через цей теплообмінник пропускається рідина, що відводить позитивне тепло Джоуля, Пельт'є та Нернста, яке виділяється гарячими торцевими гранями гілок 1 та 2. Між зовнішнім кільцем 4 та внутрішнім кільцем 5 включено випрямляючий напівпровідниковий діод 21, причому його полярність вибрано таким чином, що струм, який проходить через гілки 1 та 2, забезпечує заданий тепловий режим роботи. Сепаратор 16 разом з гілками 1 та 2 з теплообмінниками 9 та 10 співвісно розташовано у внутрішньому об'ємі статора 14. Цей статор являє собою пустотілий циліндр з феродіелектричного матеріалу. Внутрішня поверхня циліндра має повздовжні пази 20 прямокутного перерізу, в яких розміщено електричні обмотки 15, що генерують магнітне поле. Ці обмотки, чисельність яких кратна трьом, розміщуються під кутом 120° одна відносно одної. Електрично ці обмотки з'єднуються в схему трикутника або зірки, що далі під'єднується до джерела трифазного струму. Виводи електричних обмоток 15 через отвір 18 підводяться до пластини 19 з роз'ємом (фіг. 1-3). Фіксація термоелектричної батареї у внутрішньому об'ємі статора 14 здійснюється кришками 12 та теплодемпфуючої пластини 11 за допомогою гвинтів 6 (фіг. 2-3). Для підвищення ефективності роботи запропонованого термоелектричного холодильника бічна поверхня гілок 1 та 2 містить шар термоізолу 13 (фіг. 2), а в центральній частині сепаратора 14 співвісно розташовано циліндричний сердечник 17 з феродіелектричного матеріалу. На фіг. 4 наведено електричну схему підключення запропонованого термоелектричного охолоджувача до однофазної мережі змінного струму. Вона складається з вхідного автотрансформатора Атр, роз'єднуючого знижуючого трансформатора Т р, вторинна обмотка якого підключено до електричних обмоток статора, які з'єднано в електричну схему трикутника. Зсув фази здійснюється за допомогою конденсатора С. Запропонований термоелектричний охолоджувач працює наступним чином. При його включенні в електричну схему, яка зображена на фіг. 4, через електричні обмотки 15 статора 14 починає протікати трифазний електричний струм, який викликає появу магнітного поля, що обертається навколо центральної осі статора 14. Результуюча магнітна індукція B ðåç , яка виникає в цьому випадку, дається виразом: 3 x  , (1)  B õðåç  Bì sin t  2    де B õðåç - значення магнітної індукції між поверхнями статора 14 і сердечника 17 на відстані 35 40 x від осі обмотки; Bì - амплітудне значення магнітної індукції однієї з обмоток;  - циклічна частота або кутова швидкість; t - час; x - відстань від осі обмотки;  - міжполюсне ділення. Слід відзначити, що напрямок B ðåç в любій точці внутрішнього об'єму статора 14 завжди орієнтований вздовж радіуса, при цьому він перпендикулярний довжині l гілок 1, 2. Обертання магнітної індукції B ðåç викликає появу магнітного потоку Ф, періодична зміна якого викликає на 45 50 торцях гілок 1 та 2 ЕРС індукції Еi, величина якої дорівнює: для середнього значення - Еср=4f1фФм; (2) для ефективного значення - Ее=4,44f1фФм, (3) де ф - чисельність гілки в фазі; Фм - амплітудне значення магнітного потоку. При цьому полярність ЕРС індукції, яка виникає на гілках р- та n-типу провідності, має протилежнийзнак. У випадку, коли гілки 1 та 2 електрично замкнено через випрямляючий діод 21, утворюється замкнений ланцюг з ЕРС в кожній гілці і проти ЕРС також в кожній гілці. Вираз для струму у замкненому колі: ñð   T S , (4) Iñð  l Ie  e   T S , (5) l 2 UA 85707 U де ñð - середнє значення напруги на термоелементі;  e - ефективне значення напруги на термоелементі; T - перепад температури на термоелементі; 5   - середнє значення термоЕРС гілок термоелемента. Цей струм внаслідок дії ефекту Пельт'є та Нернста викликає між торцевими гранями гілок 1 та 2 різницю температур T , максимальне значення якої досягає при оптимальному значенні струму: Tmax  10 2 Z  Tx , (6) 2K 'f де Z  - динамічна добротність матеріалу гілок 1 та 2, яка в нашому випадку дорівнює Z p  Z n  Z  ; K 'f - коефіцієнт форми,  T 1,017   max ñð I . (7) K 'f  e   T Iñð 1   max ñð Максимальна холодопродуктивність Q0 max такого термоелементу має вигляд: 15 20 25 30 35 40 45 1 l  T S Q0 max   Tx Iñð îïò  K 2 Iñð îïò    max . (8) f 2 S lZ  Потужність, яка споживається термоелементом, дорівнює: l 2 W  K 2Iñð  Iñð T . (9) f S Завдяки безконтактному об'ємному вводу електричної енергії в гілки термоелемента до ефекту Пельт'є, який виникає на торцях гілок, додається об'ємний ефект Нернста. Таким чином, підвищення максимальної холодопродуктивності можливе за рахунок росту , вибору 1 , f1 , Фм, від яких залежить ЕРС і додаткові повздовжні ефекти, що підвищують Z різницю температур на термоелементі. Попередні експериментальні дослідження запропонованого термоелектричного охолоджувача проводилися на макетному зразку, який виконувався з р- та n-гілок провідності 1 та 2, виготовлених з кристалів твердих розчинів Bi-Te-Se-Sb, що отримувалися методом вертикальної зонної перекристалізації, паралельно розміщених в сепараторі. Величина термоелектричної добротності кристалів складала: -3 -1 Ζp=3,28·10 K ; -3 -1 Ζn=3,36·10 K . Геометричні розміри р- та n-гілок 1 та 2 були однакові та складали: l=3,00 мм, а площа 2 поперечного перерізу при цьому дорівнювала S'=1,4×1,4 мм . Ці гілки розміщувалися в сепараторі 16, що виготовлявся з термоізолу. Торцеві грані гілок 1 та 2 з одної сторони комутувалися з кільцем 3, що розташовано на торцевій грані холодного теплообмінника 9 з кераміки 22ХС, а протилежні торцеві грані електрично комутувалися методом пайки з комутуючими кільцями 4 та 5, які розташовані на гарячому теплообміннику 10. Сепаратор 16 разом з термоелектричною батареєю, в свою чергу, співвісно розміщувався в статорі 14 (фіг. 1-3). Електричні обмотки 15 статора 14 з'єднувалися в схему "трикутника" та підключалися до джерела змінного електричного живлення за допомогою схеми, яка зображена на фіг. 4. При цьому вхідний автотрансформатор, за допомогою якого встановлювалася величина електричного струму, що протікає через гілки 1 та 2, підключався до джерела змінного струму з напругою ~220 В, частотою 50 Гц. Величина цього струму між холодним та гарячим спаями термоелектричної батареї визначалася мідь-константановими термопарами. Як випрямляючий діод 21 застосовувався кремнієвий діод КД210. Макетний зразок охолоджувача розміщувався у внутрішньому об'ємі камери тепла та холоду КХТ. Дослідження запропонованого охолоджувача проводилися у випадках як в обертаючому магнітному полі, так і в стаціонарному режимі (при постійному струмі, що протікає через термоелектричну батарею). В останньому випадку батарея за допомогою додаткових 3 UA 85707 U 5 електровиводів під'єднувалася до джерела постійного струму (в нашому випадку стабілізований випрямляючий пристрій Б7-21). При цьому величина постійного струму вимірювалася за допомогою зразкової котушки, яка послідовно електрично включена з діодом 21. Результати вимірювань цього охолоджувача на постійному струмі показали, що максимальна різниця температур між гарячою та холодною гранями досягає значень îïò T1  64  66 K , при оптимальному постійному струмі I1  14,9 A . Аналогічне дослідження цього пристрою у випадку обертаючого магнітного поля дали значення: T2  96  98 K , при 10 15 20 25 30 35 оптимальному постійному струмі Iîïò  8,2 A . При цьому в останньому випадку значно 2 розширюється робочий діапазон температур охолоджувача у бік низьких температур. Такі суттєві позитивні зміни характеристик запропонованого пристрою надає динамічний режим його роботи, який забезпечується взаємодією обертаючого магнітного поля з носіями електричних зарядів гілок 1 та 2. Запропонований термоелектричний охолоджувач знайде широке застосування в сучасній науці та техніці. Його застосування дасть великий економічний та соціальний ефект. Джерела інформації: 1. Глемба Н.Н., Простеби Л.И., Ащеулов А.А. и Плашенков Р.И. "Термоэлектрический модуль", А.С. СССР, № 971052 от 04.03.81. 2. Ащеулов А.А., Маник О.М. "Термоелектричний модуль", патент UA № 9207 від 15.09.2005. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Термоелектричний охолоджувач, що складається з n- та р-гілок та електротеплопереходів, який відрізняється тим, що протилежні торці почергово розташованих у циліндричному сепараторі р- та n-гілок за допомогою електротеплопереходів з'єднано у електрично короткозамкнену, через випрямляючий діод, термоелектричну батарею, яка співвісно розташована у внутрішньому об'ємі статора, у вигляді пустотілого циліндра з феродіелектричного матеріалу з внутрішніми повздовжніми пазами з електричними обмотками, що генерують магнітне поле, яке обертається навколо центральної осі термоелектричної батареї. 2. Термоелектричний охолоджувач за п. 1, який відрізняється тим, що у внутрішньому об'ємі сепаратора з термоелектричною батареєю співвісно розташовано циліндричний сердечник з феродіелектричного матеріалу. 3. Термоелектричний охолоджувач пп. 1, 2, який відрізняється тим, що n- та p-гілки термоелектричної батареї зі сторони холодної грані з'єднано між собою за допомогою загального контакту у вигляді кільця, а зі сторони гарячої грані - n- та p-гілки з'єднано окремо до двох співвісно розташованих кільцевих контактів відповідно. 4 UA 85707 U 5 UA 85707 U 6 UA 85707 U 7 UA 85707 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8