Устройство для нагрева и охлаждения жидкости - RU2142178C1
Код документа: RU2142178C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к системам нагрева и охлаждения жидкости, а именно к устройствам, работа которых основана на эффекте Пельтье, и может быть использовано в машиностроении, в частности в автомобилестроении, в областях холодильной техники, в медицинской технике и т.д.
Известно устройство для охлаждения и нагрева жидкости, в котором производится одновременный нагрев и охлаждение жидкости при помощи термоэлектрической полупроводниковой батареи. Устройство обеспечивает контакт жидкости непосредственно с горячими и холодными спаями термобатареи, что позволяет исключить потери тепла и повысить энергетическую эффективность устройства, но ограничивает вид теплоносителя, так как в данном случае может быть использована только неэлектропроводная жидкость (авт. св. СССР N 968620, кл. H 01 L 35/02, 1983).
Наиболее близким к предложенному решению является устройство для нагрева и охлаждения жидкости, включающее термобатарею, содержащую полупроводниковые ветви p- и n-типа проводимости, коммутационные шины, теплопереходы и токовые выводы, теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, средства подачи и отвода жидкости (авт. св. N 1764094, кл. H 01 L 35/02, 1992).
Данное устройство не позволяет достигнуть одновременно высокой удельной холодопроизводительности и теплотехнической эффективности, так как не более 30 - 40% поверхности теплообменников участвуют в передаче тепла, теплообменники взаимодействуют лишь с одной поверхностью теплопереходов термобатарей.
Техническим результатом изобретения является достижение удельной холодопроизводительности не менее 250 Вт/л объема, занимаемым устройством при теплофизической эффективности, соответствующей потере теплового напора не более 20% (при использовании термобатарей с термоэлектрической эффективностью не ниже 2, 5/1000К с теплоносителем вода).
Технический результат достигается за счет того, что устройство для нагрева и охлаждения жидкости, включающее термобатарею, содержащую полупроводниковые ветви p- и n-типа проводимости, коммутационные шины, теплопереходы, токовые выводы, теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, средства подачи и отвода жидкости, снабжено герметичными прокладками, верхней и нижней крышками и отводами, при этом теплообменники выполнены в виде чередующихся каналов горячего и холодного контуров протока жидкости, верхняя и нижняя стенки которых образованы соответственно двумя горячими или двумя холодными теплопереходами параллельно установленных с зазором по отношению друг к другу термобатарей, между которыми размещены герметичные прокладки, а верхняя и нижняя крышки установлены на герметичных прокладках с образованием верхнего и нижнего каналов теплообменников, при этом каналы каждого теплообменника соединены последовательно или последовательно-параллельно, причем средства подачи и отвода жидкости, выполненные, например, в виде штуцеров, могут быть установлены с противоположных сторон смежных каналов, обеспечивая циркуляцию жидкости в режиме противотока, либо на прилежащих сторонах теплопереходов, обеспечивая циркуляцию жидкости во взаимно перпендикулярных направлениях; теплопереходы термобатарей могут быть выполнены составными, причем стыки между теплопереходами могут быть ориентированы как вдоль каналов, так и поперек и заполнены эластичным материалом; каналы могут быть снабжены поддерживающими прокладками, расположенными вдоль каналов; устройство может быть снабжено поддерживающими прокладками, размещенными внутри каналов в местах стыка частей теплопереходов, ориентированных вдоль каналов, а герметичные прокладки, образующие совместно с одноименными теплопереходами каналы теплообменников, выполнены из эластичного герметичного упругого материала либо из жесткого материала, но соединены с теплопереходами герметичным эластичным упругим материалом.
На фиг. 1 изображено устройство для нагрева и охлаждения жидкости; на фиг. 2 - поперечный разрез устройства; на фиг.3 - схема последовательно-параллельного соединения каналов теплообменников.
Устройство для нагрева и охлаждения жидкости включает термобатарею 1, которая содержит полупроводниковые ветви 2 p- и n-типа проводимости, коммутационные шины 3, теплопереходы 4 горячих спаев и теплопереходы 5 холодных спаев, токовые выводы 6, теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, выполненные в виде каналов 7 и каналов 8 соответственно горячего и холодного контуров, соединенных отводами 9, герметичные прокладки 10, верхнюю 11 и нижнюю 12 крышки и средство 13 для подвода и отвода жидкости, а также может быть снабжено размещенными внутри и расположенными вдоль каналов 7, 8 поддерживающими прокладками 14, причем в случае выполнения теплопереходов 4 и/или 5 составными стыки 15 между ними заполнены герметичным эластичным материалом, при этом, если стыки 15 ориентированы вдоль каналов 7, 8, устройство обязательно имеет поддерживающие прокладки 14, размещенные внутри каналов 7, 8 предпочтительно в местах соединения частей теплопереходов 4 и/или 5.
Устройство работает следующим образом.
Жидкость подается в каналы 7 и 8 через средство подвода жидкости 13, проходит по каналам контуров, контактируя с соответствующими теплопереходами 4 и 5, на токовые выводы 6 термобатарей 1 подается напряжение. В результате жидкость в каналах 8 горячего контура нагревается, а в каналах 7 охлаждается за счет соответственно выделения и поглощения тепла на спаях термоэлектрических батарей 1 и передачи его через теплопереходы 4, 5 жидкости.
Подача жидкости в каналы 7, 8 может быть осуществлена как последовательно, т. е. жидкость проходит все одноименные каналы последовательно один за другим и выходит из устройства (фиг. 1), так и последовательно-параллельно (фиг. 3).
Выполнение теплообменников в виде чередующихся каналов 7, 8 горячего и холодного контуров протока жидкости, верхняя и нижняя стенки которых образованы соответственно двумя горячими или двумя холодными теплопереходами 4, 5 параллельно установленных с зазором по отношению друг к другу термоэлектрических батарей 1, между которыми размещены герметичные прокладки 10, позволяет увеличить полезную поверхность теплообменников (поверхность, через которую передается тепло) до 80-95%, а за счет использования отводов 9, дающих возможность обеспечить протекание жидкости в горячем и холодном контурах в соответствии с принципом противотока, соединять каналы как последовательно, так и последовательно-параллельно и возможности независимо изменять высоту каналов за счет изменения высоты герметичных прокладок 10 позволяет максимально оптимизировать устройство и обеспечить одновременное достижение высокой холодопроизводительности, - не менее 250 Вт/л объема устройства при потерях теплового напора не более 20% (при использовании термобатарей с термоэлектрической эффективностью не ниже 2,5/1000К и теплоносителя - воды).
Средство 13 для подвода и отвода жидкости может быть выполнено в виде штуцеров, приливов, гребенок, отводов и т. д.
Для снижения термических напряжений и создания благоприятного режима работы устройства герметичные прокладки выполнены из эластичного упругого материала либо из жесткого материала, но соединены с теплопереходами эластичным герметичным упругим материалом. В качестве эластичного упругого материала для герметичных прокладок и материалов, соединяющих герметичные прокладки, в случае выполнения их из жесткого материала, могут быть использованы резины, герметики, в том числе силиконовые, обладающие достаточной адгезией к соединяемым материалам (не менее 0,1 МПа) и достаточной эластичностью (величина упругой деформации не менее 20%).
При необходимости создания более мощных устройств может быть увеличена площадь теплопереходов 4, 5 за счет наращивания их по длине и/или по ширине, при этом для снятия термических напряжений стыки 15 между теплопереходами 4, 5 заполнены герметичным эластичным упругим материалом. Для увеличения прочности конструкции каналы могут снабжаться поддерживающими прокладками 14, установленными вдоль каналов, преимущественно в случае выполнения теплопереходов 4, 5 составными (фиг.2), причем при расположении стыков 15 вдоль каналов 7, 8 протока жидкости устройство обязательно имеет поддерживающие прокладки 14, размещенные предпочтительно в местах стыков 15 частей теплопереходов 4, 5. Токовые выводы 6 батарей служат для подачи напряжения и соединяются между собой последовательно и/или параллельно в зависимости от напряжения источника питания.
Реферат
Изобретение относится к системам нагрева и охлаждения жидкости в устройствах, использующих термоэлектрические батареи, работа которых основана на эффекте Пельтье, и может применяться в машиностроении, в частности в автомобильной технике, холодильной технике, медицинской технике и т.д. Сущность изобретения: устройство для нагрева и охлаждения жидкости, включающее термобатареи, содержащие полупроводниковые ветви р- и n-типа проводимости, соединенные коммутационными шинами, токовые выводы и теплопереходы, а также теплообменники горячего и холодного контуров протока жидкости, которые выполнены в виде чередующихся каналов горячего и холодного контуров протока жидкости, верхняя и нижняя стенки которых образованы соответственно горячими или холодными теплопереходами параллельно установленных с зазором по отношению друг к другу батарей, между которыми размещены герметичные прокладки. Каналы каждого теплообменника соединены последовательно отводами, а подачу жидкости в каналы теплообменников осуществляют последовательно или последовательно-параллельно. Для снижения термических напряжений герметичные прокладки выполнены либо из упругого эластичного материала, либо из жесткого материала, но соединены при этом с теплопереходом посредством герметичного упругого эластичного материала. Теплопереходы могут быть выполнены составными, а части их соединены встык герметичным эластичным материалом. Использование данного изобретения позволит значительно повысить холодопроизводительность устройств, работа которых основана на эффекте Пельтье, а также обеспечить надежную эффективную эксплуатацию устройств, снабдив их средствами снижения термических напряжений. 8 з.п.ф-лы, 3 ил.
