Конструктивные особенности и технические характеристики

Конструирование термоэлектрической батареи

При конструировании термоэлектрических батарей решаются следующие вопросы; выбор материалов, конфигурации и геометри­ческих размеров (сечения и высоты) термоэлементов, распределение термоэлементов батареи по поверхности охлаждения, выбор материа­лов и кон­струирование элементов коммутации термоба­тареи, элек­тро- и теплоизоляции. Конструк­тивное решение этих вопросов зави­сит от назначения холодиль­ника, формы и объема его хо­лодильной камеры, условий эксплуатации и экономичности.

Форма и размеры термоэлементов определяются выбранными материалами, геометрией по­верхности ох­лаждения и условиями теплопередачи. Так, для холодильника с камерой охлаж­дения в виде развитого в вы­соту цилиндра (термоса) с теплоотводящей поверх­ностью при небольших размерах может быть выбрана по­верхность цилиндра и тогда форма термоэлемен­тов должна быть кольцеобраз­ной. Однако это усложняет технологию производства термо­элементов, потому такие схемы термоэлектрических батарей широкого применения не по­лучили. Из этих соображений малые термоэлектрические холодиль­ники с цилиндрической камерой в высоту не развиваются, и отношение диаметра к высоте у них нахо­дится в преде­лах 0,7... 1,0. Это позволяет использовать пло­скую термоэлектрическую батарею, состоя­щую из унифицирован­ных термоэлементов прямоугольного сечения. Очевидно, что такая термобатарея мо­жет быть установлена как на дне цилиндрической камеры, так и в ее крышке.

Несмотря на то, что оптимальное соотношение сечений ветвей термоэлемента (т) отлично от единицы, на практике с целью упро­щения конструкции сечения ветвей принимают равными обычно квадратными, с размерами, выбранными в зави­симости от требуе­мой поверхности охлаждения. Высоту тер­моэле­ментов (минимальную) ограничивают только условиями естественной передачи тепла от горячих спаев к холодным. Из этих условий вы­сота термоэлементов обычно не превышает 5 мм.

Оптимальное распределение (рассредоточение) термоэлементов батареи по поверхности охлаждения определяется из условий обе­спечения наилучшего теплообмена холодных и горячих спаев с наружными теплопереходами (радиаторами) и снижения вредных перепадов температур между спаями. Степень рассредоточения тер­моэлементов характеризуется плотностью упаковки, которая опре­деляется отношением суммарной площади всех сечений термоэлементов­ к теплопередающей поверхности термобатареи. Снижение плотности упаковки (рассредоточение) термоэлементов способствует также сокращению расхода полупроводниковых материалов. Из­вестно, что с уменьшением расстояния между коммутационными пластинами термобатареи возрастает переход тепла от горячих спаев к холодным через сечения термоэлементов и промежутки между ними. Это обстоятельство препятствует рассредоточению термоэле­ментов и снижению расхода полупроводниковых материалов. Для снижения вредного перехода тепла расстояние между коммутацион­ными пластинами быть увеличено за счет применения фигур­ных коммутирующих пластин, изготовляемых из тепло- и электро­проводных материалов (меди, алюминия и пр.). Такая конструкция термоэлектрической батареи (рис. 44) позволяет снизить высоту термоэлементов до 2 мм, а также повысить эффективность термобатареи без усложнения конструкции холодильника. Как показали исследования опытных образцов бытовых холодильников (V = 5 - 7 дм³), оптимальная плотность упаковки термоэлементов при воздушном зазоре между термоэлементами и естественной конвекции находится в пределах 0,15—0,17. При этом удается в максимальной степени упростить конструкцию холодильника, не применяя прину­дительной циркуляции воздуха у горячих спаев. Для холодильников большей емкости оптимальная плотность упаковки может быть другой. Соединение термоэлементов с коммутирующими пластинами осу­ществляется мягкой пайкой, При этом ветви термоэлементов пред­варительно залуживают специальным легкоплавким коммутационным припоем, содержащим сплавы полупроводниковых материалов . В термобатареях, рабо­тающих в различных режимах (охлаждения и нагрева) при значительных перепадах темпера­тур, с целью снижения возможных температурных напряжений между термоэлементом и коммути­рующей пластиной раз­мещается свинцовый демпфер. С этой же целью коммутирующие пластины кон­струируют так, чтобы они не препятствовали температурным деформациям.

При этом возможно применение тонких, гибких коммутирующих пластин или пластин с вырезами в про­межутках между термоэле­ментами.

Электроизоляция коммутирующих пластин термобатареи от теплопереходов осуществляется обычно по­крытием наружных поверх­ностей анодной электроизоляционной пленкой из окиси алю­миния и др. Для обеспечения лучшего перехода тепла поверхности элек­троизоляции смазываются специальной теплопро­водной пастой.

Теплоизоляцией в промежутках между термоэлементами батареи обычно является воздух, запол­няющий все свободные зазоры. Однако вполне возможно применение искусственных пластичных теп­лоизо­ляционных материалов, которые должны быть и электроизоляцион­ными. Такие изоляционные материалы использу­ются в основном в случае большой плотности упаковки термоэлементов в батарее.

Системы отвода тепла

Поскольку эффективность термоэлектрического охлаждения с по­нижением перепада температур холод­ных и горячих спаев термо­батареи повышается, то рациональному конструированию систем отвода тепла от спаев при проектировании бытовых термоэлектриче­ских холодильников уделяют зна­чительное внима­ние.

Для того чтобы повысить температуру холодных спаев, необхо­димо обеспечить эффективный под­вод те­пла к ним со стороны холо­дильной камеры. С этой целью холодильные камеры термоэлектрических холодильников обычно проектируют из металлических тепло­проводных листовых материалов (алюминиевых сплавов и др.), Одна из стенок такой камеры плотно соединяется с термоэлектриче­ской батареей непосредственно или через теплопереходный блок. При этом свободные (от термоба­тареи) стенки холодильной камеры исполняют роль радиаторных пластин (ребер). Интенсивность пере­дачи тепла холод­ным спаям может быть существенно повышена принудительной циркуляцией воздуха холодильной ка­меры. При этом холодильная камера может изготовляться из недорогих пла­сти­ческих материалов. Однако принудительная система подвода тепла к холодным спаям может быть экономически оправдана только в холодильниках значительной емкости.

Для понижения температуры горячих спаев термобатареи конструи­руют специальную систему эф­фектив­ного отвода тепла, стоимость которой должна быть оправдана соответствующим повышением экономичности холодильника.

Системы отвода тепла от горячих спаев можно разделить на две группы: 1) системы воздушного охла­ждения и 2) системы с применением промежуточного теплоно­сителя.

Системы охлаждения первой группы изготавливают в виде радиаторов, охлаж­даемых потоком наружного воздуха. Для повышения интенсивности охлаждения скорость потока ох­ла­ждаемого воздуха увеличивают с помощью вентиляторов. В холодильниках объемом (до 10 дм³) применяют специальные воздуховоды; в холодильниках объемом более 10 дм³— венти­ляторы. Следует иметь в виду, что понятия «малой» и «большой» емкости для термоэлектрических хо­лодиль­ников относительны, и пока они не могут соизмеряться с холодиль­ни­ками компрессионного или аб­сорбционного типа.

Системы воздушного охлаждения горячих спаев применяются в холодильниках, у которых допус­тимый перепад температур горя­чих и холодных спаев не превышает 30° С.

Системы охлаждения с промежуточным теплоносителем конструи­руются тогда, когда перепад температур горячих и холодных спаев превы­шает 30° С. В качестве промежуточного теплоносителя обычно ис­пользуют воду. При водяном охлаждении раз­ность температур горячих спаев термобатареи и охлаждающей воды составляет при­мерно 5—8° С, тогда как при воздушном охлаждении разность тем­ператур горячих спаев и наружного воздуха составляет 12—15° С.

Циркуляция промежуточного теплоносителя может быть есте­ственной и принудительной. Принудительная циркуляция с помощью насосов усложняет конструкцию системы, поэтому более широкое применение получила система с естественной циркуляцией тепло­носителя за счет разности удельных весов холодной и нагретой спаями жидкости.

В качестве промежуточного теплоносителя может быть исполь­зован хладагент компрессион­ного или абсорбционного агрегата в комбинированных холодильниках, где термоэлектрическая батарея обычно предназначается для охлаждения морозильного отделения. Горячие спаи термобата­реи охлаждаются хла­дагентом, выходящим из испарителя. В этом случае перепад темпе­ратур горя­чих и холодных спаев термобатареи может не превышать 10 °С и термоэлектриче­ская батарея будет работать в режиме максималь­ной экономичности. Холодильный коэффициент такой термобатареи может превышать хо­лодильный коэффициент компрессион­ного холодильного агрегата. Термоэлектрическая батарея может быть использована как источник тепла авто­матического оттаивания испарителя при выключенном холодильном агрегате. Такие комбинирован­ные холодильники расширяют область приме­нения термоэлектрического охлаждения в быту.

Системы электропитания и терморегулирования

Термоэлектрическая батарея может эффективно работать при питании ее только по­стоян­ным током соответствующих параметров. Следовательно, для получения постоянного тока от однофазной сети переменного тока в конструкции термоэлектриче­ского холодильника должно быть предусмотрено спе­циальное вы­прямительное устройство.

В выпрямителях термоэлектрических бытовых холодильников наибольшее применение получили полу­проводниковые вентили в виде германиевых и кремниевых диодов, которые имеют большую надеж­ность и долговечность, малые габариты и вес и являются при этом экономичными. Выпрямительные свойства вентилей, как известно, характе­ризуются коэффициентом выпрямления, предста­вляющим отношение прямого тока к обратному.

Выбор схемы выпрямительного устройства обу­славливается допустимой пульсацией по­стоянного тока. Качество выпрямительной схемы оценивается коэффициен­том пульса­ций, представляющим отношение максимальной ампли­туды выпрямленного напряжения к ее среднему значению. Для питания термоэлектрических батарей необходимо иметь схему, обеспечивающую наименьшее значение коэффициента пуль­сации. Поэтому в выпрямительных уст­ройствах термоэлектриче­ских холодильников применяют двухполупериодную схему с использо­ванием сглаживающих фильтров.

Двухполупериодная схема выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформа­тора и применением сглаживающих фильтров приведена на рис. 45. Благодаря наличию двух венти­лей ток через термобатарею проходит каждый полупериод. В тот полупериод, когда переменный ток во вторичной обмотке трансформатора идет в направлении от точки А к точке О, выпрямленный ток к тер­мобатарее поступает от первого вентиля. Через второй вентиль ток проходить не может, так как потенциал его анода оказывается отрицательным по отношению к катоду. В следующий полупериод, когда переменный ток идет в на­правле­нии от точки Б к точке О, выпрямленный ток к термобатарее поступает от второго вентиля, а обратное напряжение возникает в первом вентиле. Коэффициент пульсации этого токаимеет еще значительную величину, равную примерно 0,7. Для снижения коэффициента пульсации обычно используют смешанные сглаживающие фильтры, состоящие из индуктивных и емкостных фильтров.

В наиболее распространен­ном Г- образном сглаживающем фильтре (рис. 45) индуктив­ный фильтр (дроссель) сглажи­вает диаграмму выпрямленного тока за счет изменения формы и длительности импульсов тока, а емкостный фильтр (конденса­тор) — за счет разрядки конденса­

тора на термобатарею в пери­оды между максимальными ампли­тудами пульсирующего тока.

Трансформатор схемы выпрямителя тока рассчитывают, исходя из получения оптимального на­пряже­ния на термоэлектрической батарее,

При этом сначала выбирают режим работы термобатареи во времени (непрерывный или циклич­ный). Так как время выхода термоэлектрических холодильников в стационарный температурный режим до­вольно значительно (1—5 ч), то с целью снижения расхода электроэнергии может быть выбран режим только неполной циклич­ности, как в абсорбционных холодильниках. В таком случае первич­ная обмотка трансфор­матора разделяется на две секции, Одна секция может быть рассчитана на питание термобатареи оптималь­ным напряжением, обеспечивающим работу в режиме максимальной холодо­производительности, а две секции — на работу в режиме максимальной экономичности. Режим макси­мальной холодопроизводительности включается автоматически, когда температура в ка­мере холо­дильника становится выше заданной терморе­гулятором. Автоматическое переключение на режим мак­симальной экономич­ности должно происходить в моменты достижения требуемой температуры охлаж­дения камеры.

Для питания малых термоэлектрических холодильников в ста­ционарных условиях мо­гут быть использованы упрощен­ные выпрямители, собранные по однополупериодной схеме. Автомобильные термоэлектрические холодильники питаются от аккумуляторов постоянного тока 6, 12, 24 В.

Система поддержания заданных температур в охлаждаемом объеме может быть автоматической и ручной. В последнем случае требуемая температура охлаждения уста­навливается ручным переключением мощности питания термоба­тареи. При этом может быть преду­смотрена возмож­ность переклю­чения холодильника с режима охлаждения на режим нагрева путем из­менения направления, протекающего через термобатарею тока.

Автоматическая система терморегулирования применяется при цикличной работе холодильника и со­стоит из терморегулятора, обеспечивающего включение и выключение одной из секций первич­ной обмотки трансформатора. При этом могут быть использованы те же терморегуляторы, кото­рые применяются в компрессионных и абсорбционных холодильниках.

Для автоматической защиты термоэлектрических батарей от аварийного перегрева применяют биметал­лические устройства защиты, которые устанавливают обычно на радиаторе горячих спаев. При повы­шении температуры радиатора до опасного уровня контакты защитного реле размыкаются, отключая холодиль­ник от сети.

Периодическое оттаивание снежного покрова, образующегося на стенке камеры, примыкаю­щей к холодным спаям термобатареи, в термоэлектрических холодильниках осуществляется с по­мощью ручного или автоматического переключения режима работы термо­батареи с охлаждения на на­грев. При этом используются все устройства управления, которые находят приме­нение в компрессионных и абсорбционных холодильниках.