CN1114037A

CN1114037A - 用串联温差电池组冷却物体的方法

Info

Publication number: CN1114037A
Application number: CN94106639A
Authority: CN
Inventors: 尤里·费特洛维奇·高兹洛夫; 瓦列里·米哈依洛维奇·皮尔尼高夫
Original assignee: TOVARISCHESTVO S OGRANICHENNOI OTVETVENNOSTIJU KOM
Current assignee: TOVARISCHESTVO S OGRANICHENNOI OTVETVENNOSTIJU KOM
Priority date: 1994-05-04
Filing date: 1994-05-04
Publication date: 1995-12-27

Abstract

用串联温差电池组冷却物体的方法，即来自物体的热迁移在传递过程中一级一级地到被调节的稳恒电流的电池的端头，直到电池组的输出达到与所要求的被冷却物体的温度相适应的恒定工作方式，根据本发明，来自物体的被排出的热量的迁移是以连续量方式随时间一级一级进行的，并伴随在蓄电热器中有中间积累热。为此每一级的工作都是以有效排热方式和热开关方式进行的，并且在电池输出过程中，调节这些方式的时间间隔的长度和经过温差电池的各级的电流强度，以达到稳定的，具有所要求的被冷却物体的温度值和在最小电功率消耗值下的蓄热器的温度值的工作方式。

Description

本发明涉及制冷技术，具体涉及到小型温差冷却器，它能够用于日常生活的，医学的和专用的温差冷却装置的制造中。

根据珀耳帖效应的热电冷却方法是公知的，即当电流通过热电偶的时候，它的一端变热，另一端变冷（参见B.A.KOceHko的“热电冷却装置”一文，苏联科学院，1987年，第7-11页）。

为了达到充分冷却的程度，把几个温差电偶串联连在一起，形成温差电池组。

但是，这种做法，当温差电池的热端和冷端之间的温度落差变大的时候，就会引起由排热量和所消耗电功率之比所确定的冷却系数急剧下降。

采用温差电池的物体冷却方法也是公知的，（参见苏联专利N322821，国际分类HolL35/30，F25B 21/02，1971年）。该方法是，来自物体的热，在传给被调节的稳恒直流的电池组的端头的时候，是一级一级迁移的，直到电池的输出达到恒定的工作状态。

第一级的冷端排出来自被冷却物体的热流量，该热流量是这一级所消耗的电功率的总合，并且又被传送到第二级的冷端。从被冷却物体排出的热流量进入第三级的冷端，它也是电池组第一级和第二级所消耗的电功率之总和，等等。因此，每一个在后的电池组的级与它前面的一级电连接，后一级比前一级应该具有更大的冷却能力。因此，要提高串联电池组的冷却能力就意味着要显著增加使用稀缺半导体材料的数量。串联温差电池组所消耗的电功率，是它每级消耗的电功率之总和。

鉴于其能量消耗比较小，在要求温差电池的热端和冷端之间的温度较小的情况下（30℃左右），采用上述冷却方法是适宜的。

通过增加级数而使温度落差达到50℃以上的做法，会导致电功率消耗急剧增加。因此，采用大于三级的温差电池是不切实际的，而且在多数情况下，技术上实现也有困难。

本发明的任务是提供一种用串联温差电池组冷却物体的方法，它能显著提高冷却系数，同时减少半导体热电材料的消耗量。

为了达到这个目的，用串联温差电池冷却物体的方法是，来自物体的热迁移，在传送到被调节的稳定直流电电池的端头，直到电池的输出达到恒定工作状态的时候，热迁移是分别一级一级进行的，中间积累热留在蓄热器中，每一级的工作都是按额定冷却能力方式用热开关式进行的，在输出达到恒定状态的过程中，调节这些方式的时间间隔长度和各级电流强度，取决于物体和蓄热器的温度。

下面，通过实施例和附图对本发明进行说明，其中，

图1，是按所提出的冷却方法的物体冷却装置的结构简图。

图2，是在所规定的排出来自被冷却物体热量的状态下，具有中间蓄热器的三级电池的工作周期表。图中还引用了在电池各级以有效排热方式和热开关方式工作时，蓄热器的温度随时间变化的典型曲线。

图3，是采用图1所描述的装置实现所提出的冷却方法时，供电和控制物体冷却过程的实用方案。

按照所提出的冷却方法，具有中间蓄热器且各级电独立的多级温差电池组的热迁移是按下面方式进行的。

在电池组最冷的第一级以有效排热方式在时间间隔△τ1.1（参见图2）期间工作的时候，由蓄热器的热物理性质和这一级的冷却能力，以及时间间隔△τ1.1持续的时间所确定的某些热量，被释放到在其后的电池组第二级的蓄热器中。第二级蓄热器的温度随时间而增加（见图2）就说明了这一点，此时第二级蓄热器正工作在△τ1.1时间期间按热开关方式工作，以补偿经过温差电偶和电池第二级隔热层的返回热流。在时间间隔△τ1.1结束的时刻，第二级转入有效排热方式，排出它的蓄热器中的积累热，同时电池第一级转入热开关方式。在随后的电池组第一级以这样的方式在时间间隔△τ1.2中工作时，热能开始充满被放电的这一级的蓄热器，这些热能是通过来自被冷却物体的散热器而传送给这一级的。

电池组的第二级和以后各级，在全部物体冷却过程中，以同样方法实现热迁移。（参见图2）。同时，降低在有效排热方式中和热开关方式中工作的串级电池的蓄热器的温度摆幅值和平均值;直到电池的输出达到稳恒工作状态，这一状态是由指定参数值的时间常数确定的。

为了得到与具有消耗功率最小值的所要求的被冷却物体的温度值相对应的，稳定的排出来自被冷却物体的热的方式，必须恰当选择以有效排热方式和热开关方式工作的电池各级工作的时间间隔△τ1.1和τ1.2，恰当选择在这种工作方式下各级所消耗的电流值I_oi和I_kio。这时电池组的i级的电流Ioi的增加或者时间间隔△τi.1的增加，会导致这一级蓄热器的稳定的温度平均值降低，但是这仅仅是在相应的时间间隔△τ1.1增加，或者是在以有效排热方式工作而其工作周期总持续时间为△τi.1+△τi.2的H电池组的以后各级所消耗的电流Ⅰ.i增加的情况下才发生。

应该指出，在规定的电池每个i级的消耗电流值I_0.1和I_ki的情况下，在所建议的冷却方法中，与已知的冷却方法不同在于，电池的输出能够达到稳定工作状态，这个状态，通过选择每个电池的i级的相应的时间间隔△τ1.1和△τ1.2，而达到冷却能力和电力消耗的最佳值。由于这个因素，电池i级的电流消耗值I_oi和I_ki能够独立调节，使得排放来自冷却物体的热实际上具有和在有效排热方式下工作的电池Qo.i级的相同的冷却能力（值）。这就导致在每个电池级中采用相同数量的温差电池，以保证和已有的用串级温差电池冷却物体的方法比较，真正减少稀缺半导体材料的消耗。

如图2周期表所示，在规定的物体冷却状态下消耗的电功率的平均值由下式确定，

其中，△τ＝△τ1.1+△τ1.2，是电池的第一级和以后每个级的工作周期持续时间。

这时，在任何时刻，只有一个电池级是工作在具有最大电功率消耗的有效排热方式。因此，采用所建议的冷却方法就达到了真正减少电力消耗的目的，这意味着，和已公知的以其应用为基础的冷却方法相比较，本方法提高了多级电池的冷却系数。

根据图1实现所建议的冷却方法的装置的结构图，被冷却物体处于和电池第一导热级的蓄热器2进行热交换中，蓄热器制成具有散热片受热表面的导热板形式。这个蓄热器处于和电池第一级的温差电偶的冷端热接触。

所规定的温差电偶的热端和蓄热器4进行热接触，蓄热器可做成和导热板的形式，这个板也和电池这一级的温差电偶5的冷极相接触。温差电池5的热端处于和电池第三级的蓄热器6热接触中，该蓄热器可以做成如导热板的形式。蓄热器6也和电池组第三级的温差电偶7的冷端热接触，而其热端和导热散热器8热接触，散热器8可以制成如有散热片的导热板。每一个被指定的蓄热器都有一个温度传感器9，在蓄热器2，4，6之间的间隙内填满了隔热物10。同时，被冷却物体1和温差电池被隔热体11包围住。

按照上述的装置，图3引入了供电的控制应用电路图，图中包括第一、第二、第三个电池极的三个被调节的稳定直流电源，分别用1、2、3表示。每个i稳定直流电源都有供电电压V的输入端i₀₁，i₀，都有温差电池i级的稳定直流输出端i₁，i₂，和电池这一级的蓄热器的温度传感器的输出端i₃，i₄。组成每一个第i个稳定直流电源的有：脉冲稳定器i₇，微调电容器i₁₀，i₁₁，手动电流调节器，双位开关i₁₂，比较器i₁₃和定时器i₁₄。稳定直流电源1、2、3的指定定时器的输出端i₁₅和输出端i₁₆被此相连（见图3）。定时器1.14的输出端1.16和定时器2.14的输出端2.15相连，定时器2.14的输出端2.16和定时器3.14的输出端3.15相连，定时器3.14的输出3.16连到定时器1.14的输入端1.15，这样就连成一个环。每一个第i个稳定直流电源的定时器i.14的控制输入端i.17被连到比较器i.13的输出端i.18，定时器i.14的控制输出端i.19被连到双位开关i.12的控制输入端，该输入端也和微调电容器i.10，i.11一样被连到电流脉冲稳定器i.9的控制输入端。

根据所建议的所述方案的冷却方法，在接通电池组的每个第i级接线端子和对应于稳恒温度传感器的输出端以后，供电电压按下述方式供给。

电池组第一级的直流电源（参见图3）的定时器1.14，通过开关1.12把稳定器1.9调到与这一级有效排热方式工作相适应的状态。同时所指定的稳定器1.9的供电电压在通过电池组的第一级而被转化为稳定的电流。用定时器1.10手工调定经过电池组第一级的温差电偶的电流值，该值是与这一级有效排热方式相对应的。在供给电压V的时候，定时器2.14和3.14通过开关2.12和3.12接到稳定器2.9和3.9的控制输入端，定时器2.11和3.11也是一样，通过定时器2.11和3.11，手工确定经过电池第二和第三级的温差电偶的电流值，这些值与这一级的热开关状态相对应，分别是I_k.2和I_k.3。

在用定时器1.14供给电压V以后，时间间隔△τ2.1结束的时刻，开关1.12把微调电容器1.11接到稳定器19的控制输入端，结果，电池的第一级就被切换到温度开关的工作方式，而进入定时器2.14输入端2.15的信号，就在这个定时器的输出端1.16上形成。这个定时器改变着开关2.12的状态，该开关把微调电容器2.11从稳定器控制输入端上断开的同时，又把微调电容器2.10接到了稳定器2.9的控制输入端上。因此，电池组的第二级就从热开关方式被转换到有效排热方式。通过微调电容器1.11确定与工作在热开关方式的电池组第一级工作相对应的电流值，而用微调电容器2.10确定经过电池第二级的温差电偶的电流值I₀₂，该电流值与这一级有效排热方式相对应。

在定时器2.14给定的下一个时间间隔△τ2.1结束的时刻，这个定时器改变开关2.12的状态，它在断开微调电容器2.10的同时，再一次把微调电容器2.11接到了稳定器2.9的控制输入端。此时，电池组的第二级又被转换到热开关工作方式，进入定时器3.14输入端3.15的信号，又出现在定时器2.1的输出端2.16上。这个信号使定时器3.14改变开关3.12的状态，该开关把微调电容器3.11从其上断开。结果，电池组的第三级就由热开关方式转换到有效排热工作方式。用微调电容器3.10确定流过电池组第三级的电流值I₀₃，该电流值与这一级的有效排热方式相对应。△τ3.1和定时器3.14结束时刻，这个定时器改变着开关3.12的状态，再一次把微调电容器3.11接入稳定器3.9的控制输入端，同时从其上切除微调电容器3.10。此时，电池组的第三级又转换到热开关工作方式，进入定时器1.14的输入端1.15的信号又出现在定时器3.14的输出端3.16上。这个信号引起，电池第一级再次从热开关方式转换到有效排热工作方式。其次，上文所述电池各级供电和控制电路的工作循环（周期），在确定每个第i级消耗的电流值I_o.1和I_k.1的情况下和由电容器1.14，2.14，3.14给定时间间隔值△τi.1的时候，是不断重复的。来自电池组每个第i级的蓄热器的温度传感器信号不断进入第i直流电源的比较器i.13的输入端，并在比较器中与给定值进行比较，这个给定值与工作在有效排热方式中的电池组的第i级的蓄热器的最小温度值I_imin相对应。此时，如果满足Tiτ≤T_imin的条件，其中Tiτ-是蓄热器温度变动值，则在比较器i.13的输出端上就出现信号，该信号将被传送到定时器的输入端i.17。结果，定时器i.14就使开关i.12进入一个与电池组第i级的热开关工作方式相对应的状态。

这样就自动确定了在有效排热方式下工作的电池各级的工作时间间隔△τ1.1，△τ2.1△τ3.1的最佳值，它与所规定的值Ⅰ_0.1相对应，它是在这个工作方式下各级消耗电流所用的时间值，它是为了获得具有与所消耗电功率最小值相对应电流的电池确定工作方式所必须的。

为了在电池各级之间实施冷却方法，在每个极上安装了一个具有温度使感器的导热蓄热器，从第二导热级开始，使在所有的电池级上热偶的数量都和在第一导热级上的热偶数一样多，在不破坏在每一级上的温差电偶串联联结的情况下，断开电池各级之间的电连结，将每一个电池第i级的接线端子连到独立的被调节的直流电源上。对于每一个电池的第i级给定一个对应于在它所消耗电流I_0.1情况下的该级热偶的有效排热方式，和对应于在温差电偶消耗电流情况下的热开关方式的时间间隔值△τ1.1和△τ1.2，条件是△τ（i+1）.1＞△τi.1，并且对于每一第i级，从第二个电池导热级开始，应该满足等式△τi.1+△τi.2＝△τ1.1+△τ1.2，对于每一个电池的第i级给定所消耗的电流值I_0.1和I_ki＝（0，2÷0.6）I_0.1，电流I_0.1流过电池的第一级，而同时电流I_ki流过以后的电池的所有的级，在时间间隔△τ1.1结束的时刻，流过电池第一级的电流减少到值I_k1，而流过电池第二级的电流增加到值I_0.1，在随后的一个时间间隔△τ2.1结束的时刻，流过电池第二级的电流I_0.2又减少到值I_k.2，而流过电池第三级的电波增加到值I_0.3，以后随时间连续这样进行并根据电池的程度。转换电池各级的工作方式到时刻△τ1.1+△τ1.2，为断重复上述电池各级工作的循环，并经常监视其蓄热器的温度，这温度是通过这些蓄热器的温度传感器的调节的根据电池组各级蓄热器的温度平均值的时间常数并根据电池组各级的有效排热方式和热开关方式工作是温度值被动的幅值，记录排出来自冷却物体的热的方式。通过选择电池各级工作时间间隔持续时间△τ1.1和△τ1.2的值，选择有效排热方式和热开关方式，以及它们所消耗的电流I_.01，I_k.1，就把电池组置于一个稳定的排除来自被冷却物体的热量的方式中，这个方式与所要求的被冷却物体的温度值相适应，与所消耗的电功率的最小值相适应。

运用串联温差电池组冷却物体的方法能够做到：

-使日常生活的或专用冷却仪器所消耗的单位电功率的值，达到压缩冷却器所达到的值，这是靠热热一级一级地分别进行，并伴随着在温差电池组各级蓄热器中有中间积累热，这也是靠调节电流强度，调节在冷却装置输出过程中每一级的有效排热方式和热开关方式以达到所要求的稳定工作方式，来实现的;

-在所达到的物体冷却程度方面，具有非常重要的扩广应用串联温差电冷却的可能性，这是由于靠提高单级的冷却系数和整个温差电池的系数，而保证了多于三级的温差电池组经济工作的可能性;

-大大降低了冷却装置的成本，这是由于减少了稀缺昂贵的半导体电热材料的消耗。

Claims

1、一种用串联温差电池组冷却物体的方法，即来自物体的迁移热在传送过程中一级一级地到达被调节的稳恒电流的电池端头，直到电池的输出达到与所要求的被冷却物体的温度相适应的恒定工作状态，其特征在于，热迁移以连续式随时间一级一级地进行，并伴随着在蓄热器中的中间积累热，并且每一级的工作是以有效排热方式和热开关方式进行的，在电池输出过程中，调节这些方式的时间间隔的持续时间和经过温差电池的每级的电流强度，达到稳定的具有所要求的被冷却物体的温度值和在最小功率消耗值下的蓄热器的温度值的工作方式。