ITMI20070105U1 - Pompa di calore termoelettrica con dispositivo di montaggio e di dissipazione del calore per i componenti elettronici di una scheda elettronica di controllo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato si riferisce ad una pompa di calore termoelettrica di tipo perfezionato, avente un dispositivo di montaggio e di dissipazione dei calore per i componenti elettronici di una scheda elettronica di controllo.

Una pompa di calore termoelettrica è un dispositivo a stato solido che utilizza l’effetto Peltier per il raffreddamento, rispettivamente il riscaldamento in ambito civile e/o industriale. Un esempio di realizzazione di una pompa di calore termoelettrica è descrìtto nella domanda italiana di modello d’utilità N. MI2004U000079 a nome della stessa richiedente della presente domanda.

Una pompa di calore termoelettrica comprende uno o più moduli termoelettrici costituiti essenzialmente da una pila di termocoppie, formate da due differenti tipi di conduttori e/o semiconduttori e percorse da una corrente continua a basso voltaggio alimentata da una sorgente esterna, tipicamente una batteria oppure un raddrizzatore. Il passaggio della corrente nelle giunzioni delle termocoppie produce simultaneamente l’assorbimento di calore su un lato e la cessione di calore sull’altro iato del modulo termoelettrico.

Ciascun lato dei moduli termoelettrici è posto a contatto in maniera opportuna, direttamente oppure indirettamente, con una superfìcie di uno scambiatore dì calore delia pompa di calore termoelettrica in modo da consentire la trasmissione di calore attraverso lo scambiatore di calore da o verso un fluido di scambio termico che, a seconda delle condizioni di funzionamento della pompa di calore termoelettrica, può fungere da fluido cosiddetto di ‘‘servizio" oppure da fluido cosiddetto "trattato”. Si intende fluido “trattato” quello su cui la pompa di calore agisce prelevando o fornendo calore con effetto utile di raffreddamento o di riscaldamento rispettivamente, mentre con fluido di "servizio” ci si riferisce al fluido utilizzato come pozzo dì calore da cui prelevare o su cui dissipare il calore trasmesso dalla pompa di calore medesima.

Il funzionamento dei moduli termoelettrici dì una pompa dì calore termoelettrica viene comandato e regolato in maniera opportuna tramite un<'>circuito elettronico di conversione a modulazione PWM che mantiene la tensione e la frequenza della corrente elettrica nei moduli termoelettrici entro un campo ristretto di valori ottimizzati, mentre il ciclo di lavoro dei moduli termoelettrici varia in funzione della potenza termica richiesta.

1 moduli termoelettrici dì una pompa di calore termoelettrica sono collegati elettricamente ad una scheda elettronica dì controllo avente il circuito elettronico dì conversione a modulazione PWM, Questo circuito comprende in genere un generatore di impulsi, un controllore di ciclo e un modulo di potenza.

In particolare, il modulo di potenza durante il funzionamento genera una quantità relativamente elevata di calore che deve essere dissipata in maniera efficace per non compromettere La funzionalità e l’affidabilità del modulo di potenza medesimo. Tradizionalmente, per la dissipazione del calore generato dai modulo di potenza si utilizzano appositi dissipatori di calore montati sulla stessa scheda elettronica. Questa soluzione, benché consenta una dissipazione efficace del calore generato dal modulo di potenza, ha l’inconveniente di rendere problematica l’integrazione della scheda elettronica in una pompa di calore termoelettrica, a causa principalmente dell'ingombro dei dissipatori di calore i quali sono realizzati con superfici dì scambio termico di dimensioni relativamente grandi per poter dissipare il calore in maniera efficace, Inoltre, tale soluzione implica la necessità di garantire un opportuno ricambio d’aria nella zona dei dissipatori di calore della scheda elettronica.

Un altro inconveniente, che è legato strettamente al problema sopra menzionato, è rappresentato dal fatto che le soluzioni finora adottate per posizionare la scheda elettronica direttamente sulla pompa di calore termoelettrica in modo saldo e stabile, e per connettere elettricamente la stessa ai moduli termoelettrici , fanno ricorso all'utilizzo di diversi componenti aggiuntivi che richiedono di effettuare in successione un numero elevato di operazioni di montaggio.

Il presente trovato si prefigge il compito di risolvere, in maniera efficace ed affidabile, il problema dell'integraziòne di una scheda elettronica di controllo in una pompa di calore termoelettrica.

in particolare, uno scopo dei presente trovato è di ottenere elevate e sinergiche caratteristiche di integrazione meccanica, elettrica e termica tra la scheda elettronica di controllo, i relativi componenti elettronici e la pompa di calore termoelettrica, garantendo un funzionamento affidabile dei componenti elettronici, insieme ad una ripetibilità e facilità di montaggio delia scheda elettronica sulla pompa di calore termoelettrica nella fase di assemblaggio.

Un altro scopo dei presente trovato è di ridurre al minimo il numero dei componenti e delle operazioni di montaggio necessari per integrare la scheda elettronica di controllo nella pompa di calore termoelettrica, senza pregiudizio, anzi con guadagno della qualità e dell’affidabilità, e con una corrispondente diminuzione dei costi di assemblaggio.

Un altro scopo ancora del presente trovato è di realizzare una integrazione stabile, robusta ed affidabile della scheda elettronica di controllo nella pompa di calore termoelettrica.

Questi scopi vengono raggiunti, secondo il trovato, tramite una pompa di calore termoelettrica con un dispositivo dì montaggio e di dissipazione dei calore per i componenti elettronici di una scheda elettronica di controllo, in cui detta pompa di calore comprende una coppia di scambiatori di calore ed uno o più moduli termoelettrici aventi lati opposti a contatto ciascuno rispettivamente con uno di detti scambiatori di calore, detti moduli termoelettrici essendo collegati elettricamente a conduttori elettrici di alimentazione e detta scheda elettronica di controllo avendo contatti elettrici per il collegamento ai terminali di detti conduttori dì alimentazione dei moduli termoelettrici, caratterizzata dal fatto che il dispositivo di montaggio e dì dissipazione del calore è formato da una piastrina di materiale ad elevata conducibilità termica comprendente una prima parte di montaggio per detti componenti elettronici della scheda elettronica di controllo ed una seconda parte di collegamento destinata ad essere fissata ad uno di detti scambiatori di calore della pompa di calore termoelettrica per collegare detta scheda elettronica di controllo alla pompa di calore termoelettrica, detta piastrina fungendo da ponte termico tra detti componenti elettronici della scheda elettronica di controllo e detto scambiatore di calore della pompa di calore termoelettrica e fissando meccanicamente detta scheda di controllo elettronica alla pompa di calore termoelettrica in una posizione operativa tale da consentire la connessione elettrica di detti contatti della scheda elettronica a detti terminali dei conduttori di alimentazione dei moduli termoelettrici della pompa di calore termoelettrica.

Il presente trovato verrà descritto nel seguito con riferimento al disegno allegato la cui unica figura illustra schematicamente e parzialmente una pompa di calore termoelettrica, indicata nel complesso con 10, Il numero di riferimento 11 indica una superficie di scambio termico di uno dei due scambiatori di calore' delia pompa di calore termoelettrica e il numero di riferimento 12 indica un modulo termoelettrico avente un suo lato posto a contatto con la superfìcie 11 di scambio termico di deto scambiatore di calore.

I moduli termoeletrici 12 sono collegati eletricamente, tramite opportuni connettori C, ad una scheda elettronica di controllo 13 la quale ha un circuito eletronico di conversione a modulazione PWM, indicato nel complesso con 14.

I connettori C sono del tipo denominato “Standard power timer contact for p.c.b.", N. serie 368028-1, 1-368028-1, 2-368028-1, prodoto e disponibile in commercio da TYCO ELECTRONICS AMP KOREA oppure di qualunque altro tipo con caratteristiche similari, Nella presente applicazione, questi connettori consentono di realizzare una connessione elettrica vantaggiosa dei moduli termoelettrici, come risulterà evidente nel seguito, perché presentano una parte conformata a femmina avente contatti elasticamente deformabili ati a ricevere in modo scioglibile una parte complementare conformata a maschio dei terminali dei conduttori di alimentazione dei moduli termoeletrici, consentendo altresì opportune tolleranze di disassamento fra i terminali e i contatti medesimi.

il circuito elettronico di conversione a modulazione PWM comprende uno o più componenti elettronici 15 che generano calore durante il loro funzionamento. Tali componenti elettronici sono montati su una piastrina 16 di materiale ad elevata conducibilità termica, per esempio alluminio.

La piastrina 16 ha una prima parte 16A con sedi di montaggio dei componenti elettronici 15 ed una seconda parte 16B con fori 17 atti a ricevere viti di fissaggio {non mostrate) o altri mezzi di fissaggio, ad esempio rivetti, che permettono di fissare la piastrina 16 alla superficie 11 dello scambiatore di calore della pompa di calore termoelettrica.

La piastrina 16 è collegata alla superficie 11 dello scambiatore di calore della pompe di calore termoelettrica in modo da consentire un allineamento il più possibile preciso dei connettori C con i conduttori di collegamento dei moduli termoelettrici 12, I connettori C del tipo usato in questa applicazione sono comunque in grado di compensare per eventuali piccoli disallineamenti, sia di posizione sia di angolo, con tali conduttori in fase di fissaggio della piastrina 16 sulla superficie 11 dello scambiatore di calore, continuando a garantire l'ottenimento di adeguata connessione elettrica. In questo modo, la connessione elettrica tramite i connettori C può accordarsi con il fissaggio rigido della piastrina 16 in modo da assicurare elevate caratteristiche di rapidità, tolleranza, affidabilità e ripetibilità di collegamento.

Con la disposizione secondo il trovato, i componenti elettronici 15 del circuito elettronico 14 di conversione a modulazione PWM non richiedono dissipatori di calore appositi perché la piastrina 16 è dimensionata per fungere da ponte termico e condurre il calore generato da tali componenti elettronici 15 durante il funzionamento alia superficie 11 , dove viene dissipato attraverso lo scambiatore di calore della pompa di calore termoelettrica,

E’ da notare che il calore prodotto dai componenti elettronici 15 e dissipato attraverso lo scambiatore di calore è tale da non modificare apprezzabilmente il valore della temperatura del fluido di scambio termico che riceve o cede calore allo scambiatore di calore e comunque il valore di temperatura del fluido di scambio termico rimane entro i limiti di tolleranza per consentire la dissipazione del calore prodotto dai componenti elettronici in condizioni di funzionalità ed affidabilità ottimali. Quale esempio quantitativo si riporta il caso di una pompa di calore liquido-liquido che operando con acqua di mare circolante in un circuito idraulico primario di “servizio" (pozzo di calore) e funzionando in modalità chiller/heater, genera su un circuito idraulico secondario (fluido “trattato”) una portata di liquido termovettore fredda (calda) che, tramite opportuni fancoil, è poi usata per il raffrescamento (riscaldamento) di una cabina a bordo di una imbarcazione, Alimentata a 12V nominali e con assorbimento massimo di 36A, la potenza elettrica assorbita è di circa 430W mentre la potenza frigorifera (calorifera) è di circa 400W (900W), con COP nominale di circa 1 (2). La resistenza di canale tipica del modulo di potenza della scheda elettronica di modulazione della resa termica del sistema è di circa 13 mOhm; la massima dissipazione necessaria per l'equilibrio termico del modulo di potenza risulta così indicativamente di circa 17W, cioè inferiore al 5% (2%) della potenza termica trattata dagli scambiatori di calore della pompa di calore stessa. Tale apporto di calore, a vantaggio o detrimento dell’effetto utile ma pur sempre di entità marginale nel bilancio termico degli scambiatori di calore stessi, non modifica apprezzabilmente la funzionalità e le prestazioni della pompa di calore stessa e può, in tal senso, ritenersi trascurabile,

La disposizione secondo il trovato permette anche di ridurre il numero di elementi necessari per collegare la scheda elettronica di controllo 13 alla pompa di calore termoelettrica 10 perché tale collegamento è realizzato tramite la stessa piastrina 16 su cui sono montati i componenti elettronici 15 del circuito elettronico 14 di conversione a modulazione PWM.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pompa di calore termoeletrica (10) con un dispositivo di montaggio e di dissipazione del calore (16) per i componenti elettronici (15) di una scheda elettronica di controllo (13), in cui deta pompa di calore comprende una coppia di scambiatori di calore ed uno o più moduli termoelettrici (12) aventi lati opposti a contatto ciascuno rispetivamente con uno (11) di detti scambiatori di calore, detti moduli termoelettrici (12) essendo collegati elettricamente a conduttori eletrici dì alimentazione e deta scheda elettronica dì controllo (13) avendo contatti elettrici (C) per il collegamento ai terminali di deti condutori di alimentazione dei moduli termoelettrici (12), caraterizzata dai fato che il dispositivo di montaggio e di dissipazione del calore (16) è formato da una piastrina di materiale ad elevata conducibilità termica comprendente una prima parte di montaggio (16A) per detti componenti eletronici (15) della scheda eletronica di controllo (13) ed una seconda parte di collegamento (16B) destinata ad essere fissata ad uno (11) di detti scambiatori di calore della pompa di calore termoelettrica per collegare detta scheda eletronica di controllo (13) alla pompa di calore termoeletrica, detta piastrina (16) fungendo da ponte termico tra detti componenti elettronici (15) della scheda elettronica di controllo (13) e detto scambiatore di calore delia pompa di calore termoelettrica e fissando meccanicamente deta scheda di controllo elettronica (13) alla pompa di calore termoelettrica in una posizione operativa tale da consentire la connessione elettrica di deti contati (C) della scheda elettronica (13) a detti terminali dei conduttori di alimentazione dei moduli termoelettrici della pompa di calore termoelettrica.
2. 2. Pompa di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la piastrina (16) è realizzata in un materiale metallico o non metallico ad elevata conducibilità termica.
3. 3. Pompa di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la piastrina (16) presenta sedi di montaggio per ì componenti elettronici della scheda elettronica di controllo (13).
4. 4. Pompa di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dai fatto che la piastrina (16) presenta fori (17) atti a ricevere viti, rivetti o altri mezzi di fissaggio delia stessa ad uno (11) degli scambiatori di calore della pompa di calore termoelettrica.
5. 5. Pompa di calore secondo la rivendicazione 1(caratterizzata dal fatto che i terminali dei conduttori di alimentazione dei moduli termoelettrici sono conformati a maschio e i contatti (C) della scheda elettronica (13) sono conformati a femmina e presentano elementi di contatto elasticamente deformabili atti a ricevere in modo scioglibile detti terminali e a consentire opportune tolleranze di allineamento fra i terminali e i contatti medesimi.