RU144269U1

RU144269U1 - THERMOELECTRIC MODULE

Info

Publication number: RU144269U1
Application number: RU2013156888/06U
Authority: RU
Inventors: Александр Бежанович Начкебия
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-08-20

Abstract

1. Термоэлектрический модуль, состоящий из стянутых винтами воздушного и водяного теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены термоэлектрические охладители, расположенные в виде прямоугольника и окруженные защитным барьером, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен клеммной коробкой, которая расположена на внешней стороне водяного теплообменника и сообщается с полостью, в которой расположены термоэлектрические охладители и температурные датчики, посредством каналов, выполненных в стенке водяного теплообменника, при этом в упомянутых каналах расположены электрические провода охладителей и датчиков, выходы которых закреплены на клеммной плате, установленной в клеммной коробке, при этом в упомянутую коробку через сальниковый уплотнитель подведен кабель для внешних подключений.2. Термоэлектрический модуль по п.1, отличающийся тем, что клеммная коробка дополнительно снабжена поглотителем влаги силикагелем. 1. Thermoelectric module, consisting of air and water heat exchangers tightened by screws, between which thermoelectric coolers are installed in thermal contact, located in the form of a rectangle and surrounded by a protective barrier, characterized in that it is additionally equipped with a terminal box, which is located on the outside of the water heat exchanger and communicates with the cavity in which thermoelectric coolers and temperature sensors are located, through channels made in the wall of the water heat exchanger CENI, wherein the channels are arranged in said electrical wires coolers and sensors, the outputs of which are fixed to terminal board installed in the terminal box, wherein said box through a gland seal summed cable for external podklyucheniy.2. The thermoelectric module according to claim 1, characterized in that the terminal box is additionally equipped with a moisture absorber silica gel.

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к холодильному оборудованию, а именно, к термоэлектрическим холодильным установкам и может быть использована, например, для охлаждения воздуха в продовольственных кладовых на судах в жестких условиях эксплуатации, а также в устройствах кондиционирования воздуха.The utility model relates to refrigeration equipment, namely, thermoelectric refrigeration units and can be used, for example, for cooling air in food pantries on ships in harsh operating conditions, as well as in air conditioning devices.

Принцип работы термоэлектрического модуля (далее ТЭМ) основан на эффекте Пельтье, когда при пропускании постоянного тока через контакты двух разнородных металлов (полупроводников), из которых состоит ТЭМ, на одном из контактов происходит охлаждение (поглощение тепла), а на другом - выделение тепла.The principle of operation of the thermoelectric module (hereinafter TEM) is based on the Peltier effect, when when passing direct current through the contacts of the two dissimilar metals (semiconductors) that make up the TEM, cooling occurs on one of the contacts (heat absorption), and heat is released on the other.

Уровень техникиState of the art

Известны термоэлектрические устройства, состоящие из воздушных и/или гидравлических теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены два и более термоэлектрических охладителей, образующих плоский слой, причем, последние окружены по периметру защитным барьером из низко теплопроводного материала, а теплообменники между собой стянуты винтами - RU 2187052 F25B 21/02, 14.12.2000, RU 2092753 F25B 21/02, 13.06.1996, RU 2364803 F25B 21/02, 18.09.2007, RU 2397074 B60H 1/32, 01.09.2008, RU 2234647 F25B 21/02, 27.11.2002.Known thermoelectric devices consisting of air and / or hydraulic heat exchangers, between which two or more thermoelectric coolers are installed in thermal contact, forming a flat layer, the latter being surrounded around the perimeter by a protective barrier of low heat-conducting material, and the heat exchangers are tightened by screws - RU 2187052 F25B 21/02, 12/14/2000, RU 2092753 F25B 21/02, 06/13/1996, RU 2364803 F25B 21/02, 09/18/2007, RU 2397074 B60H 1/32, 09/09/2008, RU 2234647 F25B 21/02, 11/27/2002.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран холодильный термоэлектрический блок RU 2092753 F25B 21/02, 13.06.1996. Блок содержит два и более термоохладителей на горячих и холодных спаях, которых установлены теплообменники. Пространство между ними и полость между горячими и холодными спаями заполнено теплоизоляционным влагонепроницаемым материалом, теплообменник горячих спаев выполнен в виде автономных секций, закрепленных только на одном термомодуле, при этом теплообменник и вентилятор для его обдува размещены в кожухе, имеющем форму диффузора с сужением в сторону теплообменника. Отверстия для входа и выхода воздуха выполнены на противоположных торцевых сторонах кожуха.As the closest analogue (prototype), the thermoelectric refrigeration unit RU 2092753 F25B 21/02, 06/13/1996 was selected. The unit contains two or more heat coolers on hot and cold junctions, which are installed heat exchangers. The space between them and the cavity between the hot and cold junctions is filled with heat-insulating moisture-proof material, the heat exchanger of the hot junctions is made in the form of autonomous sections mounted on only one thermal module, while the heat exchanger and the fan for blowing it are placed in a casing having the shape of a diffuser with a restriction towards the heat exchanger . The air inlet and outlet openings are made on opposite end sides of the casing.

К недостаткам прототипа можно отнести невысокую надежность устройства, так как в нем частично решена задача герметичности конструкции, что приводит к низкому уровню защиты термоэлектрических охладителей и токоведущих цепей от конденсата.The disadvantages of the prototype include the low reliability of the device, since it partially solves the problem of tightness of the structure, which leads to a low level of protection of thermoelectric coolers and current-carrying circuits from condensate.

Это объясняется тем, что ограждающий слой из теплоизоляционного материала вокруг и/или между термоэлектрическими охладителями предназначен, в первую очередь, для уменьшения теплопритоков к охлаждаемой поверхности теплообменника, что не гарантирует защиту термоэлектрических охладителей и размещенных вблизи них разного рода температурных датчиков от воздействия влаги (конденсата). Не решает вопрос и применение в качестве теплоизоляции вспениваемых материалов (пенополиуретаны), так как процесс вспенивания в узких или затесненных пространствах вызывает технологические трудности. Еще более негерметичны ограждения из твердых вспененных материалов, например, пенопластов.This is explained by the fact that the enclosing layer of heat-insulating material around and / or between thermoelectric coolers is intended, first of all, to reduce heat inflows to the cooled surface of the heat exchanger, which does not guarantee the protection of thermoelectric coolers and various temperature sensors located near them from moisture (condensate) ) The use of foaming materials (polyurethane foams) as a thermal insulation does not solve the problem either, since the foaming process in narrow or crowded spaces causes technological difficulties. Fences made of hard foam, such as polystyrene, are even more leaky.

Актуальной проблемой является защита от конденсата токоведущих цепей и термоэлектрических охладителей, так как вода на них при длительной (1000 и более часов) работе способствует электрохимической коррозии с последующим разрушением. Снижение надежности электроизоляции цепей электропитания относительно корпуса неприемлемо, в особенности, для судовых охлаждающих устройств, питающихся непосредственно от судовой сети постоянного тока, в которых снижение значения сопротивления электроизоляции равносильно отказу.An urgent problem is the protection of conductive circuits and thermoelectric coolers from condensation, since water in them during prolonged (1000 or more hours) operation contributes to electrochemical corrosion with subsequent destruction. A decrease in the reliability of electrical insulation of power circuits relative to the hull is unacceptable, especially for marine cooling devices powered directly from the marine DC network, in which a decrease in the value of electrical insulation resistance is equivalent to failure.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании новой надежной конструкции ТЭМ, работающей в жестких условиях эксплуатации на судах.The problem, which the utility model is aimed at, is to create a new reliable TEM design that works in harsh operating conditions on ships.

Технический результат полезной модели заключается в повышении герметичности конструкции, увеличении надежности, увеличение срока службы, в повышении оперативности управления ТЭМ за счет варьирования переключения токоподводящих цепей охладителей.The technical result of the utility model is to increase the tightness of the structure, increase reliability, increase the service life, increase the efficiency of TEM control by varying the switching of the current-supplying chains of coolers.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Поставленные задачи решены следующим образом. Термоэлектрический модуль состоит из стянутых винтами воздушного и водяного теплообменников, между которыми в тепловом контакте установлены термоэлектрические охладители, расположенные в виде прямоугольника и окруженные защитным барьером. ТЭМ отличается тем, что он дополнительно снабжен клеммной коробкой, которая расположена на внешней стороне водяного теплообменника и сообщается с полостью, в которой расположены термоэлектрические охладители и температурные датчики, посредством каналов, выполненных в стенке водяного теплообменника, при этом в упомянутых каналах расположены электрические провода охладителей и датчиков, выходы которых закреплены на клеммной плате, установленной в клеммной коробке, в которую через сальниковый уплотнитель подведен кабель для внешних подключений. Клеммная коробка дополнительно снабжена поглотителем влаги силикагелем.The tasks are solved as follows. The thermoelectric module consists of air and water heat exchangers tightened by screws, between which thermoelectric coolers are installed in thermal contact, located in the form of a rectangle and surrounded by a protective barrier. TEM is characterized in that it is additionally equipped with a terminal box, which is located on the outside of the water heat exchanger and communicates with the cavity in which thermoelectric coolers and temperature sensors are located, through channels made in the wall of the water heat exchanger, while the electric wires of the coolers are located in the said channels and sensors, the outputs of which are fixed to the terminal board installed in the terminal box, into which the cable for external inclusions. The terminal box is additionally equipped with a moisture absorber silica gel.

Кроме того, защитный барьер ТЭМ образован двумя жгутами квадратного сечения, которые установлены с зазором друг относительно друга, при этом один из жгутов расположен на воздушном теплообменнике, другой на водяном, а на наружные боковые поверхности барьера нанесено защитное покрытие из кремнийорганического герметика.In addition, the TEM protective barrier is formed by two square bundles, which are installed with a gap relative to each other, one of the bundles being located on the air heat exchanger, the other on the water one, and a protective coating of silicone sealant is applied to the outer side surfaces of the barrier.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Заявляемая полезная модель поясняется рисунками, На фиг.1 изображен ТЭМ в разрезе, на фиг.2 - разрез по А-А фиг.1, на фиг 3 - узел соединения ребра воздушного теплообменника.The inventive utility model is illustrated by drawings, Fig. 1 shows a TEM in section, Fig. 2 is a section along A-A of Fig. 1, Fig. 3 is a connection node of a fin of an air heat exchanger.

ТЭМ содержит воздушный теплообменник 1 и водяной теплообменник 2, между которыми размещен плоский, прямоугольной формы слой из термоэлектрических охладителей 3 и датчиков температуры 4. Теплообменники 1 и 2 стянуты по контуру винтами 5. Усилие стяжки замыкается на упоры 6, которые установлены между теплообменниками по периметру и в центре. Винты 5 передают усилие на теплообменник 2 через нетеплопроводные упорные втулки 7. Каналы 8 в стенке теплообменника 2 соединяют полость, занятую термоэлектрическими охладителями 3, с клеммной коробкой 9, расположенной на внешней стороне теплообменника 2. На коробке установлена крышка 10, которая закреплена винтами с уплотнением (не показано). В коробке 9 выполнен сальниковый ввод 11 для установки кабеля наружных подключений. Провода от термоохладителей и датчиков температуры распаяны на клеммной плате 12, установленной в клеммной коробке 9. К этой же плате 12 подведен и подпаян кабель наружных подключений ТЭМ. В коробку помещены упаковки с силикагелем 13. Боковые поверхности термоэлектрических охладителей 3 по периметру окружены защитным барьером из двух резиновых жгутов 14, и охвачены снаружи единым сплошным защитным покрытием из кремнийорганического герметика 15.TEM contains an air heat exchanger 1 and a water heat exchanger 2, between which there is a flat, rectangular-shaped layer of thermoelectric coolers 3 and temperature sensors 4. Heat exchangers 1 and 2 are tightened along the contour with screws 5. The tension of the coupler is closed on the stops 6, which are installed around the perimeters between the heat exchangers and in the center. The screws 5 transmit the force to the heat exchanger 2 through non-conductive thrust bushings 7. The channels 8 in the wall of the heat exchanger 2 connect the cavity occupied by thermoelectric coolers 3 to the terminal box 9 located on the outside of the heat exchanger 2. A cover 10 is mounted on the box, which is fastened with screws with a seal (not shown). In box 9, a stuffing box 11 is made for installing an external connection cable. The wires from the heat coolers and temperature sensors are soldered to the terminal board 12 installed in the terminal box 9. The external TEM cable is connected to the same board 12 and soldered. Packages with silica gel 13 are placed in the box. The lateral surfaces of thermoelectric coolers 3 around the perimeter are surrounded by a protective barrier of two rubber bundles 14, and are covered externally by a single continuous protective coating of silicone sealant 15.

Для улучшения теплообмена на поверхности контакта термоэлектрических охладителей 3, нанесена кремнийорганическая теплопроводная паста (КПТ-8). Охладители установлены на электроизоляционные планки 16. Ребра 17 воздушного теплообменника запрессованы в основании 18 теплообменника 1To improve heat transfer on the contact surface of thermoelectric coolers 3, applied silicone heat transfer paste (KPT-8). Coolers are installed on insulating strips 16. The fins 17 of the air heat exchanger are pressed into the base 18 of the heat exchanger 1

ТЭМ работает следующим образом. При сборке ТЭМ теплообменники 1 и 2 стягивают винтами 5, до тех пор, пока теплообменники не сблизятся на расстояние, равное высоте упоров 6, которое на несколько десятых миллиметра превышает высоту термоэлектрических охладителей 3. Термоэлектрические охладители вначале испытывают некоторое давление, передаваемое на них от теплообменников через теплопроводную пасту, но, когда упоры остановят сближение теплообменников, теплопроводная кремнийорганическая паста, обладая заметной текучестью, будет ослаблять давление на охладители. Когда толщина слоев пасты по обеим сторонам охладителя станет равной разности высот упоров и охладителей, давление на последние прекратится, и вся дальнейшая работа устройства будет происходить при полностью механически разгруженных охладителях. С целью исключения перемещений (в условиях тряски и вибрации) термоэлектрических охладителей 3, связь которых с теплообменными поверхностями осуществлена только с помощью вязкой теплопроводной пасты, применены планки 16, выполненные из электроизоляционного материала и имеющие профиль, удерживающий охладители от линейных перемещений. Планки 16 винтами закреплены на стенке водяного теплообменника 2. На планках 16 также закреплены электрические проводники от термоэлектрических охладителей и датчиков температуры 4.TEM works as follows. When assembling the TEM, heat exchangers 1 and 2 are tightened with screws 5, until the heat exchangers come closer to a distance equal to the height of the stops 6, which is several tenths of a millimeter higher than the height of the thermoelectric coolers 3. Thermoelectric coolers initially experience some pressure transferred to them from the heat exchangers through heat-conducting paste, but when the stops stop the proximity of the heat exchangers, the heat-conducting organosilicon paste, having a noticeable fluidity, will weaken the pressure on the coolers. When the thickness of the layers of paste on both sides of the cooler becomes equal to the difference in height of the stops and coolers, the pressure on the latter will cease, and all further operation of the device will occur with completely mechanically unloaded coolers. In order to exclude movements (under conditions of shaking and vibration) of thermoelectric coolers 3, the connection of which with heat-exchange surfaces is carried out only using viscous heat-conducting paste, strips 16 are made of electrical insulating material and have a profile that keeps the coolers from linear movements. The strips 16 are fixed with screws to the wall of the water heat exchanger 2. The strips 16 are also secured with electrical conductors from thermoelectric coolers and temperature sensors 4.

Защитный барьер термоэлектрических охладителей образован двумя жгутами квадратного сечения 14. Один жгут приклеен к воздушному теплообменнику 1, другой - к водяному 2. Между жгутами предусмотрен зазор от 0,5 до 2,0 мм. При обмазке снаружи жгутов кремнийорганическим герметиком 15 образуется сплошной защитный слой, перекрывающий зазор между жгутами. При включении ТЭМ, когда температуры обоих теплообменников могут значительно отличаться, защитный барьер, обладая упругостью, сохраняет механическую прочность и паро-влаго-непроницаемость. Провода от термоэлектрических охладителей 3 и датчиков температуры 4 через каналы 8 в стенке водяного теплообменника 2 выводят в клеммную коробку 9. Клеммную коробку герметично закрывают крышкой 10, а кабель подключения проводят через сальниковую буксу. Таким образом, работа термоэлектрических охладителей 3 происходит в полностью герметичной зоне, в которую исключен доступ водяных паров. Для полного исключения в герметичной зоне остаточных паров воды в клеммную коробку вложена упаковка с силикагелем 13.The protective barrier of thermoelectric coolers is formed by two bundles of square cross-section 14. One bundle is glued to the air heat exchanger 1, the other to water 2. The gap between the bundles is from 0.5 to 2.0 mm. When coating the outside of the bundles with silicone sealant 15, a continuous protective layer forms, covering the gap between the bundles. When TEM is turned on, when the temperatures of both heat exchangers can differ significantly, the protective barrier, possessing elasticity, retains mechanical strength and vapor-moisture impermeability. The wires from the thermoelectric coolers 3 and temperature sensors 4 through the channels 8 in the wall of the water heat exchanger 2 are led into the terminal box 9. The terminal box is hermetically sealed with a cover 10, and the connection cable is passed through the stuffing box. Thus, the operation of thermoelectric coolers 3 occurs in a completely sealed area, in which access of water vapor is excluded. To completely eliminate residual water vapor in the sealed area, a silica gel package 13 is enclosed in the terminal box.

Выведение проводов токоподводящих цепей всех термоэлектрических охладителей на клеммные платы 12 внутри клеммной коробки 9 позволяет быстро варьировать переключение цепей охладителей и выбирать необходимые значения характеристик ТЭМ.The removal of the wires of the current-carrying circuits of all thermoelectric coolers to the terminal boards 12 inside the terminal box 9 allows you to quickly vary the switching of the cooler circuits and select the necessary values of the TEM characteristics.

Таким образом, предлагаемый ТЭМ за счет комбинирования различных соединений токоподводящих цепей термоохладителей позволяет оперативно изменять и выбирать необходимые характеристики любых возможных вариантов параллельно-последовательного соединения, что повышает оперативность управления ТЭМ. В ранее известных устройствах (например, RU 2397074) была предусмотрена возможность комбинирования различных соединений, но только в процессе его изготовления (за счет подключения модулей на токовых площадках внутри конструкции).Thus, the proposed TEM by combining various connections of the current-carrying circuits of heat coolers allows you to quickly change and select the necessary characteristics of any possible options for parallel-serial connection, which increases the efficiency of TEM control. In previously known devices (for example, RU 2397074), it was possible to combine various connections, but only in the process of its manufacture (due to the connection of modules on current platforms inside the structure).

В предлагаемом ТЭМ применены 24 термоэлектрических охладителя. Как показали проведенные испытания, это число является оптимальным количеством, обеспечивающим максимальное число комбинаций необходимых вариантов подключений. ТЭМ с 24 термоэлектрическими охладителями оптимален также по габаритам и массе (около 12 кг), что делает его удобным для использования в холодильных установках различной холодопроизводительности.In the proposed TEM, 24 thermoelectric coolers are used. As the tests showed, this number is the optimal number that provides the maximum number of combinations of the necessary connection options. TEM with 24 thermoelectric coolers is also optimal in size and weight (about 12 kg), which makes it convenient for use in refrigeration units of various refrigerating capacities.

С целью исключения разрушения мест запрессовки ребер 17 в основании 18 теплообменника 1 (при отрицательных температурах охлаждаемого воздуха в условиях выпадения росы и образования инея), зоны запрессовки (фиг.3) обрабатывают водостойким лаком, например, УР-231, который заполняет все неплотности, микротрещины и микрополости, которые неизбежно остаются после запрессовки ребер. Тем самым исключена возможность заполнения водой этих неплотностей и микротрещин. Таким образом, надежность работы ТЭМ модуля повышается.In order to exclude the destruction of the places of pressing in the ribs 17 in the base 18 of the heat exchanger 1 (at negative temperatures of the cooled air in the presence of dew and frost), the pressing zones (Fig. 3) are treated with waterproof varnish, for example, UR-231, which fills all leaks, microcracks and microcavities that inevitably remain after pressing in the ribs. This excludes the possibility of filling these leaks and microcracks with water. Thus, the reliability of the TEM module is increased.

ТЭМ работает следующим образом.TEM works as follows.

Основным элементом ТЭМ являются термоэлектрические охладители 3, создающие эффект охлаждения при подаче на их токовые выводы постоянного напряжения заданной полярности.The main element of TEMs are thermoelectric coolers 3, which create a cooling effect when a constant voltage of a given polarity is applied to their current terminals.

При подаче напряжения постоянного тока на спаях термоэлектрических охладителей 3 возникает разность температур, обусловливающая передачу тепла с низкого температурного уровня (охлаждаемого объема, например, кладовой) на более высокий (охлаждающая вода). Тепло из охлаждаемого объема поглощается воздушным теплообменником 1 и вместе с теплом, эквивалентным потребляемой электрической мощности термоэлектрического охладителя передается на водяной теплообменник 2, где отдается проточной охлаждающей воде. Термоэлектрические охладители установлены на водяной теплообменник 2. С противоположной стороны термоэлектрические охладители 3 находятся в тепловом контакте с воздушным теплообменником. Надежность теплового контакта обеспечена стяжкой теплообменниковWhen a DC voltage is applied to the junctions of thermoelectric coolers 3, a temperature difference occurs, causing the transfer of heat from a low temperature level (refrigerated volume, for example, pantry) to a higher one (cooling water). Heat from the cooled volume is absorbed by the air heat exchanger 1 and, together with heat equivalent to the consumed electric power of the thermoelectric cooler, is transferred to the water heat exchanger 2, where it is supplied to the flowing cooling water. Thermoelectric coolers are mounted on a water heat exchanger 2. On the opposite side, thermoelectric coolers 3 are in thermal contact with an air heat exchanger. Reliability of thermal contact is ensured by heat exchanger screed

При работе ТЭМ на судах в водяной теплообменник подают охлаждающую воду, температура которой может достигать 5°C. При этом на внешних стенках теплообменника может выпадать роса. Длительное воздействие капельной влаги на стенки теплообменника способно вызвать усиленную коррозию. Кроме того, как показывает опыт, количество сконденсированной влаги на стенках теплообменника в течение часа может достигать 100 мл, что равносильно дополнительной тепловой нагрузке 60 Вт. При расчетной нагрузке на теплообменник 600 Вт дополнительная нагрузка от конденсата может быть принята во внимание. С целью повышения эффективности водяных теплообменников и повышения коррозионной устойчивости наружная поверхность водяных теплообменников покрыта жидким керамическим теплоизоляционным покрытием типа ″Корунд″, исключающим выпадение на покрытых поверхностях конденсата.During TEM operation on ships, cooling water is supplied to the water heat exchanger, the temperature of which can reach 5 ° C. In this case, dew may precipitate on the outer walls of the heat exchanger. Prolonged exposure to drip moisture on the walls of the heat exchanger can cause increased corrosion. In addition, experience shows that the amount of condensed moisture on the walls of the heat exchanger can reach 100 ml per hour, which is equivalent to an additional thermal load of 60 watts. With a rated load of 600 W on the heat exchanger, the additional condensate load can be taken into account. In order to increase the efficiency of water heat exchangers and increase the corrosion resistance, the outer surface of the water heat exchangers is covered with a liquid ceramic heat-insulating coating of the type “Corundum”, which prevents condensation from falling on the coated surfaces.

Claims

1. Thermoelectric module, consisting of air and water heat exchangers tightened by screws, between which thermoelectric coolers are installed in thermal contact, located in the form of a rectangle and surrounded by a protective barrier, characterized in that it is additionally equipped with a terminal box, which is located on the outside of the water heat exchanger and communicates with the cavity in which thermoelectric coolers and temperature sensors are located, through channels made in the wall of the water heat exchanger CENI, wherein the channels are arranged in said electrical wires coolers and sensors, the outputs of which are fixed to terminal board installed in the terminal box, wherein said box through a gland seal summed cable for external connections.

2. The thermoelectric module according to claim 1, characterized in that the terminal box is additionally equipped with a moisture absorber silica gel.