RU2110020C1

RU2110020C1 - Thermoelectric cooling-heating device

Info

Publication number: RU2110020C1
Application number: RU96105484/06A
Authority: RU
Inventors: В.Е. Костин; Н.А. Макаровец; Н.В. Морозов; Н.М. Проскурин; В.И. Семенов; А.С. Соколов
Original assignee: Государственное научно-производственное предприятие "Сплав"
Priority date: 1996-03-20
Filing date: 1996-03-20
Publication date: 1998-04-27

Abstract

FIELD: heat engineering. SUBSTANCE: device includes thermoelectric units which are in contact with outer and inner heat scatterers scattering heat through heat transfer spacers made in form of rods. Outer scatterer is module-type; it is made of set of plates and is mounted on outer wall of housing. Inner scatterer is made in form of set of sheets and is secured on rear wall of chamber. Rear wall of inner chamber may perform the function of one of sheets. Plates of outer scatterer and sheets of inner scatterer are interconnected by means of distance washers. Opposite spacers of outer and inner scatterers are rigidly interconnected through thermoelectric unit and are heat-insulated relative to each other. All parts of thermal system are made from highly conducting material and their contact surfaces are coated with layer of heat-conducting paste. Thermoelectric unit is shifted towards outer edge of heat insulation of housing. EFFECT: enhanced efficiency. 5 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам для охлаждения и нагрева пищевых продуктов, напитков, лекарственных препаратов, а также других веществ при температуре окружающей среды -20 - 40^oC, обеспечивает перепад температуры между окружающей средой и внутренним объемом камеры 22 - 24^oC и может найти широкое применение в качестве встраиваемого модуля в бытовую кухонную мебель для хранения овощей и фруктов (режим охлаждения) или для поддержания температуры разогретых продуктов (режим нагрева). Возможно также его автономное применение в жилых и служебных комнатах, спальнях, гостиницах, офисах, кемпингах, медицинских учреждениях, на транспорте и предприятиях питания.The invention relates to thermoelectric devices for cooling and heating food, drinks, medicines, and other substances at an ambient temperature of -20 - 40 ^o C, provides a temperature difference between the environment and the internal volume of the chamber 22 - 24 ^o C and can find widespread use as a built-in module in household kitchen furniture for storing vegetables and fruits (cooling mode) or to maintain the temperature of heated products (heating mode). It is also possible its autonomous use in residential and office rooms, bedrooms, hotels, offices, campsites, medical facilities, transport and catering.

Принцип термоэлектрического способа охлаждения и нагрева основан на эффекте Пельтье и заключается в том, что при прохождении постоянного тока через границу двух разнородных материалов выделяется или поглощается тепло (в зависимости от направления тока). The principle of the thermoelectric method of cooling and heating is based on the Peltier effect and consists in the fact that when direct current passes through the boundary of two dissimilar materials, heat is generated or absorbed (depending on the direction of the current).

Этот принцип реализуется в сравнительно небольших термоэлектрических блоках кристаллов, изготовленных из полупроводниковых материалов - висмута, теллура, селена, сурьмы и др. В них непосредственно происходят процессы преобразования электрической энергии в тепловую. Отвод тепла и холода от них осуществляется за счет применения рассеивателей в виде радиаторов. Поэтому для работы термоэлектрических устройств нет принципиальной необходимости в движущихся, а следовательно, изнашивающихся частях и деталях, рабочих жидкостях и газах, требующих их регламентированного перемещения и герметичности систем как это имеет место, например, в компрессионных холодильниках. This principle is implemented in relatively small thermoelectric blocks of crystals made of semiconductor materials - bismuth, tellurium, selenium, antimony, etc. The processes of conversion of electrical energy into heat directly occur in them. Heat and cold are removed from them through the use of diffusers in the form of radiators. Therefore, for the operation of thermoelectric devices there is no fundamental need for moving, and therefore wearing parts and parts, working fluids and gases, requiring their regulated movement and tightness of systems, as is the case, for example, in compression refrigerators.

Вследствие этого термоэлектрические охладители и нагреватели имеют большой срок службы, надежны, совершенно бесшумны (если для обдува радиаторов не применяется вентилятор) и почти не требуют эксплуатационного обслуживания. As a result, thermoelectric coolers and heaters have a long service life, are reliable, completely silent (if a fan is not used to blow radiators) and require almost no maintenance.

К важным достоинствам термоэлектрического способа преобразования энергии следует отнести такие, как экологическая чистота и компактность. Important advantages of the thermoelectric method of energy conversion include environmental friendliness and compactness.

Следует особо остановиться на важности такого качества термоэлектрических устройств, как экологическая чистота, на отсутствии в них хладонов, состоящих из озоноразрушающих веществ. Particular attention should be paid to the importance of such quality of thermoelectric devices as environmental cleanliness, to the absence of freons in them, consisting of ozone-depleting substances.

Пятнадцать лет понадобилось мировому сообществу, чтобы осознать опасность и на Монреальской конференции 1987 г. договориться о конкретных действиях по защите от разрушения озонного слоя, защищающего жизнь на Земле. На Лондонской конференции 1990 г. , также посвященной этой проблеме, принято решение об ускоренном сокращении производства и использования озоноразрушающих веществ, а это в основном хлор-фторуглероды (ХФУ), используемые в холодильной технике, - на 50% в 1995 г. и о их полном запрещении с 2000 г. It took fifteen years for the international community to realize the danger and at the Montreal Conference in 1987 to agree on concrete actions to protect the ozone layer from protecting the Earth’s life from destruction. At the 1990 London Conference, also devoted to this problem, a decision was made to accelerate the reduction in the production and use of ozone-depleting substances, and these are mainly chlorofluorocarbons (CFCs) used in refrigeration - by 50% in 1995 and their total ban since 2000

Россия, как и все развитые страны, взяла на себя обязательство выполнять эти требования. Поэтому ясно, какую важную роль в выполнении этих обязательств могут сыграть термоэлектрические охладители, совершенно не использующие ХФУ. Russia, like all developed countries, has undertaken to fulfill these requirements. Therefore, it is clear what important role thermoelectric coolers can play in fulfilling these obligations, which do not use CFCs at all.

Однако существующие термоэлектрические устройства в режиме охлаждения несколько уступают по энергетическим показателям компрессионным и абсорбционным охладителям, а в режиме нагрева - обычным электрическим нагревателям. Но эти различия уменьшаются при снижении холодо- и теплопроизводительности, а также при малой глубине охлаждения и нагрева. However, the existing thermoelectric devices in the cooling mode are somewhat inferior in energy performance to compression and absorption coolers, and in the heating mode - to conventional electric heaters. But these differences decrease with a decrease in cold and heat production, as well as with a shallow cooling and heating depth.

Конструкторская проработка рассеивателей тепла и холода, выполненная авторами при объемах камер до 200 дм³, позволяет существенно повысить их конкурентоспособность.The design study of heat and cold diffusers, performed by the authors with chamber volumes up to 200 dm ³ , can significantly increase their competitiveness.

Пригодность термоэлектрических охлаждающе-нагревательных устройств для хранения продуктов питания и других веществ была подтверждена натурными испытаниями, в процессе которых определились потери продуктов от загнивания, естественная убыль массы, изменение химического состава продуктов, ухудшение их потребительских свойств. Простота автоматического регулирования температуры, стабильность температурно-влажностных показателей во всем объеме камеры термоэлектрического устройства обеспечивают значительно лучшую сохраняемость пищевой продукции, чем в домашнем холодильнике за счет того, что в режиме охлаждения создается температура 0 - 10^oC, обеспечивающая снижение потерь воды и некоторых питательных веществ (т.е. почти отсутствует явление сублимации). Поэтому продукты, хранимые в термоэлектрическом охладителе, отличаются лучшим товарным видом, большей С-витаминной активностью, повышенной питательной ценностью. При переключении устройства на режим нагрева в камере создается температура 25 - 60^oC, обеспечивающая равномерный прогрев продуктов без подгорания в отдельных местах и их постоянную готовность к употреблению.The suitability of thermoelectric cooling and heating devices for storing food products and other substances was confirmed by field tests, during which the loss of products from decay, the natural loss of mass, the change in the chemical composition of the products, and the deterioration of their consumer properties were determined. The simplicity of automatic temperature control, the stability of temperature and humidity indicators in the entire chamber of a thermoelectric device provide significantly better food preservation than in a home refrigerator due to the fact that in the cooling mode a temperature of 0 - 10 ^o C is created, which reduces water and some nutrient losses substances (i.e., the phenomenon of sublimation is almost absent). Therefore, products stored in a thermoelectric cooler are distinguished by their best presentation, greater C-vitamin activity, and increased nutritional value. When the device switches to the heating mode, a temperature of 25-60 ^° C is created in the chamber, which ensures uniform heating of products without burning in separate places and their constant readiness for use.

Разработки термоэлектрических охладителей и нагревателей в настоящее время ведутся в ряде стран. Это обусловлено тем, что применение термоэлектрического преобразования энергии для охлаждения и нагрева в одном и том же устройстве позволяет получить многофункциональный и бесшумный агрегат небольших размеров и веса, экологически чистый, работа которого практически не зависит от ориентации в пространстве, надежный и долговечный. The development of thermoelectric coolers and heaters is currently underway in several countries. This is due to the fact that the use of thermoelectric energy conversion for cooling and heating in the same device allows you to get a multifunctional and noiseless unit of small size and weight, environmentally friendly, the work of which is practically independent of spatial orientation, reliable and durable.

В настоящее время среди термоэлектрических устройств распространена конструкция охладителя для переносных, автомобильных и малых домашних холодильников, в котором в качестве холодного рассеивателя используется внутренний корпус холодильной камеры, выполненной из алюминиевого сплава, а горячий рассеиватель имеет форму Ш-образного радиатора, как правило, обдуваемого вентилятором. Currently, among thermoelectric devices, the design of a cooler for portable, automobile and small home refrigerators is widespread, in which the internal case of the cooling chamber made of aluminum alloy is used as a cold diffuser, and the hot diffuser has the shape of an U-shaped radiator, usually blown by a fan .

Бытовые холодильники были одними из первых объектов практического использования термоэлектрического способа охлаждения. Однако отсутствие высокоэффективных термоэлектрических материалов и технологий, а также несовершенство конструкции рассеивателей тепла и холода не позволило создать эффективные домашние холодильники большой емкости. Household refrigerators were one of the first objects of the practical use of the thermoelectric cooling method. However, the lack of highly efficient thermoelectric materials and technologies, as well as the imperfect design of heat and cold diffusers, did not allow the creation of efficient large-capacity home refrigerators.

Известна в настоящее время конструкция термостата - подставки под домашний холодильник для хранения овощей и фруктов емкостью 60 л, которая обеспечивает температурный перепад около 18^oC при температуре окружающей среды до 28^oC без применения вентилятора обдува горячего рассеивателя (Киевское НПО "Веста", 1989 г.).The design of the thermostat is currently known - a stand for a home refrigerator for storing vegetables and fruits with a capacity of 60 l, which provides a temperature drop of about 18 ^o C at an ambient temperature of up to 28 ^o C without using a fan for blowing a hot diffuser (Kiev NPO Vesta, 1989 g.).

Известная конструкция содержит термоизолированный корпус с дверцей, уплотнитель двери, холодильную камеру, выполненную из алюминиевого сплава, горячий и холодный рассеиватели, термоэлектрический блок (холодопроизводитель) и систему питания и управления. The known design includes a thermally insulated housing with a door, a door seal, a refrigerator made of aluminum alloy, hot and cold diffusers, a thermoelectric unit (refrigeration unit) and a power and control system.

Достоинством данного термостата является то, что в его конструкции нет дополнительных устройств, интенсифицирующих рассеивание тепла в пространстве (вентилятор и др. ), и реализовано одно из преимуществ термоэлектрического способа охлаждения перед компрессионным и абсорбционным - практически линейная зависимость холодопроизводительности от размеров и веса охладителя при неизменных энергетических показателях. The advantage of this thermostat is that in its design there are no additional devices that intensify heat dissipation in space (fan, etc.), and one of the advantages of the thermoelectric cooling method over the compression and absorption methods is realized - an almost linear dependence of the cooling capacity on the dimensions and weight of the cooler at constant energy performance.

Кроме того, он имеет сравнительно небольшие размеры и вес, экологически чист, не имеет движущихся частей и его работа не зависит от ориентации в пространстве. In addition, it has a relatively small size and weight, is environmentally friendly, has no moving parts and its work does not depend on orientation in space.

Недостатком известного устройства является обеспечение им относительно низкого (не более 18^oC) перепада температур между окружающей средой и внутренним объемом холодильной камеры, что в целом снижает эффективность его применения, особенно в периоды, когда температура окружающей среды превышает 25^oC. Это обусловлено несовершенством конструкции его рассеивателей тепла и холода.A disadvantage of the known device is that it provides a relatively low (not more than 18 ^o C) temperature difference between the environment and the internal volume of the refrigerator, which generally reduces the effectiveness of its use, especially during periods when the ambient temperature exceeds 25 ^o C. This is due to imperfection the design of its heat and cold diffusers.

Задачей известного технического решения являлось при относительной простоте конструкции реализовать термоэлектрический способ охлаждения в конкретной разработке с максимально возможным перепадом температур между окружающей средой и внутренним объемом холодильной камеры. The objective of the known technical solution was, with the relative simplicity of the design, to implement the thermoelectric cooling method in a particular design with the maximum possible temperature difference between the environment and the internal volume of the refrigerating chamber.

Общими признаками термостата-подставки с предлагаемым авторами устройством является наличие термоизолированного корпуса с дверцей, уплотнителя двери, холодильной камеры, горячего (наружного) и холодного (внутреннего) рассеивателей, контактирующих с ними через тепловой контакт термоэлектрических блоков и системы питания и управления. The common features of a thermostat-stand with the device proposed by the authors is the presence of a thermally insulated case with a door, a door seal, a refrigerator, hot (external) and cold (internal) diffusers in contact with them through the thermal contact of thermoelectric units and a power and control system.

Известен промышленно освоенный портативный термоэлектрический холодильник фирмы США Koolation Corporation модели Р34 (патент США N 4326383), принятой за прототип. Known industrialized portable thermoelectric refrigerator company USA Koolation Corporation model P34 (US patent N 4326383), adopted as a prototype.

Известный термоэлектрический холодильник содержит термоизолированный корпус с дверцей, уплотнитель, холодильную камеру, горячий и холодный рассеиватели, контактирующий через тепловой контакт с ними термоэлектрический блок и систему питания и управления. Для повышения экономичности и обеспечения заданного перепада температур в нем применен горячий наружный рассеиватель, который находится в тепловом контакте с термоэлектрическим блоком и расположен в противоположной стороне от первой торцевой стенки камеры. Он имеет основание, выполненное из теплопроводного металла и множество расположенных рядом параллельных ребер, перпендикулярных основанию, а в качестве внутреннего холодного рассеивателя использована облицовка камеры из монолитного теплопроводного материала. Known thermoelectric refrigerator contains a thermally insulated body with a door, a sealant, a refrigerating chamber, hot and cold diffusers, a thermoelectric unit and a power and control system in contact with them through thermal contact. To increase efficiency and ensure a given temperature difference, a hot external diffuser is used in it, which is in thermal contact with the thermoelectric unit and is located on the opposite side from the first end wall of the chamber. It has a base made of heat-conducting metal and many parallel ribs located adjacent to it, perpendicular to the base, and a camera lining made of a monolithic heat-conducting material is used as an internal cold diffuser.

Достоинством данного термоэлектрического холодильника является то, что он имеет небольшие размеры и вес, экологически чист, не имеет движущихся частей и не зависит от ориентации в пространстве. Кроме того, за счет более совершенных теплоизоляции и теплосъема как с холодного внутреннего, так и с горячего наружного рассеивателей (более совершенная их конструкция), он позволяет обеспечить получение перепада температур между окружающей средой и внутренним объемом камеры ≈ 21^oC.The advantage of this thermoelectric refrigerator is that it has small dimensions and weight, is environmentally friendly, has no moving parts and does not depend on spatial orientation. In addition, due to better thermal insulation and heat removal from both cold internal and hot external diffusers (their more advanced design), it allows to obtain a temperature difference between the environment and the internal volume of the chamber ≈ 21 ^o C.

Однако, как показали исследования при развитии поверхности горячего наружного рассеивателя традиционным способом (увеличением его площади), в условиях естественной конвекции это ведет к возрастанию кондуктивного сопротивления теплоотвода от источников тепла к ребрам рассеивателя, что влечет за собой недопустимое повышение температуры горячих граней рассеивателя и, следовательно, к повышению температуры в холодильной камере. However, as studies have shown when developing the surface of a hot outdoor diffuser in the traditional way (increasing its area), under conditions of natural convection this leads to an increase in the conductive resistance of the heat sink from the heat sources to the edges of the diffuser, which entails an unacceptable increase in the temperature of the hot faces of the diffuser and, therefore to increase the temperature in the refrigerator.

Попытки увеличения теплосъема с горячих граней рассеивателя путем принудительного обдува вентилятором дали незначительный прирост перепада температур, который составил 22^oC. Однако применение вентилятора для обдува рассеивателя ведет к увеличению габаритов, снижению его надежности, увеличению цены, энергопотребления и шумности.Attempts to increase the heat removal from the hot sides of the diffuser by forced fan blowing gave a slight increase in temperature difference, which amounted to 22 ^o C. However, the use of a fan for blowing the diffuser leads to an increase in size, a decrease in its reliability, an increase in price, energy consumption and noise.

Таким образом, задачей данного технического решения (прототипа) является разработка термоэлектрического холодильника, обеспечивающего за счет более совершенной конструкции рассеивателей получение перепада температур до ≈22^oC.Thus, the objective of this technical solution (prototype) is the development of a thermoelectric refrigerator, which, due to a more advanced design of the diffusers, provides a temperature difference of up to ≈22 ^o C.

Общими признаками с предлагаемым устройством является наличие теплоизолированного корпуса, двери с уплотнителем и магнитной вставки, внутренней камеры, наружного и внутреннего рассеивателей тепла, контактирующих с ними через тепловой контакт термоэлектрических блоков, и системы питания и управления. Common features with the proposed device is the presence of a thermally insulated body, a door with a sealant and a magnetic insert, an internal chamber, external and internal heat dissipators in contact with them through thermal contact of thermoelectric units, and a power and control system.

В отличие от прототипа в предлагаемом техническом решении наружный и внутренний рассеиватели дополнительно снабжены передающими тепловой поток дистанцерами, выполненными в виде стержня, причем наружный торец дистанцера внутреннего рассеивателя по форме и площади идентичен форме и площади рабочего торца термоэлектрического блока, наружный рассеиватель выполнен модульным, каждый модуль которого соединен со своим дистанцером, содержит набор пластин и закреплен на задней стенки корпуса, внутренний рассеиватель жестко закреплен со своими дистанцерами и выполнен в виде одного или нескольких листов, причем роль одного из листов может играть задняя стенка внутренней камеры, пластины наружного и листы внутреннего рассеивателей соединены между собой дистанционными шайбами, установленными напротив дистанцеров и выполненных с диаметром не меньше диаметра описанной окружности поперечного сечения дистанцеров, внутренний рассеиватель закреплен на задней стенке корпуса, а противостоящие дистанцеры наружного и внутреннего рассеивателей жестко соединены между собой через термоэлектрический блок и теплоизолированы один относительно другого, при этом термоэлектрический блок смещен к наружному краю теплоизоляции корпуса, все детали тепловой схемы изготовлены из высокотеплопроводного материала, а их контактирующие поверхности покрыты слоями теплопроводной пасты. In contrast to the prototype, in the proposed technical solution, the external and internal diffusers are additionally equipped with heat transfer transmitters made in the form of a rod, the external end of the internal diffuser of the diffuser in shape and area identical to the shape and area of the working end of the thermoelectric unit, the external diffuser made modular, each module which is connected to its distancer, contains a set of plates and is mounted on the rear wall of the housing, the internal diffuser is rigidly fixed with its with spacers and made in the form of one or several sheets, the role of one of the sheets being played by the back wall of the inner chamber, the outer plates and the sheets of the internal diffusers are interconnected by spacers mounted opposite to the spacers and made with a diameter not less than the diameter of the described circle of the cross section of the spacers , the internal diffuser is mounted on the rear wall of the housing, and the opposing spacers of the external and internal diffusers are rigidly interconnected through t the thermoelectric block is thermally insulated relative to one another, while the thermoelectric block is shifted to the outer edge of the heat insulation of the case, all parts of the thermal circuit are made of highly heat-conducting material, and their contact surfaces are covered with layers of heat-conducting paste.

Проведение сопоставительного анализа показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного и отвечает критерию "Новизна". A comparative analysis shows that the claimed technical solution is different from the known and meets the criterion of "Novelty."

Именно это позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом. It is this that allows us to conclude that there is a causal relationship between the totality of the essential features of the claimed technical solution and the achieved technical result.

Указанные признаки, отличительные от прототипа и на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, во всех случаях достаточны. The indicated features, distinctive from the prototype and to which the requested scope of legal protection applies, are sufficient in all cases.

Задачей изобретения является повышение экономичности и холодопроизводительности путем улучшения теплосъема как с холодного, так и с горячего рассеивателей, повышение перепада температур между окружающей средой и внутренним объемом камеры без применения принудительной конвекции, т.е. вентиляторов. The objective of the invention is to increase the efficiency and cooling capacity by improving the heat removal from both cold and hot diffusers, increasing the temperature difference between the environment and the internal volume of the chamber without using forced convection, i.e. fans.

Изобретение имеет преимущества перед прототипом. А именно, за счет более совершенного теплосъема как с холодного, так и с горячего рассеивателей, уменьшения передачи тепловой энергии на корпус устройства, а также передающих тепловой поток дистанцеров и дистанционных шайб обеспечить получение более высокого периода температур между окружающей средой и внутренним объемом камеры. Все это в совокупности позволило несколько увеличить холодопроизводительность предлагаемого устройства без увеличения габаритов, энергопотребления, повысить его комфортность и получить период температур около 24^oC.The invention has advantages over the prototype. Namely, due to more perfect heat removal from both cold and hot diffusers, reducing the transfer of thermal energy to the device body, as well as transmitting heat flux of spacers and distance washers, to ensure a higher temperature period between the environment and the internal volume of the chamber. All this together allowed to slightly increase the cooling capacity of the proposed device without increasing the size, power consumption, increase its comfort and get a temperature period of about 24 ^o C.

Сущность изобретения заключается в том, что термоэлектрическое охлаждающе-нагревательное устройство, содержащее теплоизолированный корпус, дверь с уплотнителем и магнитной вставкой, внутреннюю камеру, наружный и внутренний рассеиватели тепла, контактирующие с ними через тепловой контакт термоэлектрические блоки, и систему питания и управления, в отличие от прототипа согласно изобретению его наружный и внутренний рассеиватели дополнительно снабжены передающими тепловой поток дистанцерами, выполненными в виде стержня, причем наружный торец дистанцера внутреннего рассеивателя по форме и площади идентичен форме и площади рабочего торца термоэлектрического блока, наружный рассеиватель выполнен модульным, каждый модуль которого соединен со своим дистанцером, содержит набор пластин и закреплен на задней стенке корпуса, внутренний рассеиватель жестко скреплен со своими дистанцерами и выполнен в виде одного или нескольких листов, причем роль одного из листов может играть задняя стенка внутренней камеры, пластины наружного и листы внутреннего рассеивателей соединены между собой дистанционными шайбами, установленными напротив дистанцеров и выполненными с диаметром не меньше диаметра описанной окружности поперечного сечения дистанцеров, внутренний рассеиватель закреплен на задней стенке камеры, а противостоящие дистанцеры наружного и внутреннего рассеивателей жестко соединены между собой через термоэлектрический блок и теплоизолированы один относительно другого, при этом термоэлектрический блок смещен к наружному краю теплоизоляции корпуса, все детали тепловой схемы изготовлены из высокотеплопроводного материала, а их контактирующие поверхности покрыты слоем теплопроводной пасты. The essence of the invention lies in the fact that a thermoelectric cooling and heating device comprising a thermally insulated body, a door with a seal and a magnetic insert, an internal chamber, external and internal heat dissipators, thermoelectric units in contact with them through thermal contact, and a power and control system, in contrast from the prototype according to the invention, its external and internal diffusers are additionally equipped with heat transfer transmitting spacers made in the form of a rod, and the external the end face of the inner diffuser in shape and area is identical in shape and area to the working end of the thermoelectric unit, the outer diffuser is modular, each module of which is connected to its own spacer, contains a set of plates and is mounted on the rear wall of the housing, the inner diffuser is rigidly bonded to its spacers and made in the form of one or more sheets, the role of one of the sheets being played by the rear wall of the inner chamber, the outer plates and the inner diffuser sheets are connected Among themselves, remote washers mounted opposite to the spacers and made with a diameter not less than the diameter of the described circumference of the cross-section of the spacers, the internal diffuser is mounted on the rear wall of the chamber, and the opposing spacers of the external and internal diffusers are rigidly interconnected via a thermoelectric unit and are thermally insulated relative to each other, In this case, the thermoelectric unit is shifted to the outer edge of the thermal insulation of the case; all the details of the thermal circuit are made of high heat conductive material, and their contact surfaces are coated with a layer of thermally conductive paste.

На фиг. 1 изображено термоэлектрическое охлаждающе-нагревательное устройство, вид сбоку; на фиг. 2 - вид на заднюю стенку устройства; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2, в месте крепления блока питания и управления к задней стенке; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2, в месте крепления наружных рассеивателей к задней стенке; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 2 дистанцеров и модуля наружного рассеивателя. In FIG. 1 shows a thermoelectric cooling and heating device, side view; in FIG. 2 is a view of the rear wall of the device; in FIG. 3 is a section AA in FIG. 2, in the place of attachment of the power supply and control to the rear wall; in FIG. 4 is a section BB in FIG. 2, at the attachment point of the external diffusers to the rear wall; in FIG. 5 is a section BB of FIG. 2 spacers and external diffuser modules.

Предлагаемое устройство выполнено в виде шкафа и содержит термоизолированные корпус 1 и дверцу 2 с уплотнителем 3, внутри которого находится магнитная вставка, обеспечивающая плотное прилегание уплотнителя 3 к корпусу 1 и удерживание дверцы 2 в закрытом положении. The proposed device is made in the form of a cabinet and contains a thermally insulated body 1 and a door 2 with a seal 3, inside of which there is a magnetic insert that ensures a tight fit of the seal 3 to the body 1 and holds the door 2 in the closed position.

Внутри корпуса 1 закреплена камера 4, на боковых стенках которой установлены полки 5 для хранения продуктов. Камера 4 может быть изготовлена как из полистирола, так и из металла. На ее задней стенке смонтирован внутренний рассеиватель тепла, выполненный из одного или нескольких листов 6, соединенных между собой дистанционными шайбами 7. Inside the housing 1, a chamber 4 is fixed, on the side walls of which shelves 5 for storing products are installed. The chamber 4 can be made of both polystyrene and metal. An internal heat dissipator is mounted on its rear wall, made of one or more sheets 6, interconnected by distance washers 7.

На задней стенке корпуса 1 закреплен блок питания и управления 8 со шнуром 9 и штепсельной вилкой 10, а также основания 11, на которых установлены и закреплены посредством винтов 12 модули 13 наружного рассеивателя тепла. Блок питания и управления 8 удерживается винтами 14, а основания 11 - винтами 15. Основания 11 с корпусом 1 не контактируют, они установлены на пластмассовых втулках 16. A power supply and control unit 8 with a cord 9 and a plug 10, as well as a base 11, on which the modules 13 of the external heat dissipator are mounted and fixed by means of screws 12, are fixed to the rear wall of the housing 1. The power supply and control unit 8 is held by screws 14, and the base 11 by screws 15. The bases 11 are not in contact with the housing 1, they are mounted on plastic sleeves 16.

Для горизонтирования шкафа в нижней части корпуса выполнены винтовые регулируемые опоры 17, а для защиты модулей 13 и блока питания и управления 8 на задней стенке корпуса 1 смонтировано ограждение 18. To level the cabinet, screw adjustable supports 17 are made in the lower part of the housing, and to protect the modules 13 and the power supply and control unit 8, a guard 18 is mounted on the rear wall of the housing 1.

Модуль 13 наружного рассеивателя представляет собой набор пластин 19 и дистанционных шайб 20, соединенных воедино винтами 21, которые ввинчиваются в дистанцер 22 наружного рассеивателя. С листом 6 через тепловой контакт контактирует дистанцер 23 внутреннего рассеивателя. Неподвижность контакта обеспечивается винтами 24. The external diffuser module 13 is a set of plates 19 and spacer washers 20 connected together by screws 21 that are screwed into the outer diffuser 22. With the sheet 6 through the thermal contact is contacted by the spacer 23 of the internal diffuser. Contact immobility is provided by screws 24.

Между дистанцерами 22 и 23 ближе к наружной стенке корпуса 1 размещен термоэлектрический блок 25, реализующий эффект Пельтье. Тепловой контакт между торцами блока 25 и дистанцерами 22 и 23 обеспечивается за счет винтов 26 и гаек 27, теплоизолированных как от дистанцеров 22 и 23, так и термоэлектрического блока 25 с помощью втулок 28 и рамок 29 и 30. При этом торец дистанцера 23, контактирующий с торцом термоэлектрического блока 25, выполнен идентичным ему по форме, а торец дистанцера 22 может быть или идентичным, или представлять собой описанную окружность. Такими же по конфигурации выполняются и шайбы 7 и 20. Between the spacers 22 and 23 closer to the outer wall of the housing 1 there is a thermoelectric block 25 that implements the Peltier effect. Thermal contact between the ends of the block 25 and the spacers 22 and 23 is ensured by screws 26 and nuts 27, thermally insulated from both the spacers 22 and 23, and the thermoelectric block 25 with the help of bushings 28 and frames 29 and 30. In this case, the end face of the spacer 23 is in contact with the end face of the thermoelectric block 25, is made identical to it in shape, and the end face of the spacer 22 can be either identical or represent a circumscribed circle. Washers 7 and 20 are also made in the same configuration.

Все поверхности, контактирующие между собой у пластин 19, шайб 20, дистанцеров 22 и 23, термоэлектрического блока 25, листов 6 и шайб 7, плотно прижаты друг к другу и покрыты тонким слоем теплопроводной пасты, обеспечивая благодаря этому надежный тепловой контакт. All surfaces in contact with each other at the plates 19, washers 20, spacers 22 and 23, thermoelectric block 25, sheets 6 and washers 7 are tightly pressed against each other and covered with a thin layer of heat-conducting paste, thereby ensuring reliable thermal contact.

Размерная цепь, образованная жестким соединением термоэлектрического блока 25, дистанцеров 22 и 23, а также листов 6 и шайб 7 внутреннего рассеивателя между собой, замыкается на корпус 1 с камерой 4 через компенсационные кольца 31, выполненные из эластичного материала и поджимаемые при сборке саморезами 32. The dimensional chain formed by the rigid connection of the thermoelectric block 25, the spacers 22 and 23, as well as the sheets 6 and the washers 7 of the internal diffuser between each other, closes on the housing 1 with the camera 4 through the compensation rings 31 made of elastic material and pressed during assembly by self-tapping screws 32.

Теплоизоляционные втулки 28, рамки 29 и 30, а также теплоизоляция 33 выполнена из вспененного полистирола различной плотности или других материалов, подходящих для этой цели. Все металлические детали тепловой схемы изготовлены из высокотеплопроводного материала. Thermal insulation sleeves 28, frames 29 and 30, as well as thermal insulation 33 are made of expanded polystyrene of various densities or other materials suitable for this purpose. All metal parts of the thermal circuit are made of highly heat-conducting material.

В данной конструкции теплосъем с наружного и внутреннего рассеивателей осуществляется только за счет естественной конвекции, поэтому снизу корпуса 1 и сзади обеспечен свободный проход для воздуха. Применение вентиляторов, усиливающих конвекцию, дополнительно повышает перепад температур между внутренней камерой и окружающей средой. In this design, heat removal from the external and internal diffusers is carried out only due to natural convection, therefore, free passage for air is provided from the bottom of the housing 1 and from the rear. The use of fans that enhance convection further increases the temperature difference between the inner chamber and the environment.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

Переменный ток от сети напряжением 220 В поступает в блок питания и управления 8, где преобразуется в постоянный ток напряжением 12 - 36 В, который питает термоэлектрические блоки 25. В зависимости от направления постоянного тока (которое изменяется путем переключений в блоке питания) термоэлектрические блоки 25 нагревают или охлаждают контактирующие с ними дистанцеры 22 и 23. The alternating current from the 220 V network is supplied to the power supply and control unit 8, where it is converted into a direct current voltage of 12 - 36 V, which feeds the thermoelectric blocks 25. Depending on the direction of the direct current (which changes by switching in the power supply), thermoelectric blocks 25 Heats or cools the contactors 22 and 23 in contact with them.

В случае, когда холодным становится дистанцер 23, холодный поток устремляется к листам 6 внутреннего рассеивателя и охлаждает их. Если внутренняя камера 4 устройства выполнена из высокотеплопроводного материала, дистанцер 23 контактирует с ней, а между ней и первым листом 6 внутреннего рассеивателя устанавливается дистанционная шайба 7. В этом случае охлаждаются и камера 4, и листы 6. Холод стекает с них и охлаждает воздух внутри камеры, а также, естественно, продукты и другие изделия, которые лежат на полках 5. В результате во внутренней камере 4 через определенное время стабилизируется температура примерно на 24^oC ниже, чем в среде, окружающей устройство.In the case when the distancer 23 becomes cold, the cold stream rushes to the sheets 6 of the internal diffuser and cools them. If the inner chamber 4 of the device is made of highly heat-conducting material, the spacer 23 is in contact with it, and a distance washer 7 is installed between it and the first sheet 6 of the internal diffuser 7. In this case, both the chamber 4 and the sheets 6 are cooled. The cold drains from them and cools the air inside chambers, as well as, naturally, products and other products that lie on shelves 5. As a result, after a certain time, the temperature in the inner chamber 4 stabilizes by about 24 ^° C lower than in the environment surrounding the device.

В это же время дистанцер 22 нагревается. Через тепловые контакты тепловой поток переходит через дистанционные шайбы 20 на листы 19 и рассеивается в окружающий их воздух. За счет естественной конвекции горячий воздух поднимается вверх и уходит от устройства, а на смену ему снизу подходит холодный воздух. Таким образом, модули 13 наружного рассеивателя нагревают окружающую среду, а устройство работает в режиме охлаждения. At the same time, the spacer 22 heats up. Through the thermal contacts, the heat flux passes through the distance washers 20 to the sheets 19 and dissipates into the air surrounding them. Due to natural convection, hot air rises and leaves the device, and cold air is suitable to replace it from below. Thus, the modules 13 of the external diffuser heat the environment, and the device operates in cooling mode.

Если предлагаемое устройство встраивается в стену или блок мебели, то необходимо обеспечить приток холодного воздуха снизу под днищем корпуса и отвод теплого воздуха сверху выше ограждения 18. If the proposed device is built into a wall or a block of furniture, it is necessary to ensure the influx of cold air from below under the bottom of the body and the removal of warm air from above above the fence 18.

Благодаря тому, что винты 26 теплоизолированы от дистанцеров 22 и 23, перенос тепла и холода через них практически исключается, что повышает эффективность тепловой схемы и устройства в целом. Due to the fact that the screws 26 are thermally insulated from the spacers 22 and 23, the transfer of heat and cold through them is practically eliminated, which increases the efficiency of the thermal circuit and the device as a whole.

Смещение термоэлектрического блока к наружному краю теплоизоляции корпуса 1 способствует быстрейшему рассеиванию тепла и меньшему прогреву наружных стенок корпуса 1, в результате чего эффективность устройства повышается. The shift of the thermoelectric block to the outer edge of the thermal insulation of the housing 1 contributes to the faster dissipation of heat and less heating of the outer walls of the housing 1, as a result of which the efficiency of the device increases.

Этому же способствует и крепление оснований 11 к корпусу 1 через теплоизоляционные втулки 16, а также выполнение наружного торца дистанцера 23 идентичным рабочему торцу блока 25, а внутреннего торца дистанцера 22 и торцов шайб 7 и 20 по диаметру не менее диаметра окружности описанной вокруг торца блока 25. This is also facilitated by the fastening of the bases 11 to the housing 1 through heat-insulating sleeves 16, as well as the execution of the outer end of the spacer 23 identical to the working end of the block 25, and the inner end of the spacer 22 and the ends of the washers 7 and 20 in diameter no less than the circumference described around the end of the block 25 .

После изменения направления постоянного тока, проходящего через термоэлектрические блоки 25, картина меняется:
внутренний рассеиватель нагревается, и температура внутри камеры 4 повышается, становясь на 30 - 35^oC выше температуры окружающей среды, а наружный рассеиватель охлаждается - устройство работает в режиме нагрева.After changing the direction of the direct current passing through the thermoelectric blocks 25, the picture changes:
the internal diffuser heats up and the temperature inside the chamber 4 rises, becoming 30 - 35 ^o C higher than the ambient temperature, and the external diffuser cools - the device operates in heating mode.

Благодаря выполнению наружного рассеивателя модульным становится возможным различная компоновка устройства по габаритам и применение различных схем подключения термоэлектрических блоков 25: последовательное, параллельное и параллельно-последовательное. Учитывая, что каждый модуль 13 рассчитан на определенное напряжение и силу тока, применение различных схем их включения позволяет варьировать напряжением, падаваемым на устройство, и применять его при различном напряжении бортовых систем питания постоянным током: 12, 24, 27, 36 и т.д. В, которые имеются на автомобилях, теплоходах, самолетах, тепловозах и т.д. Это расширяет область применения устройства и удешевляет его, т. к. при этом упрощается блок питания 8 (отпадает необходимость в трансформаторе). Due to the implementation of the external diffuser, the modular makes it possible to arrange the device in various dimensions and to use various schemes for connecting thermoelectric blocks 25: serial, parallel and parallel-serial. Given that each module 13 is designed for a specific voltage and current strength, the use of various schemes for their inclusion allows you to vary the voltage supplied to the device, and apply it at different voltage on-board DC power systems: 12, 24, 27, 36, etc. . In, which are available on cars, motor ships, aircraft, diesel locomotives, etc. This extends the scope of the device and reduces the cost of it, because it simplifies the power supply 8 (there is no need for a transformer).

Регулирование температуры внутри камеры 4 устройства обеспечиваются схемой управления, смонтированной в блоке 8, и датчиком, установленным внутри камеры. При этом обеспечивается температура 0 - 60^oC. Весь интервал этой температуры разбит на диапазоны в 3 - 5^oC, внутри которых температура обеспечивается с точностью ± 1^oC.Temperature control inside the chamber 4 of the device is provided by a control circuit mounted in block 8 and a sensor installed inside the chamber. This ensures a temperature of 0 - 60 ^o C. The entire interval of this temperature is divided into ranges of 3 - 5 ^o C, inside which the temperature is ensured with an accuracy of ± 1 ^o C.

По изобретению разработана конструкторская документация, по которой были изготовлены опытные образцы термоэлектрических устройств и испытаны. According to the invention, design documentation was developed according to which prototypes of thermoelectric devices were made and tested.

Испытания подтвердили высокие эксплуатационные его характеристики (Протокол испытаний опытного образца от 1995 г.). А именно обеспечение стабильности температурно-влажностных режимов, равномерности температур во внутреннем объеме камеры и достижение перепада температур между окружающей средой и внутренним объемом охлаждаемой камеры до 24^oC при температуре окружающей среды свыше 30^oC.Tests confirmed its high operational characteristics (Test report of the prototype from 1995). Namely, ensuring the stability of temperature and humidity conditions, the uniformity of temperatures in the internal volume of the chamber and achieving a temperature difference between the environment and the internal volume of the cooled chamber to 24 ^o C at ambient temperature over 30 ^o C.

Он имеет небольшие размеры и вес, экологически чист, не зависит от ориентации в пространстве и может применяться как в режиме охлаждения, так и нагрева, не имеет движущихся частей, обладает повышенными потребительскими свойствами и функциональными возможностями. It has small dimensions and weight, is environmentally friendly, does not depend on spatial orientation and can be used both in cooling and heating modes, does not have moving parts, has enhanced consumer properties and functionality.

По результатам испытаний предлагаемая конструкция термоэлектрического устройства признана перспективной и в настоящее время организуется их производство. Интерес к данной разработке проявили ряд заводов РФ, Украины, а также зарубежные фирмы. В настоящее время ведутся переговоры с представителями ряда отечественных предприятий о передаче им технической документации для освоения производства предлагаемого изобретения. Предприятием ГНПП "Сплав" ведется подготовка серийного производства указанных устройств. According to the test results, the proposed design of the thermoelectric device is recognized as promising and their production is being organized. A number of factories of the Russian Federation, Ukraine, as well as foreign companies showed interest in this development. Currently, negotiations are underway with representatives of several domestic enterprises on the transfer of technical documentation for them to master the production of the invention. GNPP "Alloy" enterprise is preparing mass production of these devices.

Claims

A thermoelectric cooling and heating device comprising a thermally insulated body, a door with a seal and a magnetic insert, an inner chamber, external and internal heat dissipators, thermoelectric units in contact with them through thermal contact and a power and control system, characterized in that the external and internal diffusers are additionally equipped heat transfer transmitters with spacers made in the form of a rod, the outer end of the spacer of the internal diffuser being identical in shape and area It is connected to the working end of the thermoelectric unit, the external diffuser is modular, each module is connected to its own spacer, contains a set of plates and is mounted on the rear wall of the housing, the internal diffuser is rigidly bonded to its spacers and made in the form of one or several sheets, moreover, the role of one of the sheets the back wall of the inner chamber can play, the plates of the outer and the sheets of the internal diffusers are interconnected by spacers mounted opposite to the spacers and made not less than the diameter of the described circumference of the cross section of the spacers, the internal diffuser is mounted on the rear wall of the chamber, and the opposing spacers of the external and internal scatterers are rigidly interconnected via a thermoelectric unit and insulated from each other, while the thermoelectric unit is shifted to the outer edge of the heat insulation of the case, all Details of the thermal circuit are made of highly heat-conducting material, and their contact surfaces are covered with a layer of heat-conducting paste.