RU2313741C2

RU2313741C2 - Thermoelectric air conditioner

Info

Publication number: RU2313741C2
Application number: RU2004121279/06A
Authority: RU
Inventors: Тагир Абдурашидович Исмаилов (RU); Тагир Абдурашидович Исмаилов; Микаил Гаджимагомедович Вердиев (RU); Микаил Гаджимагомедович Вердиев; Гарун Иль сович Аминов (RU); Гарун Ильясович Аминов; Ширали Абдулкадиевич Юсуфов (RU); Ширали Абдулкадиевич Юсуфов
Original assignee: Дагестанский государственный технический университет (ДГТУ)
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2007-12-27
Also published as: RU2004121279A

Abstract

FIELD: instrument making industry; other industries; production of the thermoelectric devices.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to the field of the thermoelectric instrument making, in particular, to the designs of the conditioners for the air cooling. The thermoelectric air conditioner contains the thermoelectric battery consisting of two stages, the heat exchanger for then airflow and the flow-through heat exchanger of the heat-removing water. The stages are formed by the alternated branches manufactured accordingly from the n-type and p-type semiconductors in series connected to the electric circuit by means of the three types of the commutation plates. The first type of the commutation plates simultaneously plays the role of the heat transfer between two stages. The third type of the commutation plates is supplied with the ribs disposed outside along the stream of the cooled air in the one plane with the contact site. The second type of the commutation plates is supplied with the ribs disposed inside the flow-through heat exchanger along the stream of the heat-removing liquid and perpendicularly to the plane of the contact site. The channel of the flow-through is located between the pairs representing the first and second stages of the thermal battery and is separated from the latter by means of the heat-insulation layer. The purpose of the invention is the increased reliability of the device, the increased difference of the temperatures on the hot and cold heat exchangers at the expense of cascading of the thermal batteries and also the increase of the thermal dynamic efficiency of the heat exchanger due to the optimal usage of the heat-exchange area.

EFFECT: the invention ensures the increased reliability of the device, the increased difference of the temperatures on the hot and cold heat exchangers at the expense of cascading of the thermal batteries, and also the increase of the thermal dynamic efficiency of the heat exchanger due to the optimal usage of the heat-exchange area.

Description

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к конструкциям кондиционеров для охлаждения воздуха.The invention relates to thermoelectric instrumentation, in particular to the design of air conditioners for cooling air.

Известно большое количество различных термоэлектрических кондиционеров, используемых в производстве, быту и на транспорте. Например, серия кондиционеров КТТ фирмы КОНВЕРСМАШ [www.konversmash.rn].A large number of various thermoelectric air conditioners are used, used in production, household and transport. For example, a series of KTT air conditioners from CONVERSMASH [www.konversmash.rn].

Основным элементом в данных установках является экологически чистый полупроводниковый термоэлектрический модуль, работающий на принципе эффекта Пельтье.The main element in these installations is an environmentally friendly semiconductor thermoelectric module operating on the principle of the Peltier effect.

Преимуществами данных установок являютсяThe advantages of these installations are

отсутствие механически движущихся узлов и легко испаряющихся жидкостей в блоке охлаждения;lack of mechanically moving units and easily evaporating liquids in the cooling unit;

высокая надежность и длительный срок службы;high reliability and long service life;

устойчивость к вибрации и ударным нагрузкам;resistance to vibration and shock loads;

возможность работы в любом положении.the ability to work in any position.

Однако недостатком всех этих кондиционеров является то, что термоэлектрические модули в этих устройствах используются типовые, т.е. состоящие из последовательно соединенных в электрическую цепь полупроводниковых термоэлементов, каждый из которых образован двумя ветвями (столбиками, выполненными либо цилиндрическими, либо в виде прямоугольного параллелепипеда), изготовленными из полупроводника соответственно p- и n-типа. Ветви термоэлементов соединяются между собой посредством коммутационных пластин, причем коммутация обеих ветвей (p- и n-типа) к коммутационной пластине производится к одной и той же плоской поверхности по краям последней. При этом термоэлемент имеет "П-образную" форму, где вертикальные элементы - p- и n-ветви, а горизонтальные - коммутационные пластины.However, the drawback of all of these air conditioners is that the thermoelectric modules in these devices use standard ones, i.e. consisting of semiconductor thermoelements connected in series to an electric circuit, each of which is formed by two branches (columns made either cylindrical or in the form of a rectangular parallelepiped) made of a p- and n-type semiconductor, respectively. The branches of thermocouples are interconnected by means of patch plates, moreover, the switching of both branches (p- and n-type) to the patch plate is made to the same flat surface along the edges of the latter. In this case, the thermocouple has a "U-shaped" shape, where the vertical elements are p- and n-branches, and the horizontal ones are patch plates.

Данная конструкция типовых термоэлектрических модулей имеет три недостатка, а именно:This design of typical thermoelectric modules has three drawbacks, namely:

1) в результате механических напряжений, возникающих в термоэлектрических модулях из-за различных коэффициентов температурного расширения нагреваемого и охлаждаемого спаев, термоэлектрические модули со временем выходят из строя;1) as a result of mechanical stresses arising in thermoelectric modules due to various coefficients of thermal expansion of heated and cooled junctions, thermoelectric modules fail over time;

2) площадь контакта термоэлектрических модулей, как правило, меньше, чем поверхность теплообмена между потоками охлаждаемого (нагреваемого) воздуха и теплоотводящей жидкости (хладагента) и присутствие теплоперетоков от горячих спаев к холодным по межтермоэлементным промежуткам снижает термодинамическую эффективность теплопередачи в целом;2) the contact area of thermoelectric modules, as a rule, is smaller than the heat transfer surface between the flows of cooled (heated) air and heat-transferring liquid (refrigerant) and the presence of heat transfer from hot junctions to cold at inter-element intervals reduces the thermodynamic efficiency of heat transfer as a whole;

3) эти кондиционеры построены, как правило, на однокаскадных термоэлектрических батареях, что не позволяет получать КПД, достигаемый при каскадировании термобатарей.3) these air conditioners are built, as a rule, on single-stage thermoelectric batteries, which does not allow to obtain the efficiency achieved by cascading thermal batteries.

Ближайшим аналогом изобретения является устройство термоэлектрического кондиционера, содержащее термоэлектрическую батарею, состоящую из двух каскадов, и теплообменники для потоков воздуха и теплоотводящей воды (см. патент RU 2140365, В60Н 3/00, 1999).The closest analogue of the invention is a thermoelectric air conditioning device containing a thermoelectric battery, consisting of two stages, and heat exchangers for air flows and heat sink water (see patent RU 2140365, BH 3/00, 1999).

Техническим результатом изобретения является повышение надежности устройства, повышение разности температур на горячем и холодном теплообменниках за счет каскадирования термобатарей, а также увеличение термодинамической эффективности теплообменника за счет оптимального использования площади теплообмена.The technical result of the invention is to increase the reliability of the device, increase the temperature difference between the hot and cold heat exchangers due to the cascading of the thermal batteries, and also increase the thermodynamic efficiency of the heat exchanger due to the optimal use of the heat transfer area.

Технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом кондиционере, содержащем термоэлектрическую батарею, состоящую из двух каскадов, теплообменник для потока воздуха и проточный теплообменник теплоотводящей воды, согласно изобретению каскады образованы чередующимися ветвями, изготовленными соответственно из полупроводника n-типа и p-типа, последовательно соединенными в электрическую цепь посредством трех типов коммутационных пластин, причем первый тип коммутационных пластин одновременно играет роль теплоперехода между двумя каскадами, поскольку участвует в коммутации ветвей и первого каскада и второго, третий тип коммутационных пластин снабжен оребрением, расположенным снаружи, вдоль потока охлаждаемого воздуха в одной плоскости с контактной площадкой, а второй тип коммутационных пластин снабжен оребрением, расположенным внутри проточного теплообменника вдоль потока теплоотводящей жидкости и перпендикулярно плоскости контактной площадки, при этом электрическое соединение ветвей первого каскада осуществляется посредством контакта ветвь n-типа - коммутационная пластина первого типа - ветвь p-типа - коммутационная пластина третьего типа - ветвь n-типа - коммутационная пластина первого типа, тогда как электрическое соединение ветвей второго каскада осуществляется посредством контакта ветвь p-типа - коммутационная пластина первого типа - ветвь n-типа - коммутационная пластина второго типа - ветвь p-типа - коммутационная пластина первого типа, причем ветвь n-типа контактирует с одной из поверхностей прямоугольной контактной площадки любой коммутационной пластины, а ветвь p-типа - с противоположной поверхностью контактной площадки той же самой коммутационной пластины, при этом канал проточного теплообменника находится между парами, представляющими собой первый и второй каскады термобатареи, и отсоединен от последней посредством слоя теплоизоляции.The technical result is achieved by the fact that in a thermoelectric conditioner containing a thermoelectric battery consisting of two stages, a heat exchanger for air flow and a flow heat exchanger of heat-removing water, according to the invention, the cascades are formed by alternating branches made respectively of an n-type and p-type semiconductor, connected in series into the electric circuit through three types of patch plates, the first type of patch plates simultaneously playing the role of heat transfer between in two stages, since it is involved in the switching of the branches and the first stage and the second, the third type of connection plates is equipped with a rib located outside, along the flow of cooled air in the same plane with the contact area, and the second type of connection plates is equipped with a rib located inside the flow heat exchanger along the stream heat-transfer fluid and perpendicular to the plane of the contact pad, while the electrical connection of the branches of the first cascade is carried out by means of contact the n-type branch - the connection plate of the first type - the p-type branch - the connection plate of the third type - the n-type branch - the connection plate of the first type, while the electrical connection of the branches of the second stage is carried out by contact the p-type branch - the connection plate of the first type - the n-type branch - a connecting plate of the second type - a p-type branch - a connecting plate of the first type, and the n-type branch is in contact with one of the surfaces of the rectangular contact pad of any switching plate, and the p-type branch is against opolozhnoy pad surface of the same circuit plate heat exchanger wherein the flow channel is located between the pairs, which represent the first and second stages of the thermopile, and disconnected from the latter by a heat insulation layer.

Для этой цели предлагается конструкция термоэлектрического кондиционера, структурная схема которого в продольном сечении приведена на чертеже.For this purpose, the design of a thermoelectric air conditioner is proposed, the structural diagram of which in longitudinal section is shown in the drawing.

Термоэлектрическая батарея кондиционера состоит из двух каскадов, собранных на четырех столбиках, образованных чередующимися ветвями, изготовленными соответственно из полупроводника n-типа 1 и p-типа 2, последовательно соединенных в электрическую цепь посредством коммутационных пластин 3, 4 и 5. Электрическое соединение ветвей первого каскада осуществляется посредством контакта ветвь n-типа 1 - коммутационная пластина 3 - ветвь p-типа 2 - коммутационная пластина 4 - ветвь n-типа 1 - коммутационная пластина 3 и т.д. Электрическое соединение ветвей второго каскада осуществляется посредством контакта ветвь p-типа 2 - коммутационная пластина 3 - ветвь n-типа 1 - коммутационная пластина 5 - ветвь p-типа 2 - коммутационная пластина 3 и т.д. Каждая коммутационная пластина представляет собой прямоугольную контактную площадку, выполненную из материала с высокой электро- и теплопроводностью (медь). Коммутационная пластина 3 одновременно играет роль теплоперехода между двумя каскадами, поскольку участвует в коммутации ветвей и первого каскада и второго. Отличие между коммутационными пластинами 4 и 5 в том, что у коммутационных пластин 4 оребрение расположено снаружи вдоль потока охлаждаемого (нагреваемого) воздуха, причем находится в одной плоскости с контактной площадкой. У коммутационных пластин 5 оребрение расположено внутри проточного теплообменника 6 вдоль потока теплоотводящей жидкости и перпендикулярно плоскости контактной площадки. Оребрение представляет собой параллельные друг другу тонкие металлические пластины, причем форма оребрения при коммутационной пластине 5 прямоугольная, а у коммутационной пластины 4 представляет собой половинку диска. Ветвь n-типа 1 контактирует с одной из поверхностей контактной площадки коммутационной пластины 3, 4 или 5, а ветвь p-типа 2 - с противоположной поверхностью контактной площадкой той же коммутационной пластины. Каждая ветвь в полупроводниковой термоэлектрической батарее контактирует противоположными поверхностями с двумя коммутационными пластинами либо 3 и 4, либо 3 и 5. Термоэлектрическая батарея и проточный теплообменник 6 заключены в теплоизоляцию 7, а оребрение выводится за пределы последней.The thermoelectric air conditioner battery consists of two cascades assembled on four posts formed by alternating branches made of n-type 1 and p-type 2 semiconductors, respectively, connected in series to the electric circuit via connection plates 3, 4 and 5. Electrical connection of the branches of the first cascade is carried out by means of an n-type branch 1 - a switching plate 3 - a p-type branch 2 - a switching plate 4 - an n-type branch 1 - a switching plate 3, etc. The electrical connection of the branches of the second cascade is carried out by means of a p-type branch 2 - a connection plate 3 - an n-type branch 1 - a connection plate 5 - a p-type branch 2 - a connection plate 3, etc. Each patch plate is a rectangular contact pad made of a material with high electrical and thermal conductivity (copper). The switching plate 3 simultaneously plays the role of a heat transfer between the two cascades, since it is involved in the switching of the branches and the first cascade and the second. The difference between the connecting plates 4 and 5 is that for the connecting plates 4, the fins are located externally along the flow of cooled (heated) air, and in the same plane with the contact area. At the connecting plates 5, the fins are located inside the flow-through heat exchanger 6 along the flow of the heat-removing liquid and perpendicular to the plane of the contact pad. The fins are thin metal plates parallel to each other, moreover, the shape of the fins at the connection plate 5 is rectangular, and at the connection plate 4 is a half of the disk. The n-type branch 1 is in contact with one of the surfaces of the contact pad of the patch plate 3, 4 or 5, and the p-type branch 2 is in contact with the opposite surface of the contact pad of the same patch plate. Each branch in a semiconductor thermoelectric battery contacts opposite surfaces with two connection plates, either 3 and 4, or 3 and 5. The thermoelectric battery and the flow heat exchanger 6 are enclosed in thermal insulation 7, and the fins are removed outside the latter.

Суть работы термоэлектрического кондиционера в следующем. При пропускании электрического тока через оба каскада термоэлектрической батареи в результате эффекта Пельтье происходит "перекачка" тепла с одних спаев на другие. При этом, если спаи 3 в первом каскаде нагреваются, то во втором каскаде они уже охлаждаются, за счет чего достигается большая разность температур между проточным и воздушным теплообменниками. Отвод тепла от второго каскада термоэлектрической батареи осуществляется через коммутационные пластины 5. Теперь, при пропускании через проточный теплообменник 6 потока теплоотводящей жидкости, будет осуществляться отвод тепла от коммутационных пластин 5. При этом регулируется температура воздушного потока, продуваемого вдоль оребрения коммутационных пластин 4.The essence of the thermoelectric air conditioner is as follows. When an electric current is passed through both stages of a thermoelectric battery, as a result of the Peltier effect, heat is "pumped" from one joint to another. Moreover, if the junctions 3 in the first cascade are heated, then in the second cascade they are already cooling, due to which a large temperature difference is achieved between the flow and air heat exchangers. Heat is removed from the second cascade of the thermoelectric battery through the connecting plates 5. Now, when a stream of heat-removing liquid is passed through the flow heat exchanger 6, heat will be removed from the connecting plates 5. The temperature of the air flow blown along the fins of the connecting plates 4 is regulated.

Преимуществом данной конструкции является отсутствие поперечных напряжений, неизбежно возникающих в ветвях типовых термоэлектрических модулей за счет линейной компенсации теплового расширения одних концов (горячих) термоэлементов с их линейным сжатием других концов (холодных), что приводит к повышению надежности устройства. Кроме этого, в заявляемой конструкции в значительной мере устраняются перетоки тепла с горячих спаев на холодные по межтермоэлементным пространствам за счет более плотной упаковки ветвей.The advantage of this design is the absence of transverse stresses that inevitably arise in the branches of typical thermoelectric modules due to the linear compensation of thermal expansion of one ends of the (hot) thermoelements with their linear compression of the other ends (cold), which leads to an increase in the reliability of the device. In addition, in the claimed design, heat flows from hot junctions to cold along inter-element spaces are largely eliminated due to a denser packing of branches.

Claims

A thermoelectric air conditioner comprising a thermoelectric battery consisting of two stages, a heat exchanger for air flow and a heat exchanger flow-through heat exchanger, characterized in that the stages are formed by alternating branches made of n-type and p-type semiconductor, respectively, connected in series to three electrical circuits types of patch plates, the first type of patch plates simultaneously playing the role of heat transfer between the two stages, since it is involved in commutation branches and the first cascade and the second, the third type of patch plates is equipped with a fin located outside along the flow of cooled air in the same plane with the contact area, and the second type of patch plates is equipped with a fin located inside the flow heat exchanger along the flow of heat-transfer fluid and perpendicular to the plane of the contact area, wherein the electrical connection of the branches of the first cascade is carried out by means of a contact an n-type branch - a switching plate of the first type - a p- branch ipa - connection plate of the third type - branch of the n-type - connection plate of the first type, while the electrical connection of the branches of the second stage is carried out by contact the branch of p-type - connection plate of the first type - branch of the n-type - connection plate of the second type - branch p- type - a patch plate of the first type, and the n-type branch is in contact with one of the surfaces of the rectangular contact pad of any patch plate, and the p-type branch is in contact with the opposite surface of the contact pad of the same connecting plate, while the channel of the flow-through heat exchanger is located between the pairs representing the first and second stages of the thermopile, and is disconnected from the latter by means of a thermal insulation layer.