початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2243617

Твердотільних термоелектричних пристроїв

Ім'я винахідника: Пікон Вінченцо (IT)
Ім'я патентовласника: ПЕЛТЕК С.р.л. (IT)
Адрес для переписки: 103062, Москва, ул.Покровка 27, стор. 1АГ Агентство "ІНТЕЛС"
Дата початку дії патенту: 2000.02.18

Винахід відноситься до термоелектричного перетворення енергії. Сутність: твердотельное термоелектричне пристрій містить матрицю металевих провідникових і / або напівпровідникових термоелектричних елементів n-типу і р-типу, змонтованих на друкованої схемою і утворюють термопари, електрично з'єднані послідовно. Конструкція містить, щонайменше, пару шаруватих елементів, кожен з яких утворений з підтримує шару, отриманого з полімерного матеріалу, і, щонайменше, з шару провідного матеріалу, шару з'єднує матеріалу, розташованого між зазначеними двома шаруватими елементами з полімерного матеріалу, призначеного для міцного з'єднання їх один з одним. Друкована схема отримана з шару провідного матеріалу шаруватих елементів і електрично послідовно з'єднує термоелектричні елементи для освіти термопар, що мають гарячу та холодну боку відповідно тільки на одній стороні конструкції. Конструкція термоелектричного пристрою має згорнуту в спіраль або круглу конфігурацію. Технічний результат: підвищення ефективності.

ОПИС ВИНАХОДИ

Даний винахід, загалом, відноситься до термоелектричним пристроїв, зокрема до термоелектричного пристрою, призначеного для застосування в твердотільному термоелектричному тепловому насосі.

Термоелектричний ефект є явищем, яке має місце при наявності в електричному ланцюзі різниці температур. Прикладом термоелектричного ефекту є ефект Пельтьє. Простіше кажучи, якщо електричний струм пропускають через перехід метал-метал або метал-напівпровідник, то в залежності від напрямку електричного струму в переході виділяється або поглинається тепло. Ефект Пельтьє є реверсивним, тобто якщо напрямок електричного струму змінюється на протилежне, то холодний перехід стає гарячим, а гарячий перехід стає холодним. Було виявлено, що більш високі різниці температур досягаються при використанні переходів метал-напівпровідник, ніж при використанні переходів метал-метал. Ефект Пельтьє є принципом роботи твердотільних термоелектричних насосов.

У цій заявці "термоелектричним пристроєм" названо твердотельное пристрій, в якому для нагрівання або охолодження матеріалу використовується ефект Пельтьє. "Термоелектричний елементом" називають металевий провідник або напівпровідникову пластину. Термін "термопара" означає комбінацію двох термоелектричних елементів, які на одному їх кінці послідовно електрично з'єднані через електрод.

ПЕРЕДУМОВИ ДЛЯ СТВОРЕННЯ ЦЬОГО ВИНАХОДИ

Твердотільні термоелектричні теплові насоси випускають на промисловій основі з 1960 року. Спочатку теплові насоси містили термоелектричні елементи з урахуванням металевого провідника. В даний час сучасне напівпровідникова технологія забезпечує можливість отримання твердотільних термоелектричних теплових насосів з термоелектричними елементами, утвореними з сплавів Bi ₂ Te _3, PbTe, SiGe, BiSb n-типу і р-типу. Термоелектричні пристрої, які, загалом, відомі на попередньому рівні техніки, мають планарную конфігурацію змінних геометричних форм. У цьому виді термоелектричних пристроїв термопари підтримуються в багатошаровій конструкції за допомогою елементів, отриманих з керамічного матеріалу на основі Аl ₂ О _3, ламінованого міддю.

КОРОТКИЙ ВИКЛАД СУТНОСТІ ЦЬОГО ВИНАХОДИ

Винахід забезпечує отримання термоелектричного пристрою з новим розташуванням термопар, утворених з металевих провідникових і / або напівпровідникових термоелектричних елементів n-тапа і р-типу. Винахід забезпечує і отримання теплового насоса, що містить термоелектричне пристрій, відповідне даного винаходу.

Відповідно до першого варіанту здійснення даного винаходу твердотельное термоелектричне пристрій містить, щонайменше, матрицю металевих провідникових і / або напівпровідникових термоелектричних елементів n-типу і р-типу, змонтованих на друкованої схемою, завдяки чому зазначені термоелектричні елементи утворюють термопари, електрично з'єднані послідовно , і відрізняється тим, що воно має конструкцію, утворену з, щонайменше, пари шаруватих елементів, кожен з яких утворений з підтримує шару, що складається з полімерного матеріалу, і, щонайменше, шару провідного матеріалу,

шару з'єднує матеріалу, розташованого між зазначеними двома шаруватими елементами з полімерного матеріалу, для міцного з'єднання їх один з одним, і тим, що

друкована схема отримана з шару провідного матеріалу шаруватих елементів і електрично послідовно з'єднує термоелектричні елементи для освіти термопар, що мають гарячу та холодну боку відповідно тільки на одній стороні конструкції, і тим, що

зазначена конструкція термоелектричного пристрою має згорнуту в спіраль або круглу конфігурацію.

Згідно з другим варіантом здійснення даного винаходу твердотельное термоелектричне пристрій містить, щонайменше, матрицю металевих провідникових і / або напівпровідникових термоелектричних елементів n-типу і р-типу, змонтованих на друкованої схемою, завдяки чому зазначені термоелектричні елементи утворюють електрично з'єднані послідовно термопари і відрізняється тим, що воно має конструкцію, утворену з

шаруватого елементу, що утвореного із підтримує шару, отриманого з полімерного матеріалу, і шару провідного матеріалу на кожній його поверхні

шару з'єднує матеріалу, розташованого між кінцевими частинами шаруватих елементів для міцного з'єднання їх між собою, і тим, що

друкована схема отримана, щонайменше, з одного з шарів провідного матеріалу шаруватого елемента і електрично послідовно з'єднує термоелектричні елементи для освіти термопар, що мають гарячу та холодну боку відповідно, тільки на одній стороні конструкції, і тим, що

зазначена конструкція має згорнуту в спіраль або круглу конфігурацію.

КОРОТКИЙ ОПИС КРЕСЛЕНЬ

Далі даний винахід буде описано більш детально з посиланням на супровідні креслення, де:

Фиг.1 - часткове поперечний переріз термоелектричного пристрою, відповідного першим варіантом здійснення даного винаходу. Фиг.2 - часткове поперечний переріз термоелектричного пристрою, відповідного до другого варіанта здійснення даного винаходу.
Фіг.3 і фіг.4 - поперечний переріз термоелектричного пристрою, відповідного першого або другого варіанту здійснення даного винаходу, застосованого для отримання твердотільного теплового насоса.
Фіг.5 - подовжній перетин термоелектричного пристрою, відповідного першого або другого варіанту здійснення даного винаходу, використовуваного для отримання твердотільного теплового насоса.
Фіг.6 - вид зверху першого малюнка друкованої схеми, що використовується для освіти термопар термоелектричного пристрою, відповідного першого або другого варіанту здійснення даного винаходу.
Фіг.7 - вид зверху другої малюнка друкованої схеми, що використовується для освіти термопар термоелектричного пристрою, відповідного першого або другого варіанту здійснення даного винаходу.
Фіг.8 - поперечний переріз кріпильного засоби для з'єднання термоелектричного пристрою, відповідного першого або другого варіанту здійснення даного винаходу, з внутрішньої трубою теплообмінника теплового насоса. Фіг.9 - часткове поперечний переріз термоелектричного пристрою, відповідного третім варіантом здійснення даного винаходу.
Фіг.10 - вид зверху малюнка друкованої схеми, що використовується для освіти термопар термоелектричного пристрою, відповідного третім варіантом здійснення даного винаходу.
Фіг.11 - вид знизу малюнка друкованої схеми, що використовується для освіти термопар термоелектричного пристрою, відповідного третім варіантом здійснення даного винаходу.
Фіг.12 - поперечний переріз кріпильного засоби для з'єднання термоелектричного пристрою, відповідного третім варіантом здійснення даного винаходу, з внутрішньої трубою теплообмінника твердотільного теплового насоса. Фіг.13 і Фіг.14 - ізометричні зображення теплового насоса, передбаченого з будь-яким одним варіантом здійснення термоелектричних приладів, відповідних до даного винаходу.

ДОКЛАДНИЙ ОПИС кращому варіанті здійснення ЦЬОГО ВИНАХОДИ

На фіг.1 ілюструється перший випадок здійснення термоелектричного пристрою, відповідного до даного винаходу. Відповідно до першого варіанта здійснення термоелектричне пристрій містить пару шаруватих елементів, кожен з яких утворений із шару полімерного матеріалу і шару металевого матеріалу, як правило, з міді. Два шаруватих елемента взаємно і безпосередньо пов'язані один з одним через їх шари полімерного матеріалу за допомогою введення між ними клейового полімеру, що має високий коефіцієнт теплопровідності, наприклад епоксидної смоли, що містить срібло або наповнювач на основі оксиду металу. З'єднані так шаруваті елементи згортають в спіральну або круглу конфігурацію для освіти каркаса термоелектричного пристрою, використовуваного для отримання твердотільного термоелектричного теплового насоса. Малюнок друкованої схеми, до якої приєднані термоелектричні елементи, отримують травленням металевого шару. Отже, кожен виток згорнутого в спіраль або круглого сердечника утворений з пари шаруватих елементів, з'єднаних разом за допомогою клею. Посилальним номером 10 зазначено поперечний переріз металевих струмопровідних доріжок, до яких евтектичним сплавом на основі олова відповідно припаяні термоелектричні елементи 11 і 12 n-типу і р-типу. Посилальним номером 13 зазначено поперечний переріз шару полімерного матеріалу, а посилальним номером 14 вказано шар клею, що з'єднує разом два шаруватих елемента спірального або круглого сердечника для додання їй компактності і розмірної стабільності. Товщина металевих струмопровідних доріжок 10 змінюватиметься в залежності від потужності і, отже, від максимального значення електричного струму, що проходить в термоелектричному пристрої, відповідному до даного винаходу. Товщина струмопровідних доріжок, безумовно, не повинна бути недостатньою для запобігання перегріву струмопровідних доріжок внаслідок ефекту Джоуля. Переважно, щоб товщина струмопровідних доріжок була в діапазоні 70-300 мкм. Товщина шару полімерного матеріалу 13 залежить від механічного зусилля, що прикладається при згортанні і упаковці сердечника термоелектричного пристрою. Практично товщина токопроводящей доріжки буде обрана такою, щоб гарантувати, з одного боку, хорошу механічну міцність, а з іншого боку - ефективну тепловіддачу. Переважно, щоб товщина токопроводящей доріжки була в межах від 50 до 150 мкм. Шар клею 14 повинен ущільнювати і згладжувати контактують поверхні двох шаруватих елементів для запобігання утворення повітряних бульбашок і для вирівнювання можливих поверхневих неоднорідностей. Шар клею 14 і призначений для забезпечення гарантії гарної теплопередачі. Для цієї мети повинна бути використана термореактивна смола, наприклад епоксидної смоли, яка містить дрібно подрібнений металевий наповнювач. Для обмеження кількості матеріалу, що наноситься та для утворення тонкого шару, товщина якого переважно становить не більше 10-15 мкм, смолу наносять за допомогою шабера. Смола повинна мати таку композицію, щоб вона одночасно і повністю отверждающей в процесі пайки термоелектричних елементів м'яким припоєм, яка здійснюється при температурі 140 ° С в разі застосування напівпровідникових термоелектричних елементів n-типу і р-типу.

На фіг.2 ілюструється другий варіант здійснення термоелектричного пристрою, відповідного до даного винаходу. Відповідно до цього варіанта здійснення термоелектричне пристрій містить пару шаруватих елементів, причому кожний утворений із шару полімерного матеріалу і двох металевих шарів, як правило, мідних шарів, розташованих на двох протилежних поверхнях шару полімерного матеріалу. Ці два шаруватих елемента взаємно і безпосередньо з'єднані між собою через їх більш тонкі металеві шари за допомогою пайки м'яким припоєм. Залежно від того, чи утворює сердечник спіральні або круглі витки, повинен бути використаний шар евтектичного сплаву Sn-In, який має температуру плавлення 118 ° С, або шар евтектичного сплаву Sn-Bi, який має температуру плавлення 135 ° С. Малюнок друкованої схеми, що підтримує термоелектричні елементи, отриманий на більш товстому металевому шарі кожного із шаруватих елементів. Ці два шаруватих елемента одночасно споюють з напівпровідниками допомогою пайки м'яким припоєм в разі згорнутої в спіраль форми сердечника і послідовно в разі згорнутої круглої форми сердечника. В обох випадках кінцевих результатом є згорнутий сердечник, призначений щоб одержати твердотільного теплового насоса. Посилальним номером 10 вказані поперечні перетину металевих струмопровідних доріжок, на які пайкою евтектичним сплавом на основі олова припаяні термоелектричні елементи 11 і 12 n-типу і р-типу відповідно. Посилальним номером 13 зазначено поперечний переріз шару полімерного матеріалу, а посилальним номером 15 зазначено більш тонкий металевий шар. Посилальним номером 16 зазначено поперечний переріз шару евтектичного сплаву Sn-In або Sn-Bi, які з'єднує разом два шаруватих елемента згорнутого в спіраль або круглого сердечника для додання йому компактності і розмірної стабільності. Товщина металевих струмопровідних доріжок 10 змінюватиметься в залежності від потужності і, отже, від максимального значення електричного струму, що проходить в термоелектричному пристрої, відповідному до даного винаходу. Товщина струмопровідних доріжок, безумовно, не повинна бути недостатньою для запобігання перегріву струмопровідних доріжок внаслідок ефекту Джоуля. Переважно, щоб товщина струмопровідних доріжок була в діапазоні 70-300 мкм. Товщина шару полімерного матеріалу 13 залежить від механічного зусилля, що прикладається при згортанні і упаковці сердечника термоелектричного пристрою. Практично товщина токопроводящей доріжки буде обрана такою, щоб гарантувати, з одного боку, хорошу механічну міцність, а з іншого боку - ефективну тепловіддачу. У другому варіанті здійснення даного винаходу більш тонкий металевий шар 15 не береться травленню, оскільки його завданням є забезпечення механічної міцності. Отже, його товщина переважно повинна бути в діапазоні 35-100 мкм. Тонкий металевий шар 15 призначений для підтримки евтектичного сплаву, використовуваного для кінцевої пайки м'яким припоєм двох шаруватих елементів згорнутого в спіраль або круглого сердечника. Переважно, щоб товщина тонкого металевого шару 15 становила від 15 до 30 мкм. Шар евтектичного сплаву 16 осаджують заздалегідь, щонайменше, на один з двох шаруватих елементів, наприклад, шляхом обслуговування або трафаретним друком через маску для розподілу композиції тиксотропної дисперсії евтектичного сплаву на основі олова, утвореної з відповідним флюсом. Вибір термоелектричного пристрою, зроблений відповідно до першого або другого варіанту здійснення даного винаходу, залежить від технічних норм на проектування та витрат на виробництво.

На Фіг.3 і 4 ілюструється поперечний переріз термоелектричного пристрою, відповідного першого або другого варіанту здійснення даного винаходу. Це термоелектричне пристрій використовується для отримання твердотільного теплового насоса. Розмір теплового насоса може змінюватися залежно від його номінальної потужності. Посилальними номерами 17 і 18 вказані внутрішня і зовнішня труби відповідно теплообмінника, що застосовуються в твердотільному термоелектричному тепловому насосі. Посилальним номером 19 вказані охолоджуючі ребра зовнішньої труби теплообмінника. Зовнішня труба 17 теплообмінника розташована навколо згорнутого в спіраль або круглого сердечника 20, показаного на Фіг.3 і 4. Температура охолоджуючих ребер залежить від кількості тепла, яке повинно бути розсіяно, беручи до уваги той факт, що температура труб теплообмінника не повинна перевищувати 50 55 ° С для того, щоб гарантувати хорошу роботу теплового насоса. В альтернативному варіанті здійснення труба 17 теплообмінника може бути передбачена з меншими охолоджуючими ребрами, а всередині передбачена з порожниною, через яку циркулює охолоджуюча рідина. Вся труба 17 теплообмінника може бути виготовлена ​​з алюмінію, а її товщина повинна бути здатною надавати конструкції деяку гнучкість для забезпечення гарантії ущільнення поверхонь, що знаходяться в прямому контактній взаємодії. Крім того, в разі згорнутого в спіраль сердечника, иллюстрируемого на фіг.3, контур зовнішньої труби 17 теплообмінника повинен брати до уваги ексцентричність конструкції, яку утворює згорнутий в спіраль сердечник. Як очевидно, в термоелектричному пристрої, відповідному першим та другим варіантами здійснення даного винаходу, сердечник має конструкцію, утворену з усіх термопар, підтримуваних шаром полімерного матеріалу шаруватих елементів. Витки, що утворюють згорнутий сердечник, щільно упаковані і пов'язані один з одним за допомогою теплопровідного клею в разі шаруватих елементів, іллюстріруемих на фіг.1, або за допомогою евтектичного сплаву Sn-In або Sn-Bi в разі шаруватих елементів, іллюстріруемих на фіг.2. Кількість витків, утворюють згорнутий сердечник, залежить від номінальної потужності термоелектричного теплового насоса. Експериментальні результати показують, що оптимальну ефективність отримують при числі витків в діапазоні від 1 до 15, без надмірних витрат на виробництво. Посилальним номером 21 зазначено місце розташування двох металевих провідників або напівпровідникових термоелектричних елементів n-типу і р-типу, припаяних м'яким припоєм на конструкції згорнутого в спіраль або круглого сердечника. Труба 18 теплообмінника може бути цілком виготовлена ​​з міді, а в разі згорнутого в спіраль сердечника, иллюстрируемого на фіг.3, вона має такі контури, щоб забезпечувати в тій частині, де безпосередньо підтримуються шаруваті елементи, канавку, яка компенсує ексцентричність, викликану конструкцією, утворює згорнутий в спіраль сердечник. Якщо це робиться так, то запобігає виникненню будь-якої області відсутності контактної взаємодії, що виникає між шаруватими елементами і металевою поверхнею внутрішньої труби 18 теплообмінника. І, нарешті, посилальним номером 22 вказана внутрішня порожниста частина внутрішньої труби 18 теплообмінника, через яку проходить потік робочої рідини.

На фіг.5 ілюструється подовжній перетин теплового насоса, показаного на Фіг.3. Посилальним номером 20 зазначено місце розташування згорнутого в спіраль або круглого сердечника всередині теплового насоса. Витки щільно упаковані, а зовнішня і внутрішня труби 17 і 18 відповідно теплообмінника змонтовані так, щоб запобігати утворенню повітряних бульбашок між поверхнями, що знаходяться в контактній взаємодії. Внутрішня труба 18 теплообмінника має такі контури, щоб брати до уваги ексцентричність конструкції утворюється згорнутого в спіраль сердечника. На противагу цьому кінцеві частини внутрішньої труби 18 теплообмінника мають по суті круглий поперечний переріз. Розміри внутрішньої труби 18 теплообмінника, безумовно, залежать від величини передбачуваного теплообміну. Тепловий насос передбачений з двома торцевими кришками 23 і 25, які закривають вузол теплового насоса. Передня кришка 23 виконана з термоизоляционного полімерного матеріалу, наприклад політетрафторетилену, полівініліденфториду, поліаміду-6,6, поліетилену високої щільності, для того щоб термічно ізолювати відповідну сторону теплового насоса і запобігти утворенню конденсату. Вибір матеріалу залежить від технічних норм на проектування. Зовнішня труба 17 теплообмінника, яка оточує і охоплює згорнутий сердечник 20, є круглою в поперечному перерізі в разі круглого згорнутого сердечника, тоді як її зовнішні контури є такими, щоб брати до уваги ексцентричність конструкції, утвореної згорнутим сердечником в разі згорнутого в спіраль сердечника. Зовнішня труба 17 теплообмінника повинна мати товщину, що гарантує відповідну гнучкість, при її ущільненні і блокуванні навколо згорнутого сердечника. Посилальним номером 19 вказані охолоджуючі ребра, які утворюють одне ціле з зовнішньої трубою 17 теплообмінника. Загальна радіаційна поверхня ребер залежить від номінальної потужності і від того, застосовується або не застосовується система примусового повітряного охолодження. У альтернативне варіанті зовнішня труба 17 теплообмінника може застосовуватися з меншими охолоджуючими ребрами і передбачена всередині з порожниною, через яку циркулює охолоджуюча рідина. Посилальним номером 24 вказано статор відцентрового насоса циркуляційного насоса, передбаченого всередині задньої кришки 25 теплового насоса. Швидкість потоку циркуляційного насоса залежить від загальної протяжності теплообмінного контуру і передбачуваної інтенсивності теплообміну. Приклад, ілюструється на фіг.5, відноситься до систем нагріву або охолодження, в якій в теплообмінному контурі передбачений один тепловий насос. Однак можуть бути і отримані модульні системи нагрівання та охолодження, що містять два або більше теплових насоса, з'єднаних послідовно, і один циркуляційний насос для теплових насосів, передбачений зовні. Посилальним номером 26 зазначено робоче колесо циркуляційного насоса. Робоче колесо закріплено на валу 27 електродвигуна (не показаний). Охолоджуючий вентилятор, призначений для створення примусового повітряного потоку, призначеного для проходження через охолоджуючі ребра 19 зовнішньої труби 17 теплообмінника, і може бути закріплений на валу 27. Задня кришка 25 виконана з термоизоляционного полімерного матеріалу, наприклад політетрафторетилену, полівініліденфториду, поліаміду-6,6, поліетилену високої щільності, для того щоб термічно ізолювати відповідну кінцеву частину теплового насоса і запобігти утворенню конденсату. Вибір матеріалу залежить від технічних норм на проектування. У разі модульних систем нагріву або охолодження, в яких два або більше теплових насоса з'єднані послідовно, ці дві кришки можуть бути абсолютно ідентичними і симетричними одне за одним. В цьому випадку циркуляція робочої рідини через тепловий насос буде гарантуватися зовнішнім циркуляційним насосом. І, нарешті, посилальним номером 28 вказана металева спіраль, вставлена ​​у внутрішню трубу 18 теплообмінника. Металева спіраль 28 призначена для збільшення часу перебування робочої рідини всередині теплового насоса і для створення турбулентного потоку, який спричинює збільшення темпу. Металева спіраль 28 може бути виконана з нержавіючої сталі і змонтована з натягом всередині внутрішньої труби 18 теплообмінника в процесі виконання кінцевої складальної операції теплового насоса.

На фіг.6 ілюструється перший малюнок друкованої схеми шаруватих елементів термоелектричного насоса, відповідного до даного винаходу, на якій підтримуються термоелектричні елементи. Довжина і ширина шаруватого елемента з друкованою схемою і довжинами L1, L2 його кінцевих частин залежать від номінальної потужності теплового насоса і, отже, вони обмежені технічними нормами на проектування. Для номінальної потужності не більше 500 Вт можуть бути передбачені конфігурації, в яких використовується одна матриця термоелектричних елементів, з'єднаних послідовно. Для більш високої номінальної потужності струмопровідні доріжки друкованої схеми повинні мати велику товщину. Посилальним номером 29 вказана кінцева частина шаруватого елемента, призначена для кріплення його до внутрішньої трубі 18 теплообмінника теплового насоса. Посилальним номером 30 вказані з'єднувальні клеми друкованої схеми, з якими з'єднаний зовнішнє джерело електроживлення. Посилальним номером 31 вказана друкована схема, на якій м'яким припоєм припаяні термоелектричні елементи. У разі згорнутого в спіраль сердечника, иллюстрируемого на фіг.3, відстань між струмовими доріжками ((прим. Пер.) Між кожною токовой доріжкою) друкованої схеми має враховувати відстань між термоелектричними елементами всередині конструкції, коли їй в процесі згортання надається змінна кривизна.

На фіг.7 ілюструється другий малюнок друкованої схеми шаруватих елементів термоелектричного насоса, відповідного до даного винаходу, на якій підтримуються термоелектричні елементи. І в цьому випадку довжина і ширина шаруватого елемента з друкованою схемою і довжинами L1, L2 його кінцевих частин і залежать від номінальної потужності теплового насоса і, отже, вони і обмежені технічними нормами на проектування. Для номінальної потужності більше 500 Вт зручно забезпечувати конфігурацію, утворену з двох або більше електрично розділених матриць термоелектричних елементів, з'єднаних послідовно. Така конфігурація дозволяє оптимізувати товщину шаруватого елемента. У тому випадку, коли потрібна вища потужність, то струмопровідні доріжки друкованої схеми повинні мати велику товщину. Посилальним номером 32 вказана кінцева частина шаруватого елемента, призначена для кріплення його до внутрішньої трубі 18 теплообмінника теплового насоса. Посилальним номером 33 вказані з'єднувальні клеми друкованої схеми, до яких з'єднаний зовнішнє джерело електроживлення. Посилальним номером 34 вказана друкована схема, на яку м'яким припоєм припаяні термоелектричні елементи. У разі згорнутого в спіраль сердечника, иллюстрируемого на фіг.3, відстань між струмовими доріжками друкованої схеми має враховувати відстань між термоелектричними елементами всередині конструкції, коли їй в процесі згортання надається змінна кривизна. Посилальним номером 35 вказується група електрично розділених матриць термоелектричних елементів. Така конфігурація дозволяє модулювати всю електричну потужність теплового насоса і запобігати погіршення роботи теплового насоса, викликаного ефектом Джоуля.

На фіг.8 ілюструється центральне поперечний переріз внутрішньої труби 18 теплообмінника. Зокрема, ілюструється кріпильна система, за допомогою якої конструкція згорнутого в спіраль сердечника термоелектричного пристрою, відповідного до даного винаходу, з'єднана з внутрішньої трубою теплообмінника теплового насоса. Кріпильна система запобігає зміщення поверхонь шаруватих елементів, які підтримують металеві струмопровідні доріжки, на які припаяні м'яким припоєм термоелектричні елементи, в процесі виконання технологічної операції згортання. Зсув шаруватих елементів може викликати порушення електричного контакту. Посилальним номером 36 вказана пластина, що забезпечує рівномірність кріплення кінцевій частині конструкції. Пластина 36 прикріплена до корпусу внутрішньої труби 18 теплообмінника гвинтами, які не показані на фіг.8. Посилальним номером 37 вказана проріз, що передбачається на етапі радіальної компенсації внутрішньої труби 18 теплообмінника. Ця проріз призначена для забезпечення рівномірності кріплення кінцевій частині конструкції і для прикладення зусилля кріплення при угвинчуванні зазначених гвинтів. Посилальним номером 38 зазначено місце розташування термоелектричних елементів n-типу і р-типу всередині конструкції, а посилальним номером 39 зазначено поперечний переріз підтримують шаруватих елементів. Показано і поперечний переріз внутрішньої труби 18 теплообмінника. Стрілка F зліва від поперечного перерізу вказує напрямок обертання внутрішньої труби 18 теплообмінника в процесі технологічної операції згортання конструкції.

На фіг.9 ілюструється третій варіант здійснення термоелектричного пристрою, відповідного до даного винаходу. Відповідно до третього варіанту здійснення третій варіант здійснення містить один шаруватий елемент, утворений з шару полімерного матеріалу і пари металевих шарів, як правило, пари мідних шарів, причому кожен з шарів покриває одну з протилежних поверхонь шару полімерного матеріалу. Кінцеві частини шаруватого елемента у згорнутої зміни пов'язані разом за допомогою клейового полімеру, має високий коефіцієнт теплопровідності, наприклад епоксидної смоли, що містить срібло або наповнювач на основі оксиду металу. Шаруватий елемент згорнуть в спіральну або круглу конфігурацію для освіти сердечника термоелектричного пристрою, що застосовується в твердотільному термоелектричному тепловому насосі. Малюнок друкованої схеми, з якої з'єднані термоелектричні елементи, утворений травленням на обох металевих шарах. Отже, кожен виток згорнутого в спіраль або круглого сердечника утворений з одного шаруватого елемента, кінці якого з'єднані разом за допомогою клею. Посилальним номером 10 зазначено поперечний переріз металевих струмопровідних доріжок, на які м'яким припоєм припаяні термоелектричні елементи 11 і 12 n-типу і р-типу відповідно, при використанні евтектичного сплаву на основі олова. Посилальним номером 13 зазначено поперечне перетин шару полімерного матеріалу. Товщина металевих струмопровідних доріжок 10 змінюватиметься в залежності від потужності і, отже, від максимального значення електричного струму, що проходить через термоелектричне пристрій, відповідне даного винаходу. Товщина струмопровідних доріжок, безумовно, не повинна бути недостатньою для запобігання перегріву струмопровідних доріжок внаслідок ефекту Джоуля. Переважно, щоб товщина струмопровідних доріжок була в діапазоні 70-300 мкм. Товщина шару полімерного матеріалу 13 залежить від механічного зусилля, що прикладається при згортанні і упаковці сердечника термоелектричного пристрою. Практично товщина токопроводящей доріжки буде обрана такою, щоб гарантувати, з одного боку, хорошу механічну міцність, а з іншого боку - ефективну тепловіддачу. Переважно, щоб товщина токопроводящей доріжки була в межах від 35 до 150 мкм.

На фіг.10 і 11 ілюструється розташування струмопровідних металевих доріжок, передбачених на обох протилежних поверхнях шару полімерного матеріалу. Ці струмопровідні доріжки утворюють друковану схему, на якій м'яким припоєм припаяні термоелектричні елементи. Малюнок друкованої схеми, з якої з'єднані термоелектричні елементи, отриманий травленням металевого шару. Довжина і ширина шаруватого елемента з друкованою схемою і довжини L1, L2 на одній стороні і L3, L4 на другому боці його кінцевих частин залежить від номінальної потужності теплового насоса і, отже, вони обмежені технічними нормами на проектування. Вільні кінці шаруватого елемента з'єднані разом за допомогою клейового шару, утвореного із теплопровідних епоксидної смоли, що містить подрібнену металеві елементів. Для обмеження кількості матеріалу, що наноситься та для утворення тонкого шару, переважно має товщину не більше 10-15 мкм, смолу наносять шабером.

На фіг.12 ілюструється центральне поперечний переріз внутрішньої труби 18 теплообмінника. Зокрема, ілюструється кріпильна система, за допомогою якої конструкція термоелектричного пристрою, відповідного до даного винаходу, з'єднана з внутрішньої трубою теплообмінника теплового насоса. Кріпильна система запобігає зміщення поверхонь шаруватих елементів, які підтримують металеві струмопровідні доріжки, на які припаяні м'яким припоєм термоелектричні елементи, в процесі виконання технологічної операції згортання. Зсув шаруватих елементів може викликати порушення електричного контакту. Посилальним номером 37 вказана проріз, що передбачається на етапі радіальної компенсації внутрішньої труби 18 теплообмінника. Ця проріз призначена для забезпечення рівномірності кріплення кінцевій частині конструкції і для прикладення зусилля кріплення при угвинчуванні зазначених гвинтів. Посилальним номером 38 зазначено місце розташування термоелектричних елементів n-типу і р-типу всередині конструкції, а посилальним номером 39 зазначено поперечний переріз підтримують шаруватих елементів. Показано і поперечний переріз внутрішньої труби 18 теплообмінника. Стрілка F зліва від поперечного перерізу вказує напрямок обертання внутрішньої труби 18 теплообмінника в процесі технологічної операції згортання конструкції. Переважно, щоб полімерний матеріал підтримує шару був плівкою, отриманої з поліаміду, полібутілентерефталата, поліетіленнафталата, полікарбонату, поліаміду-6, кополіаміду 6-Х, де Х = 6, ... 12, поліаріламіда MXD6, поліфенілена, поліфеніленсульфіда, сополимера полікарбонат-полібутилену і терефталату, сополимера полікарбонат-поліетилену і нафталата, сополимера полікарбонат-поліаріла і аміду, сополимера полібутилену і терефталат-поліаміду або кополіаміду, полікетона.

На Фіг.13 наведено ізометричне зображення теплового насоса, иллюстрируемого на фіг. фіг.3, 4 і 5 і передбаченого з примусовим повітряним охолодженням зовнішньої труби теплообмінника. На Фіг.14 наведено ізометричне зображення теплового насоса, иллюстрируемого на фіг. фіг.3, 4 і 5 і передбаченого з рідинним охолодженням зовнішньої труби теплообмінника.

З вищесказаного очевидно, що згорнутий в спіраль або круглий сердечник дозволяє отримувати витки, що мають розміри, що збільшуються в діаметрі, в якому гаряча / холодна поверхню (в залежності від напрямку електричного струму) кожного витка обмінюється теплом з холодної / гарячої поверхнею безпосередньо суміжного витка. В цьому випадку щодо геометрично планарной конфігурації, відомої на попередньому рівні техніки, результуюча ефективність системи збільшується, оскільки зменшується загальний опір згорнутого в спіраль сердечника.

Винахід дозволяє отримувати твердотільні термоелектричні теплові насоси середньої потужності і високої ефективності. Такі теплові насоси придатні до вживання в області штучного охолодження для створення холодильних установок, що не роблять шкідливого впливу на навколишнє середовище, без застосування шкідливих газів. Іншими можливими застосуваннями теплового насоса, відповідного до даного винаходу, є промислові, морські, авіаційні, приладові, автомобільні та будівельні системи охолодження і нагрівання.

Джерелом електроживлення для теплового насоса може бути джерело постійного струму з напругою, яке залежить від певних технічних норм на проектування. Якщо тепловий насос встановлений в області, де джерело постійного струму безпосередньо недоступний, а доступний тільки джерело змінного струму, то буде передбачений силовий перетворювач змінного струму в постійний струм з пульсацією випрямленого струму не більше 10%.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Твердотільні термоелектричне пристрій, що містить щонайменше матрицю металевих провідникових і / або напівпровідникових термоелектричних елементів n-типу і р-типу, змонтованих на друкованій платі, що відрізняється тим, що воно має конструкцію, утворену з щонайменше, однієї пари шаруватих елементів , причому кожен елемент утворений з підтримує шару, отриманого з полімерної матеріалу, і щонайменше на одну поверхню якого нанесено шар проводить матеріалу; шару з'єднує матеріалу, розташованого між двома шаруватими елементами зазначеної щонайменше однієї пари, призначеного для міцного з'єднання їх один з одним так, щоб щонайменше один із зазначених верств провідного матеріалу утворював зовнішній шар зазначеної пари, і тим, що друкована плата складається з шару провідного матеріалу шаруватих елементів і електрично послідовно з'єднує термоелектричні елементи для освіти термопар, що мають гарячу та холодну боку відповідно, тільки на одній стороні конструкції, і тим, чтоуказанная конструкція термоелектричного пристрою має згорнуту в спіраль або круглу конфігурацію.

2. Термоелектричне пристрій по п.1, що відрізняється тим, що кожен елемент щонайменше однієї пари шаруватих елементів утворений із шару, отриманого з полімерного матеріалу, на кожній поверхні якого розташований шар проводить матеріалу.

3. Термоелектричне пристрій по п.1, що відрізняється тим, що підтримує шар полімерного матеріалу утворений з плівок без орієнтації або з орієнтацією в одному або двох напрямках.

4. Термоелектричне пристрій по п.1, що відрізняється тим, що матеріал з'єднує шару утворений з теплопровідної термореактивної смоли.

5. Термоелектричне пристрій по п.1, відмінне тим, що матеріал з'єднує шару утворений з евтектичного сплаву.

6. Термоелектричне пристрій по п.1, що відрізняється тим, що друкована плата утворена з однієї схеми, яка проходить по всій довжині обмотки.

7. Термоелектричне пристрій по п.1, що відрізняється тим, що друкована плата утворена з матриці електрично розділених схем.

8. Термоелектричне пристрій по п.3, що відрізняється тим, що полімерний матеріал, який утворює підтримуючий шар, є плівкою, отриманої з поліаміду, полібутілентерефталата, поліетіленнафталата, полікарбонату, поліаміду 6, кополіаміду 6-Х, де Х = 6 ... 12 , поліаріламіда MXD6, поліфенілена, поліфеніленсульфіда, сополимера полікарбонат-плібутілена і терефталату, сополимера полікарбонат-поліетилену і нафталата, сополимера полікарбонат-поліаріла і аміду, сополимера полібутилену і терефталат-поліаміду або кополіаміду, полікетона.

9. Термоелектричне пристрій по п.4, що відрізняється тим, що термореактивна смола з'єднує шару є теплопровідної епоксидною смолою, акрилатом, силіконової смолою або аналогічною речовиною.

10. Твердотільний термоелектричний тепловий насос, що містить термоелектричне пристрій по п.1, що відрізняється тим, що містить теплообмінник, який має внутрішню трубу, через яку проходить робоча рідина, зовнішню трубу, розташовану співвісно з вказаною внутрішньої трубою, твердотельное термоелектричне пристрій, розташоване між зазначеними внутрішньої і зовнішньої трубами і в тісному контактній взаємодії з ними, торцеві кришки, передбачені з впускним і випускним отворами для робочої рідини і мають рідинне повідомлення з вказаною внутрішньої трубою, циркуляційний засіб, призначений для забезпечення циркуляції робочої рідини всередині внутрішньої труби, генератор турбулентного течії, розташований всередині зазначеної внутрішньої труби і виконаний з можливістю генерування турбулентного течії робочої рідини, електричний з'єднувач, призначений для з'єднання термоелектричного пристрою із зовнішнім джерелом електроживлення, і датчик температури, призначений для розпізнавання можливого перегріву на поверхнях зазначених внутрішньої і зовнішньої труб.

11. Тепловий насос по п.10, що відрізняється тим, що на зовнішній поверхні труби теплообмінника передбачені охолоджуючі ребра.

12. Тепловий насос по п.10, що відрізняється тим, що всередині однієї з торцевих кришок теплового насоса передбачені кошти для циркуляції робочої рідини.

13. Тепловий насос по п.11, що відрізняється тим, що він містить вентилятор для генерування примусового повітряного потоку через охолоджуючі ребра зовнішньої труби.

14. Тепловой насос по п.10, що відрізняється тим, що всередині зовнішньої труби передбачена порожнину, через яку циркулює охолоджуюча рідина.

15. Тепловий насос по п.10, що відрізняється тим, що термоелектричне пристрій прикріплений до внутрішньої трубі теплообмінника і безпосередньо чи опосередковано підтримується їй.

16. Тепловий насос по п.10, що відрізняється тим, що термоелектричне пристрій безпосередньо або побічно підтримує зовнішню трубу теплообмінника.

17. Термоелектричне пристрій по п.1, що відрізняється тим, що містить кілька спіралей - від 1 до 15.

Версія для друку
Дата публікації 24.01.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів