Конструктивные особенности и технические характеристики

Конструирование термоэлектрической батареи

При конструировании термоэлектрических батарей решаются следующие вопросы; выбор материалов, конфигурации и геометри­ческих размеров (сечения и высоты) термоэлементов, распределение термоэлементов батареи по поверхности охлаждения, выбор материа­лов и кон­струирование элементов коммутации термоба­тареи, элек­тро- и теплоизоляции. Конструк­тивное решение этих вопросов зави­сит от назначения холодиль­ника, формы и объема его хо­лодильной камеры, условий эксплуатации и экономичности.

Форма и размеры термоэлементов определяются выбранными материалами, геометрией по­верхности ох­лаждения и условиями теплопередачи. Так, для холодильника с камерой охлаж­дения в виде развитого в вы­соту цилиндра (термоса) с теплоотводящей поверх­ностью при небольших размерах может быть выбрана по­верхность цилиндра и тогда форма термоэлемен­тов должна быть кольцеобраз­ной. Однако это усложняет технологию производства термо­элементов, потому такие схемы термоэлектрических батарей широкого применения не по­лучили. Из этих соображений малые термоэлектрические холодиль­ники с цилиндрической камерой в высоту не развиваются, и отношение диаметра к высоте у них нахо­дится в преде­лах 0,7... 1,0. Это позволяет использовать пло­скую термоэлектрическую батарею, состоя­щую из унифицирован­ных термоэлементов прямоугольного сечения. Очевидно, что такая термобатарея мо­жет быть установлена как на дне цилиндрической камеры, так и в ее крышке.

Несмотря на то, что оптимальное соотношение сечений ветвей термоэлемента (т) отлично от единицы, на практике с целью упро­щения конструкции сечения ветвей принимают равными обычно квадратными, с размерами, выбранными в зави­симости от требуе­мой поверхности охлаждения. Высоту тер­моэле­ментов (минимальную) ограничивают только условиями естественной передачи тепла от горячих спаев к холодным. Из этих условий вы­сота термоэлементов обычно не превышает 5 мм.

Оптимальное распределение (рассредоточение) термоэлементов батареи по поверхности охлаждения определяется из условий обе­спечения наилучшего теплообмена холодных и горячих спаев с наружными теплопереходами (радиаторами) и снижения вредных перепадов температур между спаями. Степень рассредоточения тер­моэлементов характеризуется плотностью упаковки, которая опре­деляется отношением суммарной площади всех сечений термоэлементов­ к теплопередающей поверхности термобатареи. Снижение плотности упаковки (рассредоточение) термоэлементов способствует также сокращению расхода полупроводниковых материалов. Из­вестно, что с уменьшением расстояния между коммутационными пластинами термобатареи возрастает переход тепла от горячих спаев к холодным через сечения термоэлементов и промежутки между ними. Это обстоятельство препятствует рассредоточению термоэле­ментов и снижению расхода полупроводниковых материалов. Для снижения вредного перехода тепла расстояние между коммутацион­ными пластинами быть увеличено за счет применения фигур­ных коммутирующих пластин, изготовляемых из тепло- и электро­проводных материалов (меди, алюминия и пр.). Такая конструкция термоэлектрической батареи (рис. 44) позволяет снизить высоту термоэлементов до 2 мм, а также повысить эффективность термобатареи без усложнения конструкции холодильника. Как показали исследования опытных образцов бытовых холодильников (V = 5 - 7 дм³), оптимальная плотность упаковки термоэлементов при воздушном зазоре между термоэлементами и естественной конвекции находится в пределах 0,15—0,17. При этом удается в максимальной степени упростить конструкцию холодильника, не применяя прину­дительной циркуляции воздуха у горячих спаев. Для холодильников большей емкости оптимальная плотность упаковки может быть другой. Соединение термоэлементов с коммутирующими пластинами осу­ществляется мягкой пайкой, При этом ветви термоэлементов пред­варительно залуживают специальным легкоплавким коммутационным припоем, содержащим сплавы полупроводниковых материалов . В термобатареях, рабо­тающих в различных режимах (охлаждения и нагрева) при значительных перепадах темпера­тур, с целью снижения возможных температурных напряжений между термоэлементом и коммути­рующей пластиной раз­мещается свинцовый демпфер. С этой же целью коммутирующие пластины кон­струируют так, чтобы они не препятствовали температурным деформациям.

При этом возможно применение тонких, гибких коммутирующих пластин или пластин с вырезами в про­межутках между термоэле­ментами.

Электроизоляция коммутирующих пластин термобатареи от теплопереходов осуществляется обычно по­крытием наружных поверх­ностей анодной электроизоляционной пленкой из окиси алю­миния и др. Для обеспечения лучшего перехода тепла поверхности элек­троизоляции смазываются специальной теплопро­водной пастой.

Теплоизоляцией в промежутках между термоэлементами батареи обычно является воздух, запол­няющий все свободные зазоры. Однако вполне возможно применение искусственных пластичных теп­лоизо­ляционных материалов, которые должны быть и электроизоляцион­ными. Такие изоляционные материалы использу­ются в основном в случае большой плотности упаковки термоэлементов в батарее.