3. Конструктивні особливості індивідуальних термоелектрич- них кондиціонерів

Історія термоелектричного охолодження почалася в першій половині XIX сторіччя, коли французький вчений Ж. Пельтьє відкрив термоелектричний ефект, названий згодом його ім'ям Якщо пропускати електричний струм через спай двох спеціально підібраних матеріалів один з них нагрівається, інший – охолоджується. Це явище і спонукало створити такий термоелектричний модуль, у якого при пропусканні струму одна сторона нагрівається до температури вище атмосферної, а інша – охолоджується нижче її. Таким чином з одного боку модуля можна відбирати тепло, а з іншого – холод.

Розробками в напрямку індивідуального охолодження займалися вчені з Midwest Research Institute (MRI). MRI розробив термоелектричний блок охолодження для космічного апарата багаторазового використання, який забезпечує два рівня охолодження для комфорту астронавта. Термоелектричний охолоджувач забезпечував низький рівень охолодження 340 btu/hour (97.14 Вт), споживаючи 3.0 ампер, при вазі всього 2.025 кг. Фотографія термоелектричного блока охолодження приведена на рис.1. Термоелектричний блок охолодження складався в основному з сердечника охолоджувача, двох невеликих вентиляторів, рідинного насоса і кожуха. Для запобігання надлишкового тиску на охолоджуваний одяг, який мав носити член екіпажу, був додатково використаний клапан скидання тиску.

Рис.1. Зовнішній вигляд термоелектричного індивідуального кондиціонера.

Сердечник охолоджувача складався з двох теплообмінних секцій. Кожна секція мала центральний канал з рідиною, який мав прямокутний поперечний переріз, термоелектричні модулі, і тепловідводи. Термоелектричні модулі розміщувались з кожної сторони каналу з рідиною, причому охолоджуюча сторона модуля знаходилася в тісному тепловому контакті з поверхнею каналу. Тепловідводи, які мали теплорозсіюючі ребра, припаювались до нагріваючої поверхні термоелектричних модулів. Орієнтація тепловідводів була така, що потоки повітря у кабіні багаторазового космічного апарата направлені під прямими кутами до напряму потоку води з каналу з рідиною. Для мінімізації втрат охолодження, від каналу до чотирьох сторін сердечника охолоджувача і між теплообмінними секціями були добавлені ізолюючі і амортизуючі матеріали. Для розміщення сердечника охолоджувача був виготовлений прямокутний кожух. Прямокутні отвори на бокових сторонах кожуха були розміщені таким чином, щоб співпадати зі всіма тепловідводами сердечника кожуха. В кришці, яку можна знімати, були отвори для розміщення вентиляторів і з’єднувачів рідини.

Під час роботи термоелектричного охолоджувача вода втягувалась поршневим насосом і подавалася на вхід сердечника охолоджувача. При проходженні через охолоджуючі канали вода охолоджувалась. Воду, яка виходила із сердечника охолоджувача, потім прокачували по трубах в одяг, який носили члени екіпажу корабля. З одягу вода поверталась для повторного охолодження в сердечнику охолоджувача. Перепускний клапан скидання тиску використовувався для контролю використання води, яка виходила з охолоджувача, регулюючи цим самим охолодження членів екіпажу. Вентилятори протягували повітря в кабіні через ребра тепловідводу, відводячи таким чином тепло від тепловідводів. В якості запобіжної деталі перед кожним вентилятором був встановлений сітковий захист.

Характеристики термоелектричного охолоджувача були оцінені з допомогою контрольної матриці трьох швидкостей потоку рідини і чотирьох температур зовнішнього середовища. Охолоджувач працював зі швидкістю потоку 0.5472*10^-3 , 0.684*10^-3, і 0.8208*10^-3 м³/хв при температурі 23.8˚С, 26.6˚С, 29.4˚С і 32.2˚С, відповідно в режимі низького і високого рівня охолодження. Після аналізу результатів випробування, в НАСА вибрали швидкість потоку 0.8208*10^-3 м³/хв [3].

Також дана установа розробила термоелектричний охолоджувач для літальних апаратів. Його можна віднести до індивідуальних тому, що охолоджене повітря подається не в кабіну, а безпосередньо в захисний костюм. Як правило, військові літаки не зовсім щільні і тому кондиціонування повітря в кабіні досі ще не використовувалось. Більш ефективним методом охолодження пілотів є вико­ристання мікрокліматичного кондиціонування, в якому індивідуальний спецодяг надягається поверх повітряного жилета. Відфільтроване і охолоджене повітря надходить в цей жилет із метою забезпечення охолодження пілота. Додатковий тиск повітря спецодягу також сприяє усуненню забруднюючих речовин. Система складається з термоелектричного охолоджувача, фільтруючого обладнання, змонтованого на вході, нагнітальних вентиляторів, керуючої електроніки і вентиляційного каналу. Нагнітальний вентилятор рухає повітря крізь фільтри і охолоджувач, задуваючи його в кабіну та жилети. Вентилятори забирають тепло з гарячої сторони термоелектричного охолоджувача. Блок керуючої електроніки використовується для контролю роботи всіх електричних складових. Гарячі сторони модулів термоелектричного охолоджувача мають ребристу структуру і тепло від них надходить у навколишнє повітря. Два вентилятора продувають повітря крізь зовнішню частину нагрівача через вентиляційний люк, а далі між ребрами, викидаючи його у задній повітрязабірник на хвостовій балці. Оригінальність конструкції термоелектричного перетворювача полягає в тому, що він повинен бути здатним охолоджувати повітря в умовах відсутності вологості і високої потужності. Проектна охолоджувальна здатність при цьому становила 418 Вт. Проектна потужність в умовах сильної вологості набагато більша і сильно залежить від вологості. Проектні розрахунки спирались на 35˚С і 74% відносної вологості навколишнього середовища. При цих умовах проектна охолоджувальна потужність зростає до 650 Вт в режимі максимально потужності. Багато тестів було здійснено при умовах низької вологості; наприклад у висячому положенні. Виміряна охолоджувальна потужність в даних тестах в режимі максимальної потужності порядку 400 Вт