Устройство для регулирования теплового режима аккумуляторной батареи и измерения мощности ее тепловыделения

Авторы патента:

Базилевский Александр Борисович (RU)

Предлагаемая полезная модель относится к теплотехнике и может найти преимущественное применение при лабораторных отладочных испытаниях и экспериментальных исследованиях теплоэнергетического режима аккумуляторных батарей космических аппаратов. Полезная модель позволяет выравнивать температуру по площади теплового контакта между устройством и теплопроводной плитой АБ и измерять как локальной, так и общей мощности тепловыделения. Технический результат: 1) увеличение срока службы аккумуляторной батареи меньшей массы, за счет увеличения глубины циклирования в конце срока активного существования; 2) измерение мощности тепловыделения. Физическая осуществимость определяется тем, что термоэлементы позволяют при их индивидуальном регулировании обеспечить требуемый теплоэнергетический режим при тепловой асимметрии аккумуляторной батареи, а мощность тепловыделения может быть определена по перепаду температур на введенных тепловых концентраторах - телах с известными тепловыми сопротивлениями.

Известно устройства аналогичного назначения, смотри патент РФ 2031007. Описанное техническое решение по своей физической сущности является кондиционером, т.е. предназначено для охлаждения или нагрева воздуха в салоне автомобиля. Оно содержит термоэлектрическую батарею, включенную в систему электропитания транспортного средства, снабженную переключателем полярности тока и выполненную в виде кольцевых термоэлектрических элементов (ТЭ), одетых по плотной посадке на трубки радиатора-отопителя. Оно выполняет функцию регулирования температуры теплоносителя, а теплообмен между носителем и воздухом в салоне транспортного средства осуществляется с помощью радиатора.

Указанный аналог имеет тот существенный недостаток, что с помощью него не возможно осуществить выравнивание поля температур по площади теплового контакта.

При тепловой асимметрии АБ это ведет к расхождению ее аккумуляторов по емкости, в результате чего номинальная емкость аккумуляторов должна быть выбрана большей на величину указанного расхождения, которая для обеспечения заданного срока активного существования (САС) в 10÷15 лет должна быть увеличена на 30÷40%, что равнозначно увеличению массы АБ.

Из известных технических решений наиболее близких по своей технической сущности к заявляемому является патент РФ 2100876 принятый за прототип. Это устройство содержит термобатарею, состоящую из m - термоэлементов, работающих на принципе эффекта Пельтье, скомпонованных в две параллельные, размещенные последовательно по потоку теплоносителя линий, между линиями размещен короб для технологического теплоносителя, с внешней стороны каждой линии размещены коробы с сотовым заполнителем для усиления теплообмена с рабочим теплоносителем, а для регулирования режима термоэлектрической батареи ее комплектуют регулятором температуры, состоящим из датчика температуры, блока сравнении, усилителя, регулирующего органа и многоканального распределителя, обеспечивающего оптимальное значение тока для каждого термоэлемента.

Данный прототип не может быть использован для нашей цели по той же причине, что и аналог - регулирование температуры рабочего теплоносителя - воздуха, который, несмотря на автономное регулирование каждого ТЭ, сам потом перемешивается, а значит, исключает возможность локальной корректировки тепловой асимметрии. Кроме того он не позволяет измерять текущую мощность тепловыделения как локальную, так и общую, по площади теплового контакта.

Задача на решение которой направлена заявляемая полезная модель -увеличение срока службы АБ, за счет выравнивание температуры по площади теплового контакта между заявляемым устройством и теплопроводной плитой АБ и измерение как локальной, так и общей мощности тепловыделения, что позволит корректно спроектировать систему терморегулирования АБ. Заявляемая полезная модель отличается тем, что в нее введено (по количеству ТЭ) m тепловых концентраторов выполненных в виде призм, имеющих в сечении форму равнобокой трапеции, одна из граней которой находится в тепловом контакте с теплопроводной металлической пластиной и с первым датчиком температуры, а противоположная параллельная ей грань - с термоэлектрическим элементом и вторым датчиком температуры. Противоположные грани m - термоэлементов находятся в тепловом контакте с плоскостью теплообменника. Выходы блоков сравнения присоединены к m - аналоговым входам коммутатора, выход коммутатора - ко входу аналого-цифрового преобразователя, его выход к шине данных электронной вычислительной машины, выходы которой подключены ко входу цифро-аналогового преобразователя и к управляющим входам коммутатора, АЦП и ЦАП, выходы m ЦАП присоединены к соответствующим входам коммутатора, m его соответствующих выходов ко входам усилителей мощности в нагрузку каждого из которых включены термоэлементы, а пространство между теплопроводной пластиной и теплообменником заполнено теплоизолирующим веществом.

Физическая осуществимость определяется тем, что ТЭ позволяют при их индивидуальном регулировании обеспечить требуемый теплоэнергетический режим при тепловой асимметрии АБ, а мощность тепловыделения может быть определена по перепаду температур на введенных тепловых концентраторах - телах с известными тепловыми сопротивлениями.

На фиг.1 изображен общий вид устройства.

На фиг.2 - конструкция одного из каналов (ячейки).

На фиг.3 - блок-схема одного из каналов для измерения локальной мощности тепловыделения.

Заявляемая полезная модель содержит теплопроводник, представляющий собой металлическую пластину 1, который своей одной плоскостью находится в тепловом контакте с первыми датчиками температуры 2 и большими гранями m - тепловых концентраторов 3, выполненных в виде призм, и имеющих в сечении форму равнобокой трапеции, а противоположные и параллельные им малые грани - тепловом контакте со вторыми датчиками температуры 4 и плоскостями m - термоэлементов 5, противоположные плоскости которых находятся в тепловом контакте с плоскостью теплообменника 6 по которому прокачивается технологический теплоноситель 7. Для уменьшения теплового сопротивления контакт обеспечивается слоем теплопроводного вещества 8, а для исключения обратного перетекания тепла (теплового шунтирования) пространство между теплопроводником 1 и теплообменником 6 заполнено теплоизолирующем веществом 9. Другая плоскость теплопроводника 1 находится в тепловом контакте с теплопроводной плитой АБ 10. Выходы датчиков температуры 2 и 4 присоединены ко входам m - элементов сравнения 11.

Выходы элементов сравнения 11 присоединены к первым m входам коммутатора 15, первый выход коммутатора присоединен ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 12, выход АЦП 12 присоединен к шине данных электронной вычислительной машины (ЭВМ) 13, ко входу цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 14, к управляющим входам АЦП 12, ЦАП 14, и коммутатора 15, m - аналоговых выходов которого присоединены ко входам усилителей мощности 16, в нагрузку которых включены m - соответствующих термоэлектрических элементов 5.

Работает устройство следующим образом. При циклировании АБ, она выделяет тепло, при этом температура теплопроводной плиты АБ 10 повышается и тепловой поток от нее начинает течь через теплопроводник 1, тепловые концентраторы 3 и термоэлементы 5 к теплообменнику 6, где передается технологическому теплоносителю 7. При этом на тепловых концентраторах 3 возникает перепад температур приводящий к появлению разностного сигнала от датчиков температуры 2 и 4 на блоке сравнения 11 и пропорциональный локальной мощности тепловыделения. Этот сигнал преобразуется в число АЦП 12 и обрабатывается ЭВМ 13, выполняющей так же функцию управления АЦП 12 и ЦАП 14. В устройстве используется принцип последовательного циклического опроса коммутатором m - ячеек устройства. Это позволяет при большой постоянной времени тепловых процессов реализовать квазинепрерывное регулирование всех m - каналов.

Заявленное устройство выполнено на базе термоэлементов Пельтье, производимых фирмой «Криотерм» Drift-0.8 либо Frost-74, теплопроводящие поверхности которых изготовлены из керамики и выполняют одновременно функцию электроизолятора. Датчиками температуры служат полупроводниковые терморезисторы ММТ-1, как более чувствительные по сравнению с металлическими, включенные по дифференциальной схеме. Нелинейность полупроводниковых элементов терморезисторов линеаризуется программно ЭВМ 13. Экспериментально подтвержденный порог чувствительности одного канала (ячейки) порядка 0,2 Вт, что более чем достаточно. Количество ячеек может быть любым, но площадь теплопередачи одной ячейки не должна превышать 10% полной площади теплопередачи от АБ к устройству.

Заявляемое устройство, в отличии от прототипа, позволяет измерять текущую мощность тепловыделения АБ как локальную, так и общую, а так же осуществлять выравнивание поля температур АБ КА бесконтейнерной компоновки, при тепловой асимметрии АБ. Выравнивание поля температур, при тепловой асимметрии АБ, предупредит перегрев отдельных аккумуляторов, что позволит увеличить глубину циклирования в конце САС, за счет чего увеличивается срок службы АБ меньшей массы. Информация о мощности тепловыделения как локальной, так и общей, необходима для правильного проектирования СТР КА.

Источники информации:

1) Патент РФ 2031007, МПК В60Н 1/04, 1995;

2) Патент РФ 2100876, МПК H01L 35/28, 1997.

Устройство для регулирования теплового режима аккумуляторной батареи и измерения мощности ее тепловыделения, содержащее m термоэлементов, находящихся в тепловом контакте с теплообменником, по которому прокачивается технологический теплоноситель, и блок сравнения, к одному из входов которого подключен выход датчика температуры, отличающееся тем, что в устройство введен теплопроводник, представляющий собой металлическую пластину, одна плоскость которого находится в тепловом контакте с теплопроводной плитой аккумуляторной батареи, другая плоскость теплопроводника находится в тепловом контакте с первым датчиком температуры и гранями тепловых концентраторов, выполненных в виде призм, имеющих в сечении форму равнобедренной трапеции, противоположные параллельные грани которых находятся в тепловом контакте со вторыми датчиками температуры и с поверхностями m термоэлементов, противоположные поверхности которых в тепловом контакте с плоскостью теплообменника, выходы вторых датчиков температуры присоединены соответственно ко вторым входам m блоков сравнения, выходы блоков сравнения присоединены к m аналоговым входам коммутатора, выход коммутатора - ко входу аналого-цифрового преобразователя, его выход - к шине данных электронной вычислительной машины, выходы которой подключены ко входу цифроаналогового преобразователя и к управляющим входам коммутатора, аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей, соответствующие выходы цифроаналогового преобразователя присоединены к соответствующим входам коммутатора, m его соответствующих выходов - ко входам усилителей мощности в нагрузку каждого из которых включены термоэлементы, а пространство между теплопроводной пластиной и теплообменником заполнено теплоизолирующим веществом.