ITMI930302A1 - Sistema frigorigeno ad effetto peltier - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un sistema frigorigeno ad effetto Peltier.

Il sistema frigorigeno ad effetto Peltier ?, come noto, basato sul principio dell?assorbimento e della generazione di potenza termica in corrispondenza alle giunzioni di un circuito termoelettrico percorso da corrente elettrica. Il circuito termoelettrico ? detto termoelemento e comprende due rami di materiale opportuno, ad esempio semiconduttori o semimetalli, e due giunzioni , una calda ed una fredda .

Normalmente, nella pratica, viene impiegato un cosiddetto modulo termoelettrico ad effetto Peltier, comprendente due lastre parallele e contrapposte, tra le quali ? interposto un insieme di termoelementi, in modo tale che le giunzioni calde dei termoelementi siano a contatto con una delle due lastre e le giunzioni fredde di tali termoelementi siano a contatto con l?altra delle due lastre. La lastra fredda, ovvero quella a contatto della giunzione fredda, costituisce la sorgente di freddo del sistema frigorigeno.

Uno dei difetti di tale sistema frigorigeno ? il rendimento non elevato che ne limita le applicazioni .

Un altro inconveniente ? che, in certi casi in cui tale sistema frigorigeno debba operare in determinate condizioni ambientali esterne di elevata temperatura, ? necessario disattivare il modulo termoelettrico, ovvero togliere ad esso l?alimentazione elettrica, al fine di evitare malfunzionamenti o danneggiamenti del modulo stesso. In questo modo, per?, il sistema frigorigeno viene meno alla sua funzione con conseguenze immaginabili.

Un ulteriore inconveniente ? rappresentato dal tempo relativamente lungo necessario a tale sistema frigorigeno per portarsi a regime.

Scopo della presente invenzione ? di ovviare ai suddetti inconvenienti.

Tale scopo viene raggiunto mediante un sistema frigorigeno comprendente almeno un modulo termoelettrico ad effetto Peltier avente due lastre tra le quali ? interposto un insieme di termoelementi alimentati elettricamente cos? da riscaldare una delle due lastre e da raffreddare l?altra delle due lastre, la lastra fredda costituendo la sorgente di freddo del sistema frigorigeno, caratterizzato dal fatto di prevedere un liquido di raffreddamento per mezzo del quale viene asportato calore dalla lastra calda.

Per meglio comprendere l?invenzione, viene di seguito riportata una descrizione di una sua realizzazione esemplificativa non limitativa, illustrata nei disegni allegati in cui:

la fig.l mostra schematicamente un sistema frigorigeno ad effetto Peltier secondo l?invenzione;

la fig.2 mostra schematicamente una variante al sistema frigorigeno di fig.l;

la fig.3 mostra prospetticamente un?applicazione del sistema frigorigeno di fig.l.

Il sistema friforigeno di fig.l comprende un modulo termoelettrico 10 ad effetto Peltier del tipo descritto nell?introduzione.

Il modulo 10 comprende due lastre 11 e 12 parallele e contrapposte, tra le quali ? interposto in insieme di termoelementi 13.

Alimentando elettricamente l?insieme di termoelementi 13, la lastra 11 si riscalda e la lastra 12 si raffredda. La lastra 12 costituisce cos? la sorgente di freddo del sistema frigorigeno.

La lastra calda 11 costituisce una parete di una camera 14 nella quale viene fatto passare un liquido di raffreddamento.

La camera 14 ? collegata in circuito chiuso ad una tubazione 15 esterna in cui corre il liquido di raffreddam?nto. Il collegamento tra la camera 14 e la tubazione 15 ? effettuato attraverso due fori 16,17, rispettivamente di ingresso e di uscita, ricavati nella camera stessa: un'estremit? della tubazione 15 ? collegata al foro 16, mentre l?altra estremit? della tubazione 15 ? collegata al foro 17.

Lungo la tubazione 15 ? disposta una pompa 18 azionata da un motore elettrico 28, uno scambiatore di calore 19 ed un serbatoio 20. In corrispondenza dello scambiatore di calore 19 ? disposto un ventilatore 21 azionato da un motore elettrico 29.

A contatto della lastra 12 fredda ? collocata una piastra 22 con alette 23.

La piastra 22 ? disposta all'interno dell?ambiente da raffreddare, mentre la tubazione 15 ? disposta all'esterno di tale ambiente. In fig.l ? anche illustrata una parete 24 che divide l?ambiente da raffreddare dall?esterno; in tale parete 24 ? incorporata la camera 14.

Nella camera 14 ? collocato un sensore di temperatura 25, e parimenti nell?ambiente da raffreddare ? collocato un altro sensore di temperatura 26.

Il sistema frigorigeno di fig.l comprende anche un?unit? elettronica 27 di comando e di controllo, a microprocessori, collegata al modulo termoelettrico 10, ai motori elettrici 28 e 29 rispettivamente della pompa 18 e del ventilatore 21, ed ai sensori di temperatura 25 e 26.

Operativamente, l?unit? 27 di comando e di controllo comanda l?alimentazione del modulo termoelettrico 10 e l?attivazione dei motori elettrici 28 e 29.

L?alimentazione del modulo termoelettrico 10 provoca, come gi? detto, il riscaldamento della lastra 11 ed il raffreddamento della lastra 12.

La piastra 22, a contatto con la lastra 12 fredda, provvede alla refrigerazione dell?ambiente da raffreddare per scambio termico con quest?ultimo; le alette 23 della piastra 22 aumentano questo scambio termico .

L?attivazione del motore elettrico 28 porta in azionamento la pompa 18 la quale provvede a far circolare in circuito chiuso il liquido refrigerante lungo la camera 14 e la tubazione 15 nel senso indicato dalle frecce. In particolare, il liquido refrigerante affluisce alla camera 14, proveniente dal serbatoio 20, attraverso il foro 16 ed in tale camera provvede ad asportare calore dalla lastra 11 calda che costituisce una parete della camera stessa; il liquido refrigerante defluisce poi dalla camera 14 attraverso il foro 17 e passa all?interno dello scambiatore di calore 19 dove cede all?aria esterna il calore sottratto alla lastra 11 calda; dallo scambiatore di calore 19 il liquido refrigerante ritorna nel serbatoio 20 ed il ciclo ricomincia.

L?attivazione del motore elettrico 29 porta in azionamento il ventilatore 21 che determina un movimento forzato dell?aria esterna sulle pareti esterne dello scambiatore di calore 19 cos? da aumentare l?efficacia dello scambio termico.

Con l?asportazione continua di calore dalla lastra 11 calda da parte del liquido refrigerante si ha l?effetto di ottenere e mantenere basse temperature sulla lastra 12 fredda, cos? da avere un sistema frigorigeno ad elevato rendimento.

Inoltre, questa asportazione continua di calore evita surriscaldamenti della lastra 11 calda in condizioni ambientali esterne di elevata temperatura, e non obbliga quindi ad interrompere l?alimentazione elettrica del modulo termoelettrico, ma permette al sistema frigorigeno di svolgere sempre la sua funzione.

Infine, questa asportazione continua di calore porta rapidamente a regime il sistema frigorigeno.

L?unit? 27 di comando e di controllo controlla, per mezzo dei termostati 25 e 26, rispettivamente la temperatura del liquido refrigerante e dell?ambiente da raffreddare cos? da poter regolare in modo fine il raffreddamento dell?ambiente da raffreddare e mantenere quest?ultimo alla temperatura desiderata, agendo opportunamente sull?alimentazione del modulo termoelettrico 10 e sull?azionamento dei motori elettrici 28 e 29 della pompa 18 e del ventilatore 21 rispettivamente. L?unit? 27 pu? ad esempio variare, a parit? di tensione di alimentazione, la corrente fornita al modulo termoelettrico 10. L?unit? 27 pu? inoltre fermare la pompa 18 ed il ventilatore 21 se non ? momentaneamente necessaria l?asportazione di calore dalla lastra calda 11 per mantenere la corretta temperatura nell?ambiente da raffreddare. Dotando la pompa 18 ed il ventilatore 21 di motori elettrici a velocit? variabile, l?unit? 27 pu? regolare la velocit? di tali motori al fine di ottimizzare l?asportazione del calore dalla lastra 11 calda, ottimizzando cos? il rendimento del sistema frigorigeno .

In fig.2 l?asportazione di calore dalla lastra 11 calda avviene come in fig.l, mentre lo scambio termico tra la lastra 12 fredda e l?ambiente da raffreddare non avviene mediante una piastra con alette ma mediante un liquido di scambio termico che corre in un circuito chiuso avente le stesse caratteristiche e modalit? di funzionamento viste per il liquido refrigerante.

In particolare si ha una camera 14? una cui parete ? costituita dalla lastra 12 fredda, una tubazione 15? collegata, alle estremit?, rispettivamente ad un foro 16? di ingresso e ad un foro 17? di uscita ricavati nella camera 14?, una pompa 18? azionata da un motore elettrico 28' , disposta lungo la tubazione 15?, ed uno scambiatore di calore 19? disposto lungo la tubazione 15? a valle della pompa 18? e collocato nell?ambiente da raffreddare; in corrispondenza dello scambiatore di calore 19' ? collocato un ventilatore 21? azionato da un motore elettrico 29?.

Si fa notare che sia il circuito relativo al liquido refrigerante che il circuito relativo al liquido di scambio termico sono privi del serbatoio, presente nel circuito di fig.l. Tale serbatoio pu? essere messo in entrambi i circuiti se si temono perdite dei rispettivi liquidi.

Anche nel sistema frigorigeno di fig.2 ? presente un'unit? elettronica di comando e di controllo, a microprocessori, indicata con 30, collegata al modulo termoelettronico. 10, ai motori elettrici 28,29,28? ,29?, e a due sensori di temperatura 31 e 32, il primo dei quali collocato in un ambiente a cui il liquido refrigerante cede calore ed il secondo dei quali collocato nell?ambiente da refrigerare.

Nel sistema frigorigeno di fig.2 il liquido refrigerante provvede, come detto sopra, ad asportare calore dalla lastra 11 calda come visto nel sistema frigorigeno di fig.l. Per quanto riguarda il raffreddamento dell?ambiente da raffreddare, il liquido di scambio termico viene fatto circolare dalla pompa 18? in circuito chiuso nella camera 14' e nella tubazione 15', cos? da raffreddarsi a contatto della lastra 12 quando fluisce nella camera 14? e cos? da assorbire calore quando fluisce nello scambiatore di calore 19? raffreddando l?ambiente da raffreddare; il ventilatore 21? crea un movimento forzato dell?aria dell?ambiente da raffreddare sulle pareti esterne dello scambiatore di calore 19? cos? da aumentare l?efficacia dello scambio termico.

Si hanno quindi tutti i vantaggi dell?asportazione di calore dalla lastra 11 calda da parte del liquido refrigerante visti nel sistema frigorigeno di fig.l, ed in pi? si ha un raffreddamento dell?ambiente da raffreddare maggiormente efficace.

L?unit? 30 di comando e di controllo provvede a comandare l?alimentazione del modulo termoelettrico 10 e l?attivazione dei motori elettrici 28 ,29,28',29?, e grazie ai termostati 31 e 32 controlla le temperature della parte calda e della parte fredda del sistema frigorigeno cos? da provvedere, agendo opportunamente sul modulo termoelettrico e sui motori elettrici, suddetti, all?ottimale funzionamento di tale sistema frigorigeno .

Si fa notare che sia il sistema frigorigeno di fig.l che quello di fig.2 sono strutturalmente e funzionalmente semplici e di ingombro relativamente limitato .

Possono ovviamente essere previste varianti e/o aggiunte a quanto sopra descritto ed illustrato.

Possono ad esempio essere previsti pi? moduli termoelettrici, disposti t?rmicamente in parallelo, ad esempio affiancati uno all?altro, e collegati elettricamente in serie o in parallelo, cos? da poter aumentare la capacit? frigorigena del sistema. Per lo stesso fine si pu? anche prevedere un insieme di moduli termoelettrici disposti termicamente in serie, ovvero in cui la lastra calda dell?uno ? a contatto termico della lastra fredda dell'altro, e collegati elettricamente in serie o in parallelo; tale insieme di moduli termoelettrici presenter? una faccia esterna calda, relativa alla lastra calda di uno dei due moduli termoelettrici esterni dell?insieme, da cui verr? asportato calore mediante il liquido refrigerante, ed una faccia esterna fredda, relativa alla lastra fredda dell?altro dei due moduli termoelettrici esterni dell?insieme, che costituir? la sorgente di freddo. In generale si pu? prevedere una molteplicit? di moduli termoelettrici accoppiati termicamente tra loro in serie e/o in parallelo; tali moduli termoelettrici possono poi essere collegati elettricamente tra loro in serie e/o in parallelo; i moduli termoelettrici possono formare una o pi? sorgenti fredde ed una o pi? sorgenti calde, e da queste ultime viene asportato calore mediante liquido refrigerante.

Il circuito del liquido refrigerante con cui si asporta calore dalla sorgente calda ed i suoi vari elementi potrebbero anche essere diversi da quelli sopra descritti ed illustrati nelle figg.1,2, anche se questi ultimi si rivelano sorprendentemente semplici ed efficaci. La lastra calda pu? anche non formare la parete della camera, ma essere in contatto termico con una parete della camera stessa, anche se la soluzione descritta ed illustrata risulta ottimale per un efficace scambio termico.

Analoghe considerazioni valgono per il circuito del liquido di scambio termico con la lastra fredda, in relazione al sistema frigorigeno di fig.2.

Il liquido refrigerante ed il suddetto liquido di scambio termico possono essere di tipo qualsiasi in grado di svolgere efficacemente la specifica funzione; il liquido di scambio termico non deve ovviamente congelare alle temperature di lavoro.

Gli scambiatori di calore possono anche non essere raffreddati mediante ventilatore, per? ci? comporta ovviamente una diminuzione di un certo rilievo dell?efficacia dello scambio termico.

La piastra alettata di scambio termico pu? essere sostituita con un elemento funzionalmente equivalente .

Pu? essere previsto un numero qualsivoglia di sensori di temperatura per controllare i punti ritenuti pi? opportuni della parte calda e della parte fredda del sistema frigorigeno nonch? degli ambienti in cui sono collocate le varie parti del sistema frigorigeno.

In una versione semplificata, ma funzionalmente inferiore, si pu? eliminare l'unit? elettronica di comando e di controllo ed i sensori di temperatura, usando al loro posto degli interruttori termici che operano opportunamente sugli organi del sistema frigorigeno.

I sistemi frigorigeni descritti ed illustrati, con le eventuali varianti e/o aggiunte cui si ? accennato sopra, possono trovare applicazione in qualsiasi caso in cui si debba raffreddare ambienti delimitati ed in generale masse, e si debba mantenerli a temperature inferiori a quelle dell?ambiente esterno.

Ad esempio tali sistemi frigorigeni possono essere applicati a frigoriferi, congelatori, surgelatori, e simili. In fig.3 ? mostrata appunto l?applicazione del sistema frigorigeno di fig.l ad un frigorifero: in tale figura ? illustrato parzialmente in tratto e punto un armadio 40 del firgorifero, su una cui parete posteriore ? montata superiormente ed internamente la piastra alettata 22 che provvede a distribuire il freddo nell?armadio; il circuito del liquido refrigerante ? disposto esternamente all?armadio. Ovviamente il frigorifero pu? impiegare anche il sistema frigorigeno di fig.2.

Tali sistemi frigorigeni possono inoltre essere applicati a condizionatori d?aria e simili. Ad esempio essi possono trovare vantaggiosa applicazione nei condizionatori d?aria per autoveicoli, dove il loro limitato ingombro ne facilita notevolmente la collocazione.

Claims (21)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema frigorigeno comprendente almeno un modulo termoelettrico (10) ad effetto Peltier avente due lastre (11,12) tra le quali ? interposto un insieme di termoelementi (13) alimentati elettricamente cos? da riscaldare una (11) delle due lastre e da raffreddare l?altra (12) delle due lastre, la lastra fredda (12) costituendo la sorgente di freddo del sistema frigorigeno, caratterizzato dal fatto di prevedere un liquido di raffreddamento per mezzo del quale viene asportato calore dalla lastra calda (11).
2. 2. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 1 , in cui detto liquido di raffreddamento fluisce, secondo un circuito chiuso, in una camera (14) in cui avviene lo scambio termico con detta lastra calda (11) ed in una tubazione (15), collegata alla camera (14), che porta il liquido di raffreddamento a cedere calore all?esterno.
3. 3. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 2, in cui detta lastra calda (11) costituisce una parete di detta camera (14).
4. 4. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 2, in cui lungo detta tubazione (15) ? disposta una pompa (18) che fa fluire il liquido di raffreddamento in circuito chiuso lungo la camera (14) e la tubazione (15), ed in cui lungo detta tubazione (15) ? disposto inoltre uno scambiatore di calore (19) in cui avviene la cessione di calore dal liquido di raffreddamento all?esterno.
5. 5. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 4, in cui in corrispondenza di detto scambiatore di calore (19) ? disposto un ventilatore (21) che crea un movimento forzato dell?aria esterna sulle pareti esterne dello scambiatore di calore (19).
6. 6. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 2, in cui lungo detta tubazione (15) ? disposto un serbatoio (20) che accoglie il liquido di raffreddamento .
7. 7. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 1., in cui a contatto di detta lastra fredda (12) ? disposta una piastra (22) alettata di scambio termico con l?ambiente da raffreddare.
8. 8. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 1, in cui ? previsto un liquido di scambio termico che entra in contatto termico con detta lastra fredda (12), raffreddandosi, ed assorbe poi calore dall?ambiente da raffreddare.
9. 9. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 8, in cui detto liquido di scambio termico fluisce, secondo un circuito chiuso, in una camera (14?) in cui avviene lo scambio termico con detta lastra fredda (12) ed in una tubazione (15*) collegata alla camera (14?) che porta il liquido di scambio termico ad assorbire calore dall?ambiente da raffreddare .
10. 10. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 9, in cui detta lastra fredda (12) costituisce una parete di detta camera (14*).
11. 11. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 9, in cui lungo detta tubazione (15?) ? disposta una pompa (18?) che fa fluire il liquido di scambio termico in circuito chiuso lungo la camera (14?) e la tubazione (15?), ed in cui lungo detta tubazione (15 ?) ? disposto inoltre uno scambiatore di calore (19?) in cui avviene l?assorbimento di calore dall?ambiente da raffreddare al liquido di scambio termico .
12. 12. Sistema frigorigeno secondo la rivendicaz ione 11, in cui in corrispondenza di detto scambiatore di calore (19') ? disposto un ventilatore (21*) che crea un movimento forzato dell?aria dell?ambiente da raffreddare sulle pareti esterne dello scambiatore di calore (19?).
13. 13. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 9, in cui lungo detta tubazione (15?) ? disposto un serbatoio che accoglie il liquido di scambio termico.
14. 14. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 1, in cui ? prevista una molteplicit? di moduli termoelettrici (10) accoppiati termicamente tra loro in serie e/o in parallelo.
15. 15. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 14, in cui detti moduli termoelettrici (10) sono collegati elettricamente tra loro in serie e/o in parallelo.
16. 16. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui detti moduli termoelettrici (10) formano una o pi? sorgenti fredde e formano inoltre una o pi? sorgenti calde da cui viene asportato calore mediante il liquido di raffreddamento.
17. 17. Sistema frigorigeno secondo una delle rivendicazioni 1,7,8, comprendente mezzi sensori di temperatura {25 ,26 ; 31,32) per il controllo della temperatura del circuito di asportazione del calore da detta lastra calda (11) e per il controllo della temperatura dell?ambiente da raffreddare.
18. 18. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 5, comprendente mezzi sensori di temperatura (25,26) per il controllo della temperatura del circuito di asportazione del calore da detta lastra calda (11) e per il controllo della temperatura dell?ambiente da raffreddare, e comprendente inoltre un?unit? elettronica (27) di comando e di controllo collegata a detto modulo termoelettrico (10), a detta pompa (18), a detto ventilatore (21,) e a detti mezzi sensori di temperatura (25,26), per comandare l?attivazione del modulo termoelettrico (10) e l?azionamento della pompa (18) e del ventilatore (21) in funzione dei dati di temperatura forniti dai mezzi sensori di temperatura (25,26).
19. 19. Sistema frigorigeno secondo la rivendicazione 1, in cui detto liquido refrigerante ? mosso da una pompa (18) lungo un circuito chiuso per asportare calore da detta lastra calda (11) e per cedere calore all?esterno attraverso uno scambiatore di calore (19) su cui agisce un ventilatore (21), ed in cui un liquido di scambio termico ? mosso da un?ulteriore pompa (18?) lungo un circuito chiuso in modo da entrare in contatto con detta lastra fredda (12) raffreddandosi ed in modo da assorbire calore dall?ambiente da raffreddare attraverso un?ulteriore scambiatore di calore (19?) su cui agisce un ulteriore ventilatore (21?), il sistema frigorigeno comprendendo mezzi sensori di temperatura per il controllo della temperatura del circuito di asportazione del calore da detta lastra calda (11) e per il controllo della temperatura dell?ambiente da raffreddare, e comprendendo un?unit? elettronica (30) di comando e di controllo collegata a detto modulo termoelettrico (10), a dette pompe (18,18?), a detti ventilatori (21,21?) e a detti mezzi sensori di temperatura (31,32), per comandare l?attivazione del modulo termoelettrico (10) e l?azionamento delle pompe (18,18?) e dei ventilatori (21,21?) in funzione dei dati di temperatura forniti dai mezzi sensori di temperatura (31,32).
20. 20. Sistema frigorigeno secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, applicato ad un frigorifero .
21. 21. Sistema frigorigeno secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 19, applicato ad un condizionatore d?aria.