§ 3. ДОМАШНИЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ БОЛЬШОГО ОБЪЕМА

Как известно, бытовые холодильники являются предметом массового спроса и выпускаются промышленностью в больших количествах. В настоящее время в бытовых холодильниках обычно применяются компрессионные холодильные агрегаты или абсорбционные устройства,

Наибольшее распространение получили холодильники компрессионного типа. Однако они обладают рядом недостатков, основными из которых являются:

1) ограниченный срок службы, связанный с наличием в компрессоре движущихся частей, подвергающихся износу, и использованием в качестве хладоагента легколетучей, вызывающей коррозию жидкости — фреона;

2) относительная сложность изготовления компрессионного агрегата, что влечет за собой его высокую стоимость;

3) большой вес и габариты компрессора, что вызывает необходимость увеличения размеров холодильного шкафа.

Основным недостатком холодильников, использующих абсорбционный принцип, является их неэкономичность из-за большого потребления электроэнергии.

Уже в самом начале развития техники термоэлектрического охлаждения возникла идея создания термоэлектрического бытового холодильника. Первые работы в этой области относятся к 1951 г. В последующие годы в Институте полупроводников АН СССР было разработано несколько образцов термоэлектрических холодильников с водяным и воздушным съемом тепла с горячих спаев термоэлектрической батареи. Проблема теплосъема в термоэлектрических бытовых холодильниках приобретает особую важность в связи с тем, что на горячих спаях термобатареи выделяется большое количество тепла, которое необходимо эффективно убрать. Системы отвода тепла посредством проточной

воды не нашли применения из-за больших эксплуатационных неудобств, связанных с необходимостью круглосуточной подачи воды в холодильник.

В 1955 и 1956 гг. были разработаны опытные образцы бытовых термоэлектрических холодильников с воздушным отводом тепла на систему радиаторов. Однако, несмотря на ряд бесспорных преимуществ, эти холодильники также не получили распространения из-за незначительного объема рабочей камеры (40 л).

В 1957 г. на основании использования опыта предшествующих разработок была создана модель бытового термоэлектрического холодильника большого объема со съемом тепла от термобатареи системой воздушных радиаторов.

Рис. 149. Зависимость холодильного коэффициента от объема рабочей камеры для различных типов домашних холодильников: компрессионных (1), полупроводниковых (2), абсорбционных _(3).

Этот холодильник по своим эксплуатационным и теплотехническим данным уже приближался к уровню современных холодильников абсорбционного типа.

Анализ работы ряда отечественных и иностранных компрессионных и абсорбционных бытовых холодильников, проведенный

В. А. Найером, показал, что при объеме рабочей камеры менее термоэлектрические холодильники, собранные на полупроводниковых веществах, имеющих обладают более высоким холодильным коэффициентом, чем компрессионные холодильники. При объемах рабочей камеры до термоэлектрические холодильники по своей экономичности могут превосходить холодильники абсорбционного типа, но уступают компрессионным холодильникам (рис. 149).

Однако простота конструкции, отсутствие движущихся частей и вызывающих коррозию веществ, что создает практически неограниченный срок службы, незначительная стоимость при массовом

производстве уже сейчас делают термоэлектрический бытовой холодильник серьезным конкурентом холодильникам абсорбционного и компрессионного типов. Безусловно, с улучшением добротности полупроводниковых веществ будут создаваться все более экономичные модели, которые в конечном счете вытеснят все другие типы бытовых холодильников. В связи с этим выяснение вопросов конструкции и технологии изготовления, а также получение полных эксплуатационных данных термоэлектрических холодильников является весьма актуальным и своевременным.

Рис. 150. Разрез термоэлектрического домашнего холодильника образца 1957 г. Термоэлектрический холодильник образца 1957 г. создан на основе стандартного шкафа холодильника Ока», в котором толщина тепловой изоляции увеличена до В качестве теплоизоляционного материала использована мипора. В соответствии с увеличением теплоизоляции внутренний объем холодильной камеры оказался равным

Внутренняя камера холодильника горизонтальной перегородкой разделена на две части — верхнюю и нижнюю (рис. 150). В верхней камере температура понижается до 3—5°, что вполне достаточно для хранения таких продуктов, как масло, вино, молоко, фрукты и др. В нижней камере температура понижается до что обеспечивает хранение мяса, колбас и других мясных продуктов. Для уменьшения потерь холода при открывании дверцы холодильника нижняя камера снабжена дополнительной дверцей, которая открывается при необходимости доступа в эту камеру.

Конструктивное выполнение воздушных радиаторов потребовало расположения термоэлементов в нижней части холодильного шкафа, а радиаторов — вдоль всей задней стенки холодильника. Поскольку естественный конвекционный обмен воздуха во внутренней камере холодильника незначителен, выравнивание

температуры между нижней и верхней камерами в значительной степени определяется теплопроводностью алюминия, из которого изготовлена внутренняя камера.

Ранние конструкции термоэлектрических бытовых холодильников с воздушным теплосъемом имели термобатареи, состоящие из нескольких сот термоэлементов, для создания которых требовался большой расход дефицитных полупроводниковых материалов. Термоэлектрические батареи этих холодильников представляли собой единый блок, в котором выход из строя даже одного термоэлемента требовал капитального ремонта всей батареи.

Рис. 151. Узел термоэлемента домашнего холодильника образца 1957 г.

В описываемом холодильнике требуемая холодопроизводительность обеспечивается всего 45 термоэлементами. Термоэлементы (рис. 151) выполнены в виде отдельных узлов, состоящих из полупроводниковых сплавов электронной и дырочной проводимости 1 и 2, медных теплопроводов 3, горячих радиаторов 4 и холодных радиаторов 5. Отдельный холодильный элемент обладает холодопроизводительностыо около Конструкция термоэлемента полностью исключает паразитные потери тепла между холодными и горячими радиаторами, что обеспечивается непосредственными пайками всего узла в местах Такая конструкция термоэлемента позволяет производить проверку качества и смену отдельных элементов независимо от остальных, что весьма важно при проверке термоэлектрической батареи в процессе ее сборки и при возможных ремонтах в эксплуатационных условиях. При сборке холодильника отдельные термоэлементы вставляются в соответствующие гнезда, имеющиеся в задней стенке камеры, на которой предварительно укрепляются расположенные веерообразно воздушные радиаторы. Пайка термоэлементов к горячим и холодным ребрам радиаторов осуществляется специальными легкоплавкими припоями.

Электрическое питание холодильник получает от выпрямителя, смонтированного в нижней части холодильного шкафа. Величина оптимального тока, которому соответствует максимальная холодопроизводительность, равна 25 а; при этом падение напряжения на термоэлектрической батарее составляет 3.3 в. Выпрямитель собран на двух германиевых диодах включенных по двухполупериодной схеме.

Германиевые диоды требуют воздушного охлаждения, что обеспечивается естественной конвекцией воздуха в блоке выпрямителя. При к. п. д. выпрямителя 80—85% потребление электроэнергии холодильником от сети переменного тока равно На рис. 152 приведен общий вид холодильника.

В 1959-1961 гг. И. В. Зориным, В. П. Рыбальченко и А. Г. Щербиной были разработаны три типа термоэлектрических бытовых холодильников под марками «Айсберг-1», «Айсберг-2» и «Айсберг-3». Эти холодильники имеют рабочую камеру от 90 («Айсберг-1») до («Айсберг-3). Съем тепла от термоэлектрической батареи во всех трех типах осуществляется системой воздушных радиаторов, расположенных на задней стенке холодильного шкафа. В отличие от описанного холодильника модели 1957 г. в холодильниках «Айсберг» система воздушных радиаторов вместо имеет площадь За счет более тесного расположения радиаторных ребер и уменьшения толщины ребра с 2 до удалось значительно сократить габариты радиаторной системы. Если в холодильнике образца 1957 г. радиаторная система располагалась вдоль всей задней стенки холодильного шкафа, то в холодильниках «Айсберг» радиаторы занимают только 74 часть задней стенки. Для улучшения теплообмена между ребрами и окружающим воздухом радиаторная система с боков заключена в специальный вентиляционный кожух из пенопласта. Наличие кожуха создает дополнительный конвекционный поток воздуха вдоль ребер, в результате чего температура радиатора дополнительно понизилась на 3—4°.

Рис. 152. Общий вид домашнего холодильника образца 1957 г.

Благодаря более рациональной системе отвода тепла термоэлектрическую батарею удалось расположить в верхней части рабочей камеры холодильника, что вызвало более равномерное распределение температуры в рабочем объеме. В холодильниках типа «Айсберг» использованы термоэлементы меньшего размера,

в результате чего расход полупроводникового вещества снизился до на всю термобатарею.

Напряжение питания термобатареи холодильников «Айсберг» 3.3 в при токе 26 а. Выпрямитель для питания термоэлектрической батареи собран по двухполупериодной схеме на германиевых диодах Для сглаживания пульсации выпрямленного тока служит дроссель, смонтированный в блоке выпрямителя. Выпрямитель во всех типах холодильников «Айсберг» располагается в нижней части холодильного шкафа. При к. п. д. выпрямителя, равном 80%, потребляемая холодильником мощность от сети переменного тока равна

Критически анализируя общепринятые требования, которые предъявляются к домашним холодильникам любого типа, автор пришел к следующим выводам.

1. Температурный режим, который должен создаваться в рабочей камере холодильника, установлен согласно утверждению, что холодильник предназначен для хранения продуктов. Исходя из этого, было установлено, что для хранения мяса, свежей рыбы, битой птицы, икры и копченостей необходима температура Температура хранения сливочного и топленого масла, сала, сметаны и творога установлена от до 4°. Овощи и фрукты должны храниться при температуре 3—7°. Величины указанных температур не вызывают сомнения, однако фактически повсеместно домашние холодильники используются не для длительного хранения продуктов, а для их временного содержания. Действительно, в подавляющем большинстве случаев тот или иной пищевой продукт находится в холодильнике 1— 2 дня. В редких случаях 2—3 дня. При столь непродолжительных сроках содержания, например, мясные продукры могут совершенно безболезненно находиться не при а при температуре Те же самые рассуждения относятся к температуре кратковременного содержания других продуктов, которая может быть повышена до Следует отметить, что практически все выпускаемые промышленностью холодильники как компрессионного, так и абсорбционного типа фактически немного замораживают, продукты, чем ухудшают их питательные и вкусовые свойства.

2. «Морозильное отделение» любого холодильника, где температура понижается до практически никогда не используется.

Если согласиться со справедливостью приведенных доводов, можно под новым углом зрения рассмотреть требования, предъявленные к термоэлектрическим домашним холодильникам. Температуры в внизу -литровой камеры и в верхней части камеры можно получить в хлодильнике, термобатарея которого потребляет по постоянному току Учитывая к. п. д. выпрямителя, холодильник будет потреблять от

сети 50-55 вт. Такой термоэлектрический холодильник в два раза экономичнее абсорбционных холодильников типа «Ленинград» и по энергопотреблению станет наравне с большинством компрессионных холодильников. Если учесть, что при этом остаются в силе все перечисленные выше преимущества термоэлектрических холодильников (простота конструкции, большой срок службы, бесшумность работы, незначительная стоимость и др.), то станет очевидным бесспорное достоинство этих холодильников уже при существующей добротности полупроводниковых веществ. Со временем, по мере возрастания величины термоэлектрических материалов, полупроводниковые холодильники будут все дальше оставлять позади себя домашние холодильники всех других типов.

Для проверки высказанных выше соображений в конце 1965 г. в Институте полупроводников АН СССР был изготовлен холодильник, рассчитанный на создание указанного выше температурного режима в рабочей камере. В основу конструкции был взят шкаф от холодильника «Днепр». Внутренняя камера объемом была изготовлена из алюминия. Толщина слоя изоляции из мипоры была Термоэлектрическая батарея холодильника состояла из 15 термоэлементов, установленных в один ряд в нижней части холодильной камеры. Конструкция термоэлементов не отличается от описанной выше и использованной в холодильнике образца 1957 г. Выпрямитель для питания термобатареи собран по двухполупериодной схеме с силовыми вентилями в плечах. Фильтрация выпрямленного тока осуществляется дросселем. Выпрямитель холодильника расположен в нижней части шкафа на месте, ранее занимаемом компрессионным агрегатом. Теплоотвод от горячих спаев термобатареи осуществляется системой радиаторов, расположенных на задней стенке шкафа. Внутри рабочей камеры находится система холодных радиаторных пластин, непосредственно припаянных к теплопроводам термоэлементов. Последовательное соединение термоэлементов осуществляется непосредственно системой радиаторных пластин с горячей стороны термобатареи. Для улучшения теплообмена с окружающей средой радиаторная система горячих спаев заключена в кожух из декоративной пластмассы, создающий преимущественное, движение воздуха вдоль пластин. Радиаторные пластины изготовлены из меди толщиной что привело к практическому отсутствию паразитного перепада температур вдоль ребра. Расстояние между ребрами при длине и ширине ребра соответственно. Несмотря на относительно небольшие размеры, температура ребра лишь на 5° превышает температуру окружающего воздуха.

Основные данные холодильника следующие.

(см. скан)

(см. скан)

Как видно из приведенных параметров, термоэлектрический холодильник со «смягченным» тепловым режимом по основному параметру — расходу мощности на 1 литр объема рабочей камеры, превосходит не только абсорбционные холодильники типа «Ленинград» и «Газоаппарат», но и многие компрессиойные холодильники, приближаясь по этому параметру к холодильнику «ЗИЛ» (0.42 вт/л).

В настоящее время описанный холодильник находится в опытной эксплуатации.