СИСТЕМА ЛОКАЛЬНОГО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ САЛОНА АВТОМОБИЛЯ Российский патент 1999 года по МПК B60H1/32 F25B21/04 H01L23/427 H01L35/30 

Предлагаемое техническое решение относится к средствам кондиционирования воздуха, преимущественно к кондиционерам для салонов транспортных средств.

Известен кондиционер, установленный на транспортном средстве (см. патент US N 4440212 НКИ 165-12, опублик. 1984, патентовладелец - Nissan Motor Company, Limited), содержащий воздуховод, с одной стороны которого находится отверстие для впуска воздуха; вентиляционное и нижнее выпускные отверстия, расположенные вверху и внизу с другой стороны воздуховода; вентилятор, предназначенный для нагнетания воздуха от впускного отверстия; испаритель, расположенный за вентилятором, предназначенный для охлаждения воздуха, нагнетаемого вентилятором; обогреватель, расположенный за испарителем, имеющий обводной канал, находящийся над обогревателем, необходимый для байпасирования части воздуха, прошедшего через испаритель; воздухосмесительную заслонку, установленную перед обогревателем, которая в полностью закрытом положении закрывает обогреватель и предназначена для регулирования расхода воздуха, проходящего через обогреватель; воздухосмесительную камеру, расположенную за обогревателем и обводным каналом, в которой происходит смешивание воздуха, охлаждаемого испарителем, прошедший через обводной канал к заслонке с воздухом, нагретым обогревателем, в соотношении, соответствующим углу установки, с тем, чтобы через вентиляционное отверстие выходила большая часть охлажденного воздуха, а большая часть теплового воздуха выходила через нижнее выпускное отверстие дефростера, которое соединено с нижним выпускным отверстием.

Известен автомобильный кондиционер (см. патент US 5333679 НКИ 165-43, опублик. 1994, патентовладелец - Kabushiki Kaisha Toyoda Iidishokki Seisakusho, Aichi, Japan), содержащий компрессор перекачки хладагента, приводимый гидромотором, причем горячая вода поступает в теплообменник из системы охлаждения двигателя автомобиля, а холодная вода движется последовательно в конденсатор и дальше в испаритель, мотор компрессора связан с гидронасосом, приводимый от двигателя автомобиля, причем потоки жидкости регулируются клапанами.

2/3 легковых автомобилей в мире выпускаются с системой кондиционирования воздуха, причем в US и IP каждый легковой автомобиль работает с системой кондиционирования. С 1995 г. применение вредного хладагента типа FCKW в новых разработках систем кондиционирования запрещено, однако хладагенты типа R12, R134 и R134a продолжают использоваться, которые оказывают разрушающее действие на озоновый слой Земли, так как потеря хлора составляет выше 40%, что обусловлено не только конструктивными дефектами, но и повреждениями, а также работами по ремонту и обслуживанию.

Кроме того, работа кондиционера взаимосвязана с работой двигателя транспортного средства, что обусловлено дополнительным потреблением горючего, нарушением экологии в районе автотрассы или при парковке транспортного средства.

Наиболее перспективное применение находят кондиционеры на основе термоэлектрических преобразователей, основанные на эффекте Пельтье (I. Peltier).

Известна система охлаждения и нагрева текучей среды в пассажирском помещении транспортного средства (см. патент US N 4280330 НКИ 62-3, опублик. 1981, патентовладелец - Verdell Hearris Brooklyn, NY), содержащая электрический источник напряжения, подключаемый к нему по меньшей мере один термоэлектрический элемент, имеющий охлаждающую и нагреваемую первую поверхность, находящуюся в тепловом контакте обрабатываемой текучей средой, и соответственно нагреваемую и охлаждаемую вторую поверхность, и устройство для подвода обрабатываемой среды к первой поверхности и отвода обработанной текучей среды от нее.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является система охлаждения и нагрева текучей среды (см. патент RU N 2078697 МПК B 60 H 03/00, опублик. 1997, патентовладелец - В.И. Миронов и группа авторов) преимущественно воздуха, в помещении транспортного средства, содержащая электрический источник напряжения, подключенный к термоэлектрическому преобразователю на основе эффекта Пельтье с переключателем полярности питающего напряжения для двух режимов работы (штатный и реверсный) и имеющий первую и вторую теплообменные поверхности, а также средство для подвода текучей среды к первой теплообменной поверхности, находящуюся в тепловом контакте с текучей средой и отвода обработанной текучей среды от нее, и средство для отвода тепла от второй поверхности при штатном режиме работы и подвода тепла к ней при реверсном режиме работы, выполненного в виде теплового аккумулятора, находящего в тепловом контакте с второй поверхностью термоэлектрического преобразователя на основе эффекта Пельтье.

Недостатком известного технического решения является недостаточная теплопроводность теплового аккумулятора.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении эффективности работы и расширении функциональных возможностей за счет снижения общего энергопотребления и массогабаритных характеристик путем применения оптимальной комбинации термоэлектрического преобразователя на основе эффекта Пельтье, тепловой трубы и радиаторов теплообмеников и с функционированием системы при парковке автомобиля за счет применения солнечной батареи для подзарядки аккумулятора автомобиля, обеспечения работоспособности водителя в различных климатических условиях, а также повышения уровня комфорта, как водителю так и пассажирам с уменьшением уровня шума в зоне потребления.

Широкие функциональные возможности достигаются тем, что система локального кондиционирования салона автомобиля содержит электрический источник напряжения, подключенный к термоэлектрическому преобразователю на основе эффекта Пельтье, с переключателем полярности питающего напряжения для штатного и реверсных режимов работы и имеющий первую и вторую теплообменные поверхности, а также средство для повода текучей среды к первой теплообменной поверхности, находящуюся в тепловом контакте с текучей средой и отвода обработанной текучей среды от нее, и средство для отвода тепла от второй теплообменной поверхности при штатном режиме работы и подвода тепла к ней при реверсном режиме работы, причем средство для подвода текучей среды к первой теплообменной поверхности термоэлектрического преобразователя на основе эффекта Пельтье и отвода обработанной текучей среды от нее, выполненное в виде первого оптимальной конфигурации воздуховода внешней части системы с первым теплообменником, нагнетающего первого вентилятора и выходного патрубка с салоном автомобиля, реализованного в виде регулируемого воздушного потока дефлектора для подачи воздуха в зону лица водителя и каждого пассажира автомобиля, а также поворотная заслонка для изменения направления воздухозабора к термоэлектрическому преобразователю на основе эффекта Пельтье как из окружающей среды, так и из салона автомобиля и средство для отвода тепла от второй теплообменной поверхности при штатном режиме работы и подвода тепла к ней при реверсном режиме работы, выполненное в виде первой тепловой трубы, каждый конец которой соответственно находится в тепловом контакте со второй поверхностью термоэлектрического преобразователя на основе эффекта Пельтье и со вторым теплообменником, причем второй воздуховод внешней части системы связан через нагнетающий второй вентилятор со вторым теплообменником и выходным патрубком в окружающую среду, кроме того, первый теплообменник выполнен в виде набора n тонких дисков толщиной h с m радиально расположенных отверстий, с шагом l и диаметром d = 1,5 h, причем по радиальным направлениям диски смещены на угол α/2 относительно друг друга и установлены через кольцевые шайбы толщиной h, обеспечивающие тепловой контакт с первым теплообменником и первой теплообменной поверхностью термоэлектрического преобразователя на основе эффекта Пельтье, причем первый теплообменник для природных зон с высокой влажностью выполнен в виде, как минимум, либо двухзаходного винтовой поверхности радиатора, либо спиральных пластин, один конец которых находится в тепловом контакте с первой теплообменной поверхностью термоэлектрического преобразователя на основе эффекта Пельтье, а второй теплообменник выполнен либо в виде стандартного профиля радиаторного сегмента, либо из двух тепловых труб с оребрением, причем пластины оребрения радиаторов первого и второго теплообменников выполнены из сетки высокотеплопроводного материала, в качестве электрического источника напряжения при парковке автомобиля используется солнечная батарея, расположенная на автомобиле и подключенная через преобразователь к аккумуляторной батарее автомобиля и связанная с первым и вторым вентилятором и термоэлектрическим преобразователем на основе эффекта Пельтье.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в использовании оптимальной эффективной теплопроводности тепловой трубы, что позволяет использовать ее функции в режиме охлаждения (штатный режим) при незначительном температурном напоре и как теплопровода (по утолщенным стенкам трубы) в режиме нагрева (реверсный режим) с пониженным вдвое относительно штатного режима энергопотреблением термоэлектрического преобразователя; использование оптимальной конфигурации внешнего и внутреннего теплообменников и воздухопроводов к ним. Кроме того, предлагаемая система позволяет осуществить создание искусственного климата (системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) одновременно в едином циркуляционном цикле с улучшенными факторами комфортабельности, при численных значениях, равных 5, обусловленных тепловым состоянием организма человека при определенном содержании и распространении теплоты в поверхностных и глубоких тканях тела человека (зона головы), находящегося в салоне автомобиля с резкими изменениями климатических условий в окружающей среде, при минимальной функциональной нагрузке на систему терморегулирования.

Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.

Конструкция системы кондиционирования салона автомобиля пояснена чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид системы, а на фиг. 2 - схема теплообменников, на фиг. 3 - электрическая схема системы.

Система локального кондиционирования салона автомобиля содержит электрический источник напряжения (аккумуляторная батарея) 1, термоэлектрический преобразователь на основе эффекта Пельтье 2, первая и вторая поверхности термоэлектрического преобразователя 3 и 4, переключатель полярности питающего напряжения для штатного и реверсного режимов работы 5, первый воздуховод 6, первый вентилятор 7, первый теплообменник 8, диски 9, кольцевые шайбы 10, дефлектор 11, поворотная заслонка 12, первая тепловая труба 13, второй воздуховод 14, второй вентилятор 15, второй теплообменник 16, выходной патрубок 17, стандартный Ж-образный профиль теплообменника 18, вторая и третья тепловые трубы с оребрением 19, 20, солнечная батарея 21, блок распределения и управления питанием 22, регулятор температуры 23, двухзаходная винтовая поверхность 24, спиральная пластина 25.

Термоэлектрический преобразователь 2 обеспечивает эффективное теплопоглощение и теплорассеивание на первой и второй теплообменных поверхностях 3 и 4, причем предусмотрена электрическая изоляция между ними в виде изолирующей мембраны. Металлические поверхности 3, 4 выполнены с высоким коэффициентом теплопроводности и заданной механической прочностью.

Управление режимами работы термоэлектрического преобразователя 2 осуществляется с помощью переключателя полярности питающего напряжения 5.

Температурный градиент термоэлектрического преобразователя 2 предлагаемого технического решения составляет порядка 30K, причем температурный градиент между вторым теплообменником 16 и окружающей средой - порядка 10K.

Первая теплообменная поверхность 3 термоэлектрического преобразователя 2 находится в тепловом контакте с первым теплообменником 8, выполненным в виде набора n тонких дисков 9 толщиной h с m радиально расположенных отверстий, с шагом l и диаметром d = 1,5 h, причем по радиальным направлениям диски смещены на угол α/2 относительно друг друга и установлены через кольцевые шайбы 10 толщиной h, обеспечивающие тепловой контакт с первым теплообменником 8 и поверхностью термоэлектрического преобразователя 2.

Вторая теплообменная поверхность 4 термоэлектрического преобразователя 2 находится в тепловом контакте с первой тепловой трубой 13, реализованной в виде тепловой трубы из сплава алюминия АМг6, имеющей длину, равную 250 м, при внутреннем диаметре 16 мм и толщине стенок 1,5 мм, с внутренней трубой диаметром 6 мм, выполняющей роль капиллярной структуры с длиной зоны испарения и конденсации по 60 мм, рабочая жидкость - аммиак.

Термическое сопротивление первой тепловой трубы 13 составляет порядка 0,05 K/Вт, а тепловая мощность, передаваемая первой тепловой трубой 13, - порядка 250 Вт.

В зоне испарения первая тепловая труба 13 имеет специальную площадку размером 30х60 мм для крепления со второй теплообменной поверхностью термоэлектрического преобразователя 2.

В зоне конденсации первая тепловая труба 13 соединяется с вторым теплообменником 16 длиной 250 мм, имеющим специальный профиль оребрения, общей площадью 0,11 мм².

Для повышения эффективности теплообмена для различных режимов движения автомобиля, снижения массогабаритных параметров второго теплообменника 16 он может быть выполнен в виде двух тепловых труб 19, 20, конструкция которых аналогична первой тепловой трубе 13, с оребрением в виде спиральной сетчатой поверхности.

Конструкция дефлектора 11 должна иметь минимальное аэродинамическое сопротивление и соответствовать по форме и цвету конкретного транспортного средства, причем он может быть выполнен из неметаллических материалов.

Термоэлектрический преобразователь 2 через переключатель полярности питающего напряжения для штатного и реверсного режимов работы 5 подключается к блоку распределения и управления питанием 22, который обеспечивает питание либо от аккумуляторной батареи 1 автомобиля, либо от солнечных батарей 21, подачу напряжения на первый и второй вентиляторы 7, 15, а также управляет температурой воздуха на выходе дефлектора 11 регулятором температуры 23.

Габаритные размеры предлагаемого технического решения в салоне автомобиля составляют в диаметре порядка 150 мм, длиной порядка 160 мм, а радиатор второго теплообменника 250х80х90 мм.

Система функционирует в следующих режимах:
- обдув охлажденным воздухом - штатный режим;
- обдув теплым воздухом - реверсный режим;
- работа системы на стоянке автомобиля при выключенном двигателе - дежурный режим с электропитанием системы от панелей солнечных батарей, для поддержания комфортной температуры в салоне автомобиля.

Штатный режим работы.

Забор атмосферного воздуха осуществляется через первый воздуховод 6 путем всасывания первым вентилятором 7 и направления воздуха через первый теплообменник 8, находящийся в тепловом контакте с первой поверхностью термоэлектрического преобразователя (холодная пластина) 3 и далее через дефлектор 11, регулирующий поток воздуха в зону потребления (зона лица водителя и пассажиров). Салон наполняется охлажденным воздухом.

Вторая поверхность термоэлектрического преобразователя (горячая пластина) 4 находится в тепловом контакте первым концом с первой тепловой трубой 13, а вторым концом со вторым теплообменником 16.

Забор атмосферного воздуха осуществляется через второй воздуховод 14 путем всасывания вторым вентилятором 15 и направления воздуха через второй теплообменник 16 в выходной патрубок 17.

Для снижения электропитания системы при движении транспортного средства первый и второй вентиляторы 7, 15 могут выключаться.

Реверсный режим работы.

Забор атмосферного воздуха осуществляется через первый и второй воздуховоды 6, 14 также, как и в штатном режиме, однако первая поверхность термоэлектрического преобразователя 3 при изменении полярности напряжения переключателя 5 становится горячей пластиной и салон наполняется горячим воздухом.

Вторая поверхность термоэлектрического преобразователя (холодная пластина) 4 находится в тепловом контакте первым концом с первой тепловой трубой 13, а вторым концом со вторым теплообменником 16, причем тепловая труба 13, выполненная с утолщенными стенками, обеспечивает теплообмен между второй поверхностью 4 термоэлектрического преобразователя 2 с внешней средой.

Дежурный режим работы.

При парковке автомобиля, при неработающем двигателе, панель солнечных батарей 21 подключена согласно электрической схемы на фиг. 3 для подзарядки аккумуляторной батареи автомобиля, что обеспечивает возможность функционирования системы и поддержания комфортной температуры в салоне автомобиля. Дополнительно в системе предусмотрена возможность осуществить подачу воздуха, вместо наружного с температурой T_нар, из салона с температурой T_внут с помощью поворотной заслонки 12.

Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом позволяет повысить эффективность работы, расширить функциональные возможности системы за счет снижения общего энергопотребления и уменьшения массогабаритных характеристик и осуществить индивидуальный подвод и регулирование воздушного потока, обеспечивающий необходимые параметры микроклимата внутри салона для повышения работоспособности, хорошего самочувствия, минимальной утомляемости, быстрого восстановления сил.

Изобретение относится к средствам кондиционирования воздуха, преимущественно к кондиционерам салонов транспортных средств. Система кондиционирования содержит термоэлектрический преобразователь на основе эффекта Пельтье с двумя теплообменными поверхностями и два воздуховода внешней части системы. В первом воздуховоде установлены поворотная заслонка, первый теплообменник, первый нагнетающий вентилятор и дефлектор. Во втором воздуховоде расположен второй теплообменник и второй нагнетающий вентилятор. Первая теплообменная поверхность термоэлектрического преобразователя находится в тепловом контакте с первым теплообменником, а вторая - с первым концом тепловой трубы. Второй конец тепловой трубы находится в тепловом контакте со вторым теплообменником. Термоэлектрический преобразователь подключен к аккумуляторной батарее через переключатель полярности питающего напряжения и блок распределения и управления питанием. В качестве электрического источника напряжения при парковке автомобиля используется солнечная батарея, расположенная на автомобиле. Система содержит регулятор температуры. Варианты выполнения теплообменников позволяют использовать систему кондиционирования в различных климатических зонах. Такое конструктивное выполнение позволяет уменьшить общее энергопотребление, массогабаритные характеристики и уровень шума в зоне потребления, что повышает эффективность работы кондиционера и уровень комфорта в салоне при различных климатических условиях. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система локального кондиционирования салона автомобиля, содержащая электрический источник напряжения, подключенный к термоэлектрическому преобразователю на основе эффекта Пельтье с переключателем полярности питающего напряжения для штатного и реверсного режимов работы и имеющий первую и вторую теплообменные поверхности, а также средство для подвода текучей среды к первой теплообменной поверхности, находящейся в тепловом контакте с текучей средой, и отвода обработанной текучей среды от нее, и средство для отвода тепла от второй теплообменной поверхности при штатном режиме работы и подвода тепла к ней при реверсном режиме работы, а также регулятор температуры, отличающаяся тем, что средство для подвода текучей среды к первой теплообменной поверхности термоэлектрического преобразователя на основе эффекта Пельтье и отвода обработанной текучей среды от нее выполнено в виде первого воздуховода внешней части системы с первым теплообменником, нагнетающего первого вентилятора и выходного патрубка в салоне автомобиля, реализованного в виде дефлектора для подачи воздуха в зону лица водителя и каждого пассажира автомобиля, и поворотной заслонки для изменения направления воздухозабора к термоэлектрическому преобразователю на основе эффекта Пельтье как из окружающей среды, так и из салона автомобиля, а средство для отвода тепла от второй теплообменной поверхности при штатном режиме работы и подвода тепла к ней при реверсном режиме работы выполнено в виде первой тепловой трубы, каждый конец которой соответственно находится в тепловом контакте со второй поверхностью термоэлектрического преобразователя на основе эффекта Пельтье и со вторым теплообменником, причем второй воздуховод внешней части системы связан через нагнетающий второй вентилятор со вторым теплообменником и выходным патрубком в атмосферу окружающей среды. 2. Система локального кондиционирования салона автомобиля по п.1, отличающаяся тем, что первый теплообменник выполнен в виде набора n тонких дисков толщиной h с m радиально расположенными отверстиями, с шагом l и диаметром d = 1,5h, причем по радиальным направлениям диски смещены на угол α/2 относительно друг друга и установлены через кольцевые шайбы толщиной h, обеспечивающие тепловой контакт с первым теплообменником и поверхностью термоэлектрического преобразователя на основе эффекта Пельтье. 3. Система локального кондиционирования салона автомобиля по п.1, отличающаяся тем, что первый теплообменник для природных зон с высокой влажностью выполнен в виде, как минимум, двухзаходной винтовой поверхности радиатора. 4. Система локального кондиционирования салона автомобиля по п.1, отличающаяся тем, что первый теплообменник выполнен в виде спиральных пластин, один конец которых находится в тепловом контакте с первой поверхностью термоэлектрического преобразователя на основе эффекта Пельтье. 5. Система локального кондиционирования салона автомобиля по п.1, отличающаяся тем, что второй теплообменник выполнен в виде стандартного профиля радиаторного сегмента. 6. Система локального кондиционирования салона автомобиля по п.1, отличающаяся тем, что второй теплообменник выполнен, как минимум, из двух тепловых труб с оребрением. 7. Система локального кондиционирования салона автомобиля по п.4, отличающаяся тем, что пластины теплообменника выполнены из сетки высокотеплопроводного материала. 8. Система локального кондиционирования салона автомобиля по п.1, отличающаяся тем, что в качестве электрического источника напряжения при парковке автомобиля используется солнечная батарея, расположенная на автомобиле и подключенная через преобразователь к аккумуляторной батарее автомобиля и связанная с первым и вторым вентиляторами и термоэлектрическим преобразователем на основе эффекта Пельтье.