ОБОГРЕВАТЕЛЬ ВОЗДУХА САЛОНА ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА Российский патент 2009 года по МПК F24H3/04 

Изобретение относится к классу оборудования для отопления и нагрева воздуха, а также поддержания на заданном уровне температур внутри закрытых объемов. Может быть использовано для изготовления обогревателей, размещаемых в городском электротранспорте - в салонах трамваев, троллейбусов и вагонах электропоездов.

Известно устройство для нагрева воздуха [авторское свидетельство SU №302852], состоящее из полого корпуса с размещенными в нем нагревательными элементами и валом с крыльчатками на обоих концах. Одна из крыльчаток расположена в сопловом аппарате, примыкающем к корпусу.

Известен также воздухоподогреватель [авторское свидетельство SU №1767300], который содержит цилиндрический корпус с входным и выходным проемами, в полости которого размещены по ходу потока крыльчатка вентилятора, соединенная с приводом вращения, и нагревательные элементы. Причем последние соединены с крыльчаткой последовательно. Соосно с корпусом и с зазором относительно него установлен между приводом вращения и крыльчаткой вентилятора отражатель потока чашеобразной формы, который образует входной проем. Воздухоподогреватель имеет основание, на котором закреплен привод вращения. Отражатель потока имеет ручку. К днищу отражателя с внутренней стороны посредством болтов через втулки прикреплен цилиндрический корпус с образованием зазоров для забора воздуха между днищем отражателя и боковыми стенками цилиндрического корпуса. При неправильном подключении воздухоподогревателя воздух засасывается в корпус через входной проем и нагревается. Горячий поток воздуха устремляется в обратном направлении. Благодаря отражателю поток воздуха изменяет свое направление и выходит через зазоры воздухозаборного устройства. Таким образом предотвращается сгорание привода. Это повышает надежность в эксплуатации и увеличивает срок службы. Эффективность воздухоподогревателя возрастает за счет того, что в процессе его работы наружная поверхность корпуса нагревается, холодный воздух, омывая наружную поверхность корпуса, охлаждает его и сам предварительно подогревается. Данный воздухоподогреватель повышает надежность и эффективность работы в сравнении с другими аналогичными приборами данного класса.

Известен также воздухонагреватель [патент RU №2072064], который содержит корпус с электродвигателем и крыльчатку с лопастями. Крыльчатка выполнена из термостойкого диэлектрического материала, а нагревательный элемент выполнен из электропроводного покрытия, размещенного на поверхностях лопастей.

Известны также различные воздухоподогреватели [авторские свидетельства SU №620755, №787815, №1523860, №1672153, патенты: RU №2008574, RU №2105250, RU №2124168, RU №2131092, RU №2241914, US №3176117, US №4398082]. Они, как правило, все содержат размещенные в корпусе электродвигатель, крыльчатку и нагревательный элемент.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является термоэлектровентилятор [авторское свидетельство SU №1645790]. Устройство содержит корпус, в проточной части которого размещены крыльчатка центробежного компрессора и нагреватель, выполненный в виде цилиндрической спирали, соединенный с крыльчаткой электродвигатель, размещенный в проточной части корпуса, выполненный в виде цилиндрической обечайки, заглушенной со стороны электродвигателя. Электродвигатель и нагреватель размещены по разные стороны крыльчатки.

В указанном изделии отсутствует необходимая электрическая изоляция для обеспечения в салоне электротранспорта электробезопасности, например, в виде двойной изоляции. Отсутствуют средства, исключающие проникновение из салона электротранспорта посторонних металлических предметов внутрь корпуса обогревателя к его токоведущим поверхностям. Оно характеризуется также достаточно высоким уровнем акустического давления и малой надежностью.

С развитием тенденции повышения комфортности транспортных средств и снижения с этой целью пола для удобства выхода и входа пассажиров и увеличения высоты салона задача размещения электрического обогревателя вне салона транспортного средства, что имело место в прошлые десятилетия, сменилась на задачу максимально удобного и безопасного размещения обогревателя внутри салона. В связи с этим важно сочетание таких параметров обогревателя в одной конструкции, как надежность, мощность, безопасность, компактность, низкий уровень акустического давления и высокий срок службы работы обогревателя одновременно.

Задачей заявляемого изобретения является разработка компактного мощного обогревателя воздуха салона электротранспорта при сохранении требований электробезопасности с пониженным уровнем акустического давления до 40 - 45 дБА и повышенным сроком службы обогревателя до нескольких десятков тысяч часов.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что обогреватель воздуха салона электротранспорта имеет корпус, в котором расположены: нагревательный блок, помещенный в электрически изолированный от корпуса кожух и выполненный в виде ряда электрически соединенных нагревательных элементов, закрепленных через изоляторы на держателях, блок подачи воздуха, выполненный в виде асинхронного электродвигателя, соединенного с крыльчаткой и формирователем воздушного потока, преобразователь постоянного напряжения бортовой сети электротранспорта в переменное напряжение питания асинхронного электродвигателя, в стенках корпуса выполнены отверстия для прохода воздушного потока, а в корпусе в торцевой близлежайшей к блоку подачи воздуха стенке (задней) выполнены вводы высокого и низкого питающего напряжений и выводы последовательно включенных термодатчиков системы защиты, установленных в кожухе нагревательного блока со стороны блока подачи воздуха.

Кроме того, обогреватель воздуха салона электротранспорта характеризуется тем, что преобразователь постоянного напряжения бортовой сети электротранспорта может быть закреплен изнутри в верхней части корпуса между задней стенкой и блоком подачи воздуха.

Заявляемый обогреватель воздуха салона электротранспорта характеризуется также тем, что выводы преобразователя постоянного напряжения бортовой сети электротранспорта в переменное напряжение электрически соединены с асинхронным двигателем, а вводы преобразователя постоянного напряжения электрически соединены с вводами питания.

Кроме того, заявляются усовершенствования обогревателя воздуха салона электротранспорта, у которого наряду с вышеназванными признаками, вторая торцевая стенка корпуса (передняя) выполнена в виде жалюзи из набора параллельно расположенных пластин, конфигурация которых в плоскости, перпендикулярной их длинной стороне, препятствует проникновению посторонних тел внутрь корпуса за счет двойных перегибов, описанных следующими соотношениями:

где l₁, l₂, l₃ - длины участков пластин, образующиеся в результате их перегиба, β-₁₂, β₂₃ - углы перегиба между первым и вторым, вторым и третьим участками соответственно, h - меньшее расстояние между одинаковыми участками соседних пластин, параллельных нижней стенке корпуса,

а в задней стенке корпуса отверстия для прохода воздушного потока организованы с помощью металлической сетки, размеры которой подчинены соотношению:

где К_пр - коэффициент прозрачности; S_отв- площадь отверстий в сетке; S_c - общая площадь сетки.

Кроме того, заявляется конкретное выполнение нагревательного блока обогревателя в виде ряда последовательно соединенных спиральных элементов через керамические изоляторы, причем геометрические размеры спиралей подчинены соотношению:

где D_спир. - диаметр спирали нагревательных элементов; Dнав. - диаметр навивки спирали;

I - величина заданного тока через спиральные нагревательные элементы в амперах.

Заявляется также наличие направляющих воздушного потока в виде зафиксированных закрылок на кожухе нагревательного блока со стороны, обращенной к крыльчатке, расположенных под углом α, образованным плоскостью закрылок и смежной продольной стенкой кожуха, ограниченным величинами:

Технический результат заявляемого изобретения. Решение проблемы максимального повышения комфортности пассажиров в салоне электротранспорта с пониженным уровнем пола, большей высотой и объемом салона в данной конструкции выражается такими техническими результатами, как существенное снижение уровня создаваемого им акустического давления и повышение электробезопасности. Важным техническим результатом является также значительное многократное повышение срока службы обогревателя до нескольких десятков тысяч часов. Вышеназванные преимущества являются следствием синергетического эффекта совокупности признаков изобретения. И высокий уровень акустического давления, и малый срок службы в существующих обогревателях транспортных средств связаны с использованием электродвигателей постоянного тока, запитываемых от низковольтной электрической сети транспортного средства. В данной конструкции, с одной стороны, удается снизить напор потока воздуха и соответственно мощность электродвигателя за счет снижения аэродинамического сопротивления нагревательного блока и обогревателя в целом, что достигается за счет отверстий в стенках и прозрачного выполненного из отдельных элементов нагревателя. С другой стороны, переход на низкошумные режимы с большой долговечностью обусловлен использованием вместо электродвигателя постоянного тока асинхронного электродвигателя переменного тока, что в свою очередь становится возможным за счет введения дополнительного элемента - преобразователя напряжения.

Технический результат усиливается также за счет ряда технических усовершенствований заявляемых элементов, в совокупности выраженных в формуле в зависимых пунктах. Так в целях дополнительной безопасности и исключения попадания посторонних предметов в корпус обогревателя предусмотрены жалюзи определенной конфигурации и отверстия в стенках корпуса обогревателя с определенной их формой, которые одновременно должны обеспечить задаваемую температуру нагрева воздуха в салоне и поддержание ее. Подобранные эмпирически и проверенные экспериментально размеры спиральных нагревательных элементов, металлической защитной сетки, жалюзи и направляющих воздушного потока, соединение вводов и выводов преобразователя напряжения с асинхронным двигателем и вводами питания обогревателя воздуха салона соответственно - технические приемы, обеспечивающие заявляемому обогревателю конкретные оптимальные работоспособные и оригинальные варианты, решающие поставленную задачу - разработку обогревателя воздуха для размещения внутри салона без создания неудобств и опасности для пассажиров.

Заявляемое изобретение поясняется с помощью фиг.1-3, на которых представлены: фиг.1 - общий вид заявляемого обогревателя; на фиг.2 - профиль пластин, входящих в жалюзи торцевой стенки обогревателя, соответствующий п.5 формулы изобретения; на фиг.3 - вид зависимости аэродинамического сопротивления от величины коэффициента прозрачности пластины, входящей в жалюзи и расположенной в плоскости, перпендикулярной направлению распространения воздушного потока.

1 - корпус,

2 - кожух,

3 - нагревательный блок,

4 - блок подачи воздуха,

5 - асинхронный электродвигатель,

6 - крыльчатка,

7 - формирователь воздушного потока,

8 - изоляторы кожуха,

9 - изоляторы нагревательных элементов,

10 - держатели,

11 - нагревательные элементы,

12 - жалюзи,

13 - преобразователь постоянного напряжения бортовой сети в переменное напряжение,

14 - вводы высокого и низкого питающих напряжений,

15 - термодатчики системы защиты,

16 - выводы термодатчиков системы защиты,

17 - отверстия,

18 - направляющие воздушного потока,

19 - металлическая сетка,

20 - внешние поверхности стенки корпуса.

Заявляемый обогреватель салона электротранспорта включает ряд блоков, помещенных в корпус 1. К ним относятся нагревательный блок 3, который выполнен в виде ряда электрически соединенных нагревательных элементов 11, закрепленных через изоляторы 9 на держателях 10, например на рамках. В частном случае электрически соединенные нагревательные элементы 11 могут быть выполнены в виде спиралей и соединены последовательно через керамические изоляторы 9. Нагревательный блок 3 помещен в кожух 2, который электрически изолирован от корпуса 1 обогревателя. Блок подачи воздуха 4 выполнен в виде асинхронного электродвигателя 5, приводящего в движение крыльчатку 6 и имеющего формирователь 7 воздушного потока. Кожух 2 нагревательного блока 3 со стороны, обращенной к крыльчатке 6, имеет направляющие 18 воздушного потока, выполненные, например, в виде зафиксированных закрылок. На корпусе 1 с его задней внешней поверхности 20 в области расположения крыльчатки 6, размещены вводы высокого и низкого питающего напряжений 14. Выводы 16 системы защиты последовательно включенных термодатчиков 15 размещены в кожухе 2 нагревательного блока 3 со стороны блока подачи воздуха 4. Внутри корпуса 1 размещен также преобразователь постоянного напряжения 13 бортовой сети электротранспорта в переменное напряжение питания асинхронного электродвигателя 5. Для прохода воздушного потока в стенках корпуса 1, за исключением дна, выполнены отверстия 17.

Для повышения эффективности работы обогревателя в задней стенке роль отверстий играет металлическая сетка 19 с высоким коэффициентом прозрачности. Рекомендуемая форма отверстий в торцевой стенке (передней) - например, в виде параллельно выполненных щелей в виде жалюзи 12 с соотношениями (1) и (2), предотвращающих попадание разных металлических предметов внутрь корпуса 1 обогревателя, а также с нижней части салона, с пола салона транспортного средства, в том числе и во время его обработки, очистки и мытья. В стенках корпуса 1 рекомендуется, как правило, выполнять отверстия 17, например, в виде системы рядов, сдвинутых к задней стороне корпуса 1 ближе к месту расположения блока подачи воздуха 4.

В целях наиболее эффективного обогрева салона электротранспорта и обеспечения заданного тока и мощности конструктивные составляющие элементов нагревательного блока 3 - диаметр спирали нагревательных элементов 11 D_спир, диаметр навивки спиралей D_нав, а также диаметры отверстий 17 для движения воздушного потока, соотношения геометрических размеров и углов наклона жалюзи, углы наклона направляющих 18 воздушного потока должны соответствовать заданным соотношениям. Они рассчитаны для оптимальных режимов [см. математические выражения (4) и (5) в тексте описания и в формуле изобретения], отрабатывались эмпирически на практике и скорректированы до выражений, заявленных в данных материалах заявки. В работе заявляемого обогревателя задействован асинхронный электродвигатель 5 переменного тока.

Обогреватель воздуха салона электротранспорта работает следующим образом. При подаче напряжения от сети электродвигатель 5 приводит во вращение крыльчатку 6 и с помощью формирователя 7 создает воздушный поток с требуемыми аэродинамическими параметрами. Одновременно подается напряжение на нагревательный блок 3, при этом повышается температура нагревательных элементов 11, а образующееся тепло снимается организованным воздушным потоком. В задней стенке корпуса 1 отверстия 17 осуществлены, например, с помощью металлической сетки 19, размеры которой подчинены соотношению (3).

При включении обогревателя воздуха салона электротранспорта указанной конструкции в схему электропитания транспортного средства трамвая, троллейбуса, вагона электропоезда на низковольтные вводы питания 14 обогревателя подается постоянное напряжение 28 В, а на высоковольтные вводы 14 - постоянное напряжение 550 В. Напряжение 28 В (или 550 В) в схеме обогревателя поступает на преобразователь 13 постоянного напряжения сети электротранспортного средства в переменное напряжение. Это позволяет запитать от сети транспортного средства асинхронный электродвигатель 5, имеющий больший срок службы и существенно меньший уровень создаваемого электродвигателем 5 акустического давления.

Вращая крыльчатку 6, электродвигатель 5 обеспечивает создание необходимого уровня расхода воздуха, причем формирователем 7 обеспечиваются требуемые параметры воздушного потока. Этот воздушный поток направляется с помощью расположенных на кожухе 2 нагревательного блока 3 со стороны, обращенной к крыльчатке 6, направляющих воздушного потока 18 в виде зафиксированных закрылок, расположенных под углом α, образованным плоскостью закрылок и смежной продольной стенкой кожуха 2, внутрь нагревательного блока 3 и снимает тепловую энергию с входящих в его состав нагревательных элементов 11.

При подаче на высоковольтные вводы 14 обогревателя постоянного напряжения 550 В от сети транспортного средства температура нагревательных элементов 11 нагревательного блока 3 повышается и создаваемое ими тепло уносится из обогревателя воздушным потоком, создаваемым крыльчаткой 6, формирователем 7 и закрылками кожуха 2 нагревательного блока 3.

Внутри кожуха 2 со стороны блока подачи воздуха 4 располагаются и последовательно включены термодатчики 15 системы защиты, включаемые через соответствующие выводы 16 обогревателя в цепь пусковой обмотки контактора транспортного средства, подающего высокое напряжение на нагревательный блок 3. При наличии воздушного потока их температура не превышает критической, они находятся в нормально замкнутом состоянии и высокое напряжение поступает на нагревательные элементы 11. При отключении напряжения электродвигателя 5 либо при выходе из строя электродвигателя 5 блока подачи воздуха температура термодатчиков 15 поднимается выше критического значения, контакты термодатчиков 15 или хотя бы одного из них размыкаются, цепь пусковой обмотки контактора размыкается и подача высокого напряжения на нагревательный блок 3 прекращается.

Оптимизируют режим работы обогревателя и с помощью отверстий в его торцевой стенке. В задней стенке корпуса 1 наилучшим образом они организованы с помощью металлической сетки 19, размеры которой подчинены соотношению (3). Выбор этого соотношения, в которое входят размеры металлической сетки 19, образующей отверстия 17 в задней стенке корпуса 1, обусловлен тем, что при эмпирической проверке зависимости аэродинамического сопротивления различных типов сеток от величины коэффициента ее прозрачности были получены практически одинаковые диапазоны значений коэффициента прозрачности, в которых аэродинамическое сопротивление изменяется достаточно слабо, не более чем на 10-20%. Таким образом, диапазон изменения коэффициента прозрачности ограничен снизу величиной 0,35, начиная с которой имеет место практически экспоненциальное нарастание значений аэродинамического сопротивления. Сверху он ограничен величиной 0,9, при значениях выше которой сложно обеспечить требуемую механическую прочность задней стенки обогревателя. Геометрические размеры спиралей, подчиняющиеся соотношению (4), работают при задании всех величин в системе СИ и обеспечивают надежность работы нагревательного блока 3 обогревателя. При этом соотношение диаметра проволоки и диаметра навивки спирали не должно быть менее 0,1. Это эмпирическое соотношение обеспечивает пружинящие свойства спирали. А плотность протекающего по спирали тока должна находиться в пределах порядка 15-20 А/мм². Причем при более упругой спирали - с большими значениями соотношения диаметра проволоки и диаметра навивки можно допустить большие значения плотности протекающего по спирали тока, а для менее упругой спирали это может привести к потери ею упругих свойств, провисанию и перегоранию. Это вынуждает объединить все три величины - диаметр проволоки, диаметр навивки спирали и величину заданного тока через нагревательные элементы 11 в единое соотношение. При превышении верхней границы соотношения (4) не удается обеспечить надежность длительной работы спирали в нагревательном блоке 3. При значениях центральной части соотношения ниже нижней границы (4) представляется невозможным разместить все необходимые для обеспечения столь малого тока спиральные нагревательные элементы 11 в нагревательном блоке 3 обогревателя (для обеспечения столь малого тока их суммарное сопротивление, а соответственно и суммарная длина спиралей должны быть слишком велики).

В оптимальном режиме угол α, образованный плоскостью закрылок и смежной продольной стенкой кожуха 2, подчиняется соотношению (5).

Выбранный диапазон значений угла α, подчиняющийся соотношению (5) обоснован тем, что при меньших значениях угла часть воздуха обтекает нагревательный блок 3, что снижает расход воздуха через нагревательные элементы 11 и вынуждает во избежание их перегрева увеличивать расход воздуха за счет увеличения скорости вращения электродвигателя 5, что приводит к снижению надежности электродвигателя 5 и повышению уровня создаваемого им акустического давления. При больших значениях угла α воздушный поток создает завихрения на входе в нагревательный блок 3 и полностью прекращается поступление воздуха в зазоры между кожухом 2 нагревательного блока 3 и корпусом 1 обогревателя, что может привести в рабочем режиме к перегреву корпуса 1.

Пример. Описанный обогреватель воздуха салона электротранспорта является апробируемым устройством организации-заявителя, успешно зарекомендовавшим себя в экстремальных условиях эксплуатации во время испытаний. Готовится в качестве экспоната на выставки с целью выяснения спроса и потенциального объема выпуска. На чертеже представлены габаритные размеры обогревателя: длина - 500 мм, ширина - 350 мм, высота - 260 мм. Вес изделия при данных габаритах может быть, например, 18 или 20 кг в зависимости от мощности.

Изобретение относится к классу оборудования для отопления и нагрева воздуха, а также поддержания на заданном уровне температур внутри салона электротранспорта. Обогреватель имеет корпус, внутри которого находится нагревательный блок, помещенный в кожух и изолированный от корпуса, блок подачи воздуха, преобразователь постоянного напряжения бортовой сети электротранспорта в переменное напряжение питания асинхронного электродвигателя, последовательно соединенные термодатчики системы защиты. Нагревательный блок выполнен в виде ряда электрически соединенных нагревательных элементов, закрепленных через изоляторы на держателях. Блок подачи воздуха выполнен в виде асинхронного электродвигателя, соединенного с крыльчаткой и формирователем воздушного потока. Термодатчики системы защиты установлены внутри кожуха нагревательного блока со стороны блока подачи воздуха. В одной из стенок корпуса выполнены вводы высокого и низкого питающего напряжения. Технический результат заключается в первую очередь в понижении акустического давления до 40-45 дБА при высокой электробезопасности и повышении срока службы до нескольких десятков тысяч часов. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Обогреватель воздуха салона электротранспорта, характеризующийся тем, что он имеет корпус, в котором - нагревательный блок, помещенный в электрически изолированный от корпуса кожух и выполненный в виде ряда электрически соединенных нагревательных элементов, закрепленных через изоляторы на держателях, блок подачи воздуха, выполненный в виде асинхронного электродвигателя, соединенного с крыльчаткой и формирователем воздушного потока, преобразователь постоянного напряжения бортовой сети электротранспорта в переменное напряжение питания асинхронного электродвигателя, в стенках корпуса выполнены отверстия для прохода воздушного потока, а в корпусе, в торцевой близлежащей к блоку подачи воздуха стенке - задней, выполнены вводы высокого и низкого питающего напряжения и выводы последовательно включенных термодатчиков системы защиты, установленных в кожухе нагревательного блока со стороны блока подачи воздуха.2. Обогреватель по п.1, характеризующийся тем, что преобразователь постоянного напряжения бортовой сети электротранспорта закреплен изнутри в верхней части корпуса между блоком подачи воздуха и задней стенкой обогревателя.3. Обогреватель по п.1, характеризующийся тем, что преобразователь постоянного напряжения бортовой сети электротранспорта электрически соединен с асинхронным электродвигателем.4. Обогреватель по п.1, характеризующийся тем, что вход преобразователя постоянного напряжения бортовой сети электротранспорта электрически соединен с вводом питания постоянного напряжения бортовой сети электротранспорта.5. Обогреватель по п.1, характеризующийся тем, что вторая торцевая - передняя стенка корпуса выполнена в виде жалюзи из набора параллельно расположенных пластин, конфигурация которых в плоскости, перпендикулярной их длинной стороне, препятствует проникновению посторонних тел внутрь корпуса за счет двойных перегибов, описанных следующими соотношениями:

где l₁ l₂, l₃ - длины участков пластин, образующиеся в результате их перегиба;

β₁₂, β₂₃ - углы перегиба между первым и вторым, вторым и третьим участками соответственно;

h - меньшее расстояние между одинаковыми участками соседних пластин, параллельных нижней стенке корпуса.

где К_пр - коэффициент прозрачности;

S_отв - площадь отверстий в сетке;

S_c - общая площадь сетки.

где D_спир - диаметр спирали нагревательных элементов;

D_нав - диаметр навивки спирали;

l - величина заданного тока через спиральные нагревательные элементы.