ОТОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНЫЙ 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 отопителей, 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, содержат размещенные в корпусе электродвигатель, крыльчатку и нагревательный элемент.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является термоэлектро-вентилятор [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.

Однако в указанном изделии, как и в ряде других вышеперечисленных, отсутствует необходимая электрическая изоляция для обеспечения в салоне электротранспорта достаточной электробезопасности, например, в виде двойной изоляции. Отсутствуют также защитные элементы устройства, исключающие проникновение к его токоведущим поверхностям из салона электротранспорта посторонних металлических предметов внутрь корпуса отопителя. Наиболее близкий аналог отличается и низким уровнем мощности. 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 отопителя вне салона транспортного средства, что имело место в прошлые десятилетия, сменилась на задачу максимально удобного и безопасного размещения отопителя внутри салона. В связи с этим важно сочетание таких параметров отопителя в одной конструкции, как, надежность, мощность, безопасность, компактность, низкий уровень акустического давления и высокий срок службы отопителя одновременно.

Задачей заявляемого изобретения является разработка компактного мощного отопителя с пониженным уровнем пола, с пониженным уровнем акустического давления до 40-45 дБА и повышенным сроком его службы до нескольких десятков тысяч часов для размещения внутри салона современного городского электротранспорта.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что отопитель электротранспортный 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 электродвигателя постоянного тока, соединенного с крыльчаткой и формирователем воздушного потока, делитель напряжения бортовой сети электротранспорта, на корпусе, в задней стенке выполнены вводы высокого и низкого питающего напряжений и выводы последовательно соединенных термодатчиков системы защиты, установленные в кожухе нагревательного блока со стороны блока подачи воздуха, а в стенках корпуса выполнены отверстия для прохода воздушного потока.

Заявляется также отопитель, у которого делитель напряжения выполнен в виде спирального элемента, закрепленного на формирователе воздушного потока, причем спиральный элемент включен последовательно с обмоткой якоря электродвигателя и величины их сопротивлений связаны следующим соотношением:

, (1)

где R_cn - сопротивление спирального элемента;

R_двиг - сопротивление обмотки якоря электродвигателя.

Заявляется также отопитель электротранспортный, у которого наряду с вышеназванными признаками передняя стенка корпуса выполнена в виде жалюзи из набора параллельно расположенных пластин, конфигурация которых в плоскости, перпендикулярной их длинной стороне, препятствует проникновению посторонних предметов внутрь корпуса за счет двойных перегибов, описанных следующими соотношениями:

(2)

(3)

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

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

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

Кроме того, заявляется отопитель электротранспортный с вышеперечисленными признаками, в котором в задней стенке корпуса отверстия для прохода воздушного потока выполнены с помощью металлической сетки, размеры которой подчинены соотношению:

, (4)

где К_пр - коэффициент прозрачности;

S_отв - площадь отверстий в сетке; S_c - общая площадь сетки.

Заявляется также отопитель электротранспортный, характеризующийся тем, что нагревательный блок выполнен в виде ряда последовательно соединенных спиральных элементов через керамические изоляторы, причем геометрические размеры спиралей подчинены соотношению:

, (5)

где D_спир.- диаметр спирали нагревательных элементов;

D_нав - диаметр навивки спирали; l - величина заданного тока через спиральные нагревательные элементы, А - Ампер.

Кроме того, заявляется отопитель электротранспортный, в котором кожух нагревательного блока со стороны, обращенной к крыльчатке, имеет направляющие воздушного потока в виде зафиксированных закрылок, расположенных под углом α, образованным плоскостью закрылок и смежной продольной стенкой кожуха, ограниченным величинами:

(6)

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 высокая электробезопасность. Важным техническим результатом является также значительное, многократное повышение срока службы отопителя. Вышеназванные преимущества являются следствием синергетического эффекта совокупности признаков изобретения. И высокий уровень акустического давления и малый срок службы в существующих отопителях транспортных средств связаны с использованием двигателей 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, за счет отверстий в стенках и прозрачного, выполненного из отдельных элементов нагревателя и отопителя в целом. С другой стороны, переход на низкошумные режимы с большим сроком службы двигателя постоянного тока удается за счет введения дополнительного элемента - делителя напряжения. Подобранные эмпирически и проверенные экспериментально размеры нагревательных элементов, металлической защитной сетки, выполнение делителя напряжения с определенными величинами сопротивлений его спирального элемента, на котором он размещен, и обмотки якоря электродвигателя - технические приемы, обеспечивающие заявляемому отопителю конкретные работоспособные и оригинальные варианты, оптимально решающие поставленную задачу - разработку отопителя электротранспортного для размещения внутри салона без внесения неудобств пассажирам. Технический результат достигается также за счет ряда технических усовершенствований заявляемых элементов, в совокупности выраженных в зависимых пунктах формулы. В целях дополнительной безопасности и исключения попадания посторонних предметов в корпус отопителя предусмотрены жалюзи определенной конфигурации и отверстия в стенках корпуса отопителя с определенной их формой, которые одновременно должны обеспечить задаваемую температуру нагрева воздуха в салоне и поддержание ее.

Заявляемое изобретение поясняется с помощью фиг.1-3, на которых представлены: фиг.1 - общий вид заявляемого отопителя; на фиг.2 - профиль пластин, входящих в жалюзи торцевой стенки отопителя, соответствующий п.3 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.

Предлагаемый отопитель имеет:

1 - корпус,

2 - кожух,

3 - нагревательный блок,

4 - блок подачи воздуха,

5 - электродвигатель постоянного тока,

6 - крыльчатка,

7 - формирователь воздушного потока,

8 - изоляторы кожуха,

9 - изоляторы нагревательных элементов,

10 - держатели,

11 - нагревательные элементы,

12 - спиральный дополнительный элемент на формирователе воздушного потока,

13 - делитель постоянного напряжения бортовой сети,

14 - вводы высокого и низкого питающих напряжений,

15 - термодатчики,

16 - выводы термодатчиков системы защиты,

17 - отверстия,

18 - направляющие воздушного потока,

19 - металлическая сетка,

20 - внешние поверхности стенки корпуса.

Заявляемый отопитель 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 отопителя. Блок подачи воздуха 4 выполнен в виде электродвигателя 5 постоянного тока, 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 одной из внешних ее поверхностей 20, удобнее всего с задней его стороны, где расположена крыльчатка 6, размещать вводы 14 высокого и низкого питающего напряжения. Выводы 16 системы защиты последовательно включенных термо датчиков 15 установлены в кожухе 2 нагревательного блока 3 со стороны блока подачи воздуха 4. Внутри корпуса 1 размещен также делитель 13 постоянного напряжения бортовой сети электротранспорта. Он представляет собой еще один спиральный элемент 12, который размещен на формирователе 7 воздушного потока. Этот спиральный элемент 12 включен последовательно с обмоткой якоря электродвигателя 5 постоянного тока. Для прохода воздушного потока в стенках отопителя выполнены отверстия 17. В задней стенке их роль играет металлическая сетка 19 с высоким коэффициентом прозрачности (4). Рекомендуемая форма отверстий в передней стенке - в виде параллельно выполненных щелей в виде жалюзи [с соотношениями (2) и (3)], предотвращающих попадание разных металлических предметов внутрь корпуса 1 отопителя, а также с нижней части салона, с пола салона транспортного средства воды, грязи и т.д. во время его обработки, очистки и мытья. В верхней и боковых стенках корпуса 1, как правило, выполнены 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, 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, предназначенные для движения воздушного потока, сопротивление обмотки якоря электродвигателя 5 постоянного тока К_двиг должны соответствовать заданным техническим и геометрическим параметрам. Они рассчитаны для оптимальных режимов [см. математические выражения (1) и (5) в тексте описания в разделе «сущность изобретения» и в формуле изобретения], отрабатывались эмпирически на практике и скорректированы до выражений, заявленных в данных материалах заявки. В работе заявляемого отопителя задействован электродвигатель 5 постоянного тока.

Отопитель воздуха салона электротранспорта работает следующим образом. При включении электрического отопителя указанной конструкции в схему электропитания транспортного средства (трамвая, троллейбуса, вагона электропоезда) на низковольтные вводы 14 питания отопителя подается постоянное напряжение 28 В, а на высоковольтные вводы 14 - постоянное напряжение 550 В. Напряжение 28 В в схеме отопителя поступает на последовательную цепь, представляющую собой делитель напряжения 13 в виде дополнительно введенного спирального элемента 12, закрепленного на формирователе 7 воздушного потока, и обмотку якоря электродвигателя 5 постоянного тока. На обмотку якоря электродвигателя 5 постоянного тока подается напряжение, составляющее примерно 40÷60% от номинального. При таком напряжении снижается относительно номинального режима скорость вращения - обороты электродвигателя 5 постоянного тока, существенно повышается его срок службы и снижается уровень создаваемого им акустического давления. При этом закрепленный на формирователе 7 воздушного потока дополнительный спиральный элемент 12 находится в создаваемом блоком подачи воздуха 4 воздушном потоке, снимающем с этого элемента тепловую энергию и добавляющем ее к тепловой энергии, генерируемой в нагревательном блоке 3.

Вращая крыльчатку 6, электродвигатель 5 постоянного тока обеспечивает создание необходимого расхода воздуха, причем формирователем 7 воздушного потока 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 18 воздушного потока, в виде зафиксированных закрылок внутрь нагревательного блока 3. Там он снимает тепловую энергию с входящих в состав нагревательного блока 3 нагревательных элементов 11.

При подаче на высоковольтные вводы 14 отопителя постоянного напряжение 550 В от сети транспортного средства температура спиральных нагревательных элементов 11 нагревательного блока 3 повышается и создаваемое ими тепло уносится из отопителя воздушным потоком, создаваемым крыльчаткой 6, формирователем 7 воздушного потока и закрылками корпуса нагревательного блока 3.

Внутри кожуха 2 со стороны блока подачи воздуха 4 располагаются и последовательно включенные термодатчики 15 системы защиты, включаемые через соответствующие выводы 16 системы защиты отопителя 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 постоянного тока либо при выходе из строя электродвигателя вентилятора 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.

Величины сопротивлений спирального элемента, размещенного на формирователе 7 воздушного потока, и обмотки якоря электродвигателя 5 постоянного тока связаны следующим соотношением:

(1)

где R_cn - сопротивление спирального элемента 12, расположенного на формирователе 7 воздушного потока;

R_двиг - сопротивление обмотки якоря электродвигателя 5 постоянного тока.

Спиральный элемент 12 в этой схеме включается последовательно с обмоткой якоря электродвигателя 5 постоянного тока и гасит часть подаваемого на него напряжения. Данное соотношение подобрано эмпирически для существующих типов электродвигателей 5 постоянного тока, мощности нагревательного блока 3 отопителя и аэродинамических характеристик его внутренних элементов. При значениях центральной части соотношения (1) ниже его нижней границы на электродвигатель 5 постоянного тока подается неоправданно большое напряжение: расход воздуха, создаваемого соединенной с его осью крыльчаткой 6, выше требуемого расчетного расхода воздуха, а для самого электродвигателя 5 постоянного тока - это повышенная нагрузка на вращающиеся соединения, щетки и соответственно более быстрый его износ. Кроме того, при повышенном напряжении на обмотке якоря электродвигателя 5 постоянного тока и соответственно большей скорости вращения электродвигателя 5 постоянного тока он создает более высокий уровень акустического давления, что снижает комфортность проезда для пассажиров электротранспорта.

При значениях центральной части соотношения (1) выше его верхней границы, на электродвигатель 5 постоянного тока подается слишком малое напряжение, и создаваемый им расход воздуха будет недостаточен для съема тепла с нагревательного блока 3. При этом повысится температура самого нагревательного блока 3 и снизится надежность его функционирования, повысится выше допустимой нормы температура выходящего из отопителя воздуха, что также снизит комфортность проезда для пассажиров.

Оптимальные размеры металлической сетки подчинены соотношению (4). Выбор этого соотношения 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 же он ограничен величиной 0,9, при значениях выше которой сложно обеспечить требуемую механическую прочность задней стенки отопителя.

Геометрические размеры спиралей подчинены соотношению (5).

Формула (5) работает при задании всех величин в системе СИ и обеспечивает надежность работы нагревательного блока 3 отопителя. 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 диаметр навивки) можно допустить большие значения плотности протекающего по спирали тока, а для менее упругой спирали это может привести к потере ею упругих свойств, провисанию и перегоранию. Это вынуждает "увязать" все три величины: диаметр проволоки, диаметр навивки спирали и величину заданного тока через спиральные нагревательные элементы в единое соотношение. При превышении верхней границы соотношения (5) не удается обеспечить надежность длительной работы спирали в нагревательном блоке. При значениях центральной части соотношения ниже нижней границы (5) представляется невозможным разместить для обеспечения столь малого тока все необходимые спиральные элементы 11 в нагревательном блоке 3 отопителя (для обеспечения столь малого тока их суммарное сопротивление, а соответственно и суммарная длина спиралей должны быть слишком велики).

Угол α, образованный плоскостью закрылок и смежной продольной стенкой кожуха 2, подчиняется соотношению (6). Выбранный диапазон значений угла α обоснован тем, что при меньших значениях угла часть воздуха обтекает нагревательный блок, что снижает расход воздуха через нагревательные элементы и вынуждает во избежание их перегрева увеличивать расход воздуха за счет увеличения скорости вращения двигателя, что приводит к понижению надежности двигателя 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 отопителя, что может привести в рабочем режиме к перегреву корпуса 1.

Пример

Описанный отопитель 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 отопителя: 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 оборудованию для отопления и нагрева воздуха, а также поддержания на заданном уровне температур внутри салона электротранспорта. Отопитель имеет корпус, внутри которого находится нагревательный блок, помещенный в кожух, изолированный от корпуса, блок подачи воздуха, делитель напряжения бортовой сети электротранспорта, 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 электродвигателя постоянного тока, соединенного с крыльчаткой и формирователем воздушного потока. Делитель напряжения выполнен в виде спирального элемента, который закреплен на формирователе воздушного потока и включен последовательно с обмоткой якоря электродвигателя. Термо датчики 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. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Отопитель электротранспортный, 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 электродвигателя постоянного тока, соединенного с крыльчаткой и формирователем воздушного потока, делитель напряжения бортовой сети электротранспорта, в корпусе, в торцевой близлежащей к блоку подачи воздуха стенке - задней, выполнены вводы высокого и низкого питающего напряжения и выводы последовательно соединенных термодатчиков системы защиты, установленных в кожухе нагревательного блока со стороны блока подачи воздуха, и в стенках корпуса выполнены отверстия для прохода воздушного потока.2. Отопитель электротранспортный по п.1, характеризующийся тем, что делитель напряжения выполнен в виде спирального элемента, закрепленного на формирователе воздушного потока, причем спиральный элемент включен последовательно с обмоткой якоря электродвигателя и величины их сопротивлений связаны следующим соотношением:

где R_cn - сопротивление спирального элемента;

R_двиг - сопротивление обмотки якоря электродвигателя.

где l_1, 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 отопителя.

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.