ОКОННЫЙ БЛОК

Полезная модель относится к строительству, а именно к светопрозрачным ограждающим конструкциям, и может найти применение в строительстве для регулирования теплового режима помещений зданий различного назначения.
Обеспечение микроклимата в помещениях за счет конструктивных решений по устройству оконных блоков ведется по разным направлениям. Одно из направлений - регулирование величины лучистой энергии, проходящей через оконный блок. Так в устройстве по авт. свид. СССР №576379 светопроницаемость регулируется заполнением межстекольного пространства цветной жидкостью. Применяют теплоотражающие окиснометаллические пленочные покрытия - авт. свид. СССР №657161 и №718594. Иногда дополняют устройства с отражающими покрытиями нагревателем, например, токопроводящим покрытием на стекле - авт. свид. СССР №800335. Больший диапазон регулирования светопроницаемости реализуют устройства с подвижными элементами. В оконных блоках по авт. свид. СССР №1579300 и №1737091 подвижным элементом является металлизированная пленка, установленная на двух барабанах с возможностью перемотки.
Регулирование величины лучистой энергии, проходящей через оконный блок, малоэффективно в части теплообмена и не решает проблему воздухообмена. Поэтому получили развитие конструкции оконных блоков с подвижными створками - поворотными и сдвижными. Для управления подвижными створками используют питание от силовой сети электродвигателя с разного вида передаточными механизмами (звеньями). В устройстве по патенту RU 2420644 для управления сдвижными створками применен захват, а в устройстве по патенту RU 2288335 - ползун, в моторном приводе по патенту RU 2427698 - гибкая цепь. Электродвигатели могут быть различного исполнения - редукторный, патент RU 2418145, линейный, патент RU 2404347.
Если обобщить конструктивные решения с применением электродвигателей отмеченных выше аналогов, то получим последовательную цепь структурных блоков: источник электропитания-привод-передаточный механизм-исполнительное устройство. Исполнительным устройством является подвижная створка, установленная на раме оконного блока с вращательными (шарнир) или линейными направляющими.
Анализ принципиальных решений в пределах отдельных структурных блоков показывает их конструктивную сложность и низкую технологичность. Необходимо отметить ограниченные эксплуатационные возможности известных устройств, в частности, все они получают электропитание от силовой сети здания. В ряде случаев они не решают проблему нештатной ситуации. Предположим, в помещении произошла утечка газа из магистрали или газового прибора. Для исключения возможного взрыва газовоздушной смеси сначала необходимо аварийно проветрить помещение. Психологически, применительно к оконному блоку, это должно выполняться простым и привычным движением, а не коммутацией электрической цепи с возможным образованием искры.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство подъема и перемещения для окна и устройство для управления им по патенту RU 2416014 C2, МПК E05F 15/16, опубл. 10.04.2011, Бюл. №10. В основе этого устройства лежит бегунок для подъема створки окна, рабочая пластина, прикрепленная к поверхности створки, последняя контактирует с рамой окна, узел электродвигателя для вертикального перемещения рабочей пластины, в которой узел электродвигателя содержит ползун, фиксируемый с рабочей пластиной для вертикального перемещения рабочей пластины, шариковый винт, зацепленный посредством резьбы с ползуном для перемещения ползуна, и электродвигатель для вращения шарикового винта. На ползуне имеется выступ, взаимодействующий со щелью в рабочей пластине. Опорные пластины, установленные на обоих концах шарикового винта, на внутренних поверхностях содержат электроды положения. Имеется также переключатель блокирования управления, выступающий с одной стороны элемента для удерживания фиксатора для прохождения через щель для захвата фиксатора рабочей пластины, причем, когда переключатель блокирования прижат, элемент для удерживания фиксатора поворачивается, расцепляясь с фиксатором, в результате чего фиксатор выходит из щели для захвата фиксатора рабочей пластины. В рассматриваемом устройстве предусмотрен контактный узел с устройством управления, электрически связанный с электродами положения, выводами электропитания и блоком электродвигателя. Конструктивная реализация предусматривает применение демпфера ползуна и исполнение контактов контактного узла с подвижными пружинами.
Прототипу соответствует такая же структурная схема, что и аналогам. Если развернуть структурные блоки до уровня функциональных, то привод составят: двигатель с контактным узлом, имеющим общую электрическую шину, фиксатор и переключатель управления электрической цепью, а в передаточный механизм войдут: ползун с демпфером, шариковый винт, бегунок и рабочая пластина.
Рассмотренному прототипу свойственны те же недстатки, что и аналогам, а именно: сложность конструкции, низкие технологичность и эксплуатационные возможности, в частности он не может быть применен в качестве исполнительного устройства систем автоматического управления «Умным домом» таких как Crestron, Clipsal C-Bus, LUXOR, X10 и др.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является упрощение конструкции, повышение технологичности изготовления и расширение функциональных возможностей оконного блока.
Указанный результат достигается тем, что оконный блок, содержащий раму с установленной на ней с помощью шарниров подвижной створкой, связанный с последней через передаточный механизм привод, включающий электродвигатель, соединенные с ним контактный узел, переключатель управления электрической цепью и фиксатор, при этом электродвигатель, контактный узел и переключатель управления электрической цепью имеют общую электрическую шину с источником электропитания, снабжен вторым источником электропитания в виде закрепленного на раме термопреобразователя, подключенного к контактному узлу и переключателю управления электрической цепью с использованием общей электрической шины, а его термочувствительные элементы расположены по разные стороны оконного блока.
Электродвигатель выполнен в виде закрепленного на подвижном основании привода каркаса с электрической катушкой, в соосном с последней глухом отверстии которого с радиальным зазором установлен магнитострикционный стержень, опирающийся на дно глухого отверстия каркаса.
Фиксатор содержит установленный на подвижном основании привода корпус с поворотной ручкой, в котором размещен подпружиненный шток с возможностью взаимодействия с ручкой и отверстиями неподвижной подложки, несущей в своих направляющих подвижное основание привода.
Передаточный механизм содержит крестообразный рычаг, закрепленный средней частью на каркасе электрической катушки с помощью расположенных под углом 90° двух пар плоских пружин с образованием упругого шарнира, при этом на одном конце крестообразного рычага установлен резьбовой регулируемый упор с возможностью взаимодействия со свободным концом магнитострикционного стержня электродвигателя, а к другому концу присоединена тяга, связанная с рычагом шарнира подвижной створки.
В передаточном механизме тяга выполнена в форме стержня, имеющего малую поперечную и большую продольную жесткости, а ее рабочая длина превышает номинальный размер при недеформированных плоских пружинах упругого шарнира крестообразного рычага на величину, пропорциональную исходному поджатию подвижной створки к раме.
На фиг.1 изображен разрез оконного блока в плоскости перпендикулярной раме; на фиг.2 приведена компоновочная схема привода; на фиг.3 показаны крепления пружин подложки; на фиг.4 дана схема электрических соединений.
Оконный блок содержит раму 1, в которой с помощью шарниров 2 установлена поворотная створка 3. На валу, принадлежащему полу шарниру створки, установлен рычаг 4, соединенный через цангу 5 с помощью тяги 6 с приводом. Тяга представляет собой отрезок стальной проволоки круглого сечения. Расчеты по методу Эйлера показывают, что она устойчива в широком диапазоне отношения длина - диаметр, имеет высокую осевую жесткость и сравнительно низкую изгибную. Электрическое управление приводом осуществляется либо от системы управления домом через разъем 7, либо от термопреобразователя 8. Термопреобразователь преобразует тепловую энергию в электрическую, его входным параметром является разность температур воздуха снаружи и внутри помещения; т.е. по разные стороны оконного блока. На фиг.1 в качестве примера показан термопреобразователь в виде батареи термопар - для наглядности на чертежах изображена одна термопара. Термопреобразователь размещен в отверстии рамы и закреплен компаундом 9. Электрические выводы термопреобразователя подключены к контактам 10 привода. Таким образом, если имеется разность температур между спаем термопар снаружи помещения с их концами на контактах привода, т.е. внутри помещения, то термобатарея будет вырабатывать ЭДС, которую называют термоЭДС. Для больших конструкций оконных блоков термоЭДС можно рассматривать как управляющий сигнал электронного усилителя, входящего в состав термопреобразователя.
Основные элементы привода смонтированы на подвижном основании 11, выполненном из плоского листа материала прямоугольной формы. Основание установлено в направляющих подложки 12. Подложка изготовлена из тонкого листа методом штамповки, имеет крепежные отверстия, которые выполнены в углублениях (пуклевках) 13, для крепления с помощью винтов 14 к раме. По осевой линии подложки имеется ряд отверстий 15 для взаимодействия с фиксатором положения основания. Параллельно осевой линии подложки симметрично на заклепках 16 закреплены две пружины 17, изогнутые концы которых входят в пазы подложки и взаимодействуют с нижней плоскостью основания. На подложке закреплена колодка 18 из электроизоляционного материала с разъемом 7 и контактами 10. Данные контакты выполнены «плавающими» в виде цанг по типу гнезд разъемов марки ШР.
Функцию электродвигателя (преобразователя электрической энергии в механическую) в приводе выполняет магнитострикционный стержень 19, установленный в глухом отверстии каркаса 20 электрической катушки 21. Свободный конец магнитострикционного стержня взаимодействует с резьбовым регулируемым упором 22 имеющем контргайку 23. Указанный упор размещен в резьбовом отверстии на одном конце крестообразного рычага 24, второй конец которого через цангу 25 связан с тягой 6. В средней части крестообразного рычага винтами 26, 27 закреплены первые концы двух пар плоских пружин 28, 29, а их вторые концы винтами 30, 31 присоединены к каркасу электрической катушки. Такое исполнение пружин, расположенных по углом 90° образует упругий шарнир крестообразного рычага. Электрические выводы катушки 21 организованы с помощью запрессованных в каркас 20 контактов 32. Эти контакты выполнены по типу штырей разъемов марки ШР. Для удобства пайки моточного провода катушки к контактам в каркасе имеется паз 33.
Для управления электрическим режимом предусмотрен трехпозиционный тумблер 34, закрепленный на основании 11 через переходник 35. Подключение контактов тумблера отражено на схеме электрических соединений фиг.4.
Также предусмотрено ручное управление положением створки 3 оконного блока. Для ручного управления служит ручка 36 фиксатора положения основания 11. Фиксатор содержит корпус 37 Т-образной формы с расточкой в средней части под шток 38 с пружиной 39 и поперечное отверстие для оси 40 ручки. Ось ручки имеет цилиндрическую форму с кольцевыми расточками на концах, проходит через отверстия отгибов 41 ручки и стопорится плоскими разрезными пружинными шайбами 42. Аналогичной шайбой 43 стопорится шток фиксатора. Для ограничения перемещения основания 11 при ручном управлении имеются два закрепленных на подложке винтами 44 упора 45. Каркас 20 электрической катушки, корпус 37 фиксатора и переходник 35 тумблера закреплены на основании 11 с помощью винтов 46 с потайной головкой.
При сборке оконного блока обеспечивают предварительное поджатие поворотной створки 3 к гнезду рамы 1. Этот результат достигают при установке тяги 6. Пропускают тягу в отверстия предварительно закрученных в рычаг 4 полушарнира створки и крестообразный рычаг 24 цанг 5, 25. Далее окончательно закрепляют один конец тяги, пусть это будет за счет затяжки цанги 5 рычага 4. Затем нажимают на конец крестообразного рычага и затягивают цангу 25. В результате плоские пружины 28, 29 получили предварительную деформацию, за счет которой реализуется поджатие поворотной створки 3 к раме 1 в исходном положении. Последняя юстировочная операция - установка регулируемого упора. Закручивают регулируемый упор 22 до касания его носковой полусферической части с торцом магнитострикционного стержня 19 и фиксируют это положение контргайкой 23. В рабочих чертежах на оконный блок предусмотрен кожух (на приведенных фигурах не показан), закрывающий элементы привода.
Обобщая предлагаемую конструкцию до уровня структурной схемы нетрудно убедиться, что она окажется прежней, как у аналогов и прототипа. На уровне функциональной схемы в предлагаемом техническом решении структурному блоку «источник электропитания» соответствуют два источника - система автоматического управления домом, подключаемая через разъем 7 и термопреобразователь 8.
Привод составят электродвигатель в виде закрепленного на подвижном основании 11 каркаса 20 с электрической катушкой 21, установленным в соосном с катушкой глухом отверстии каркаса магнитострикционным стержнем 19, который опирается на дно глухого отверстия каркаса, фиксатор содержит установленный на подвижном основании привода 11 корпус 37 с ручкой 36, в котором размещен шток 38 с пружиной 39, при этом шток имеет возможность взаимодействовать с отверстиями 15 неподвижной подложки, в направляющих которой размещено подвижное основание 11 привода. Контактный узел представлен закрепленной на подложке 12 колодкой 18 с разъемом 7 и контактами 10, к которым присоединяются выводы термопреобразователя 8 и с которыми взаимодействуют контакты 32 выводов обмотки электрической катушки 21 электродвигателя. Переключатель управления электрической цепью содержит тумблер 34, закрепленный на подвижном основании 11 привода через переходник 35.
Передаточный механизм содержит крестообразный рычаг 24, закрепленный средней частью с помощью двух пар плоских пружин 28, 29 на каркасе 20 электрической катушки 21 электродвигателя с образованием упругого шарнира, при этом на одном конце крестообразного рычага установлен резьбовой регулируемый упор 22 с контргайкой 23 с возможностью взаимодействия со свободным концом магнитострикционного стержня 19 электродвигателя, а к другому концу присоединена тяга 6, связанная с рычагом 4 шарнира 2 поворотной створки 3 с помощью цанг 24 и 5.
Пользуются оконным блоком следующим образом. В исходном положении поворотная створка 3 находится в проеме рамы 1 (закрыта), основание 11 поднято вверх (ориентация чертежа), шток 38 фиксатора нижним концом входит в верхнее отверстие 15 подложки 12, при этом штыревые контакты 32 выводов электрической катушки входят в гнездообразные контакты 10 колодки 18. Пользователь определяет режим работы оконного блока.
Если в доме имеется система автоматического управления, то разъем ее линии подключают к разъему 7 оконного блока и переводят ручку тумблера 34 в крайнее положение «система». При этом замыкается контакт S1 тумблера. При поступлении сигнала от системы автоматического управления через электрическую катушку 21 протекает ток. Этот ток создает магнитное поле, под действием которого магнитострикционный стержень 19 удлиняется. Опираясь в дно глухого отверстия каркаса 20 катушки он перемещает упор 22. Перемещение упора приводит к повороту крестообразного рычага 24 и дополнительной деформации пружин 28, 29 упругого шарнира рычага, что влечет за собой увеличение потенциальной энергии деформированных пружин 28, 29. При повороте крестообразного рычага перемещается второй его конец с цангой 25, это перемещение через тягу 6 и цангу 5 передается рычагу 4, установленному на валу полушарнира створки 3. Соотношение рассмотренного перемещения и рабочей длины рычага 4 определит угол поворота створки 3 оконного блока. После окончания действия сигнала от системы автоматического управления домом исчезнет электрический ток в катушке 21 и его магнитное поле, следовательно магнитострикционный стержень вернется в исходную длину. Освободившийся от взаимодействия с магнитострикционным стержнем крестообразный рычаг 24 под действием момента потенциальной энергии деформированных пружин 28, 29 вернется в первоначальное положение, что приведет к закрыванию поворотной створки 3 оконного блока.
Работа оконного блока от собственного источника электропитания - термопреобразователя 8 - происходит аналогично. Переходят в этот режим перебросом ручки тумблера 34 в другое крайнее положение - «тепло». Замыкание контакта S2 подключает обмотку 21 электрической катушки к термопреобразователю 8 оконного блока. Угловое положение поворотной створки 3 будет пропорционально разности температур снаружи и внутри помещения. Следует заметить, что имеет место некоторая минимальная разность температур, при которой не происходит поворота створки. Это так называемая «мертвая зона» характеристики, определяемая предварительной деформацией пружин 28, 29 упругого шарнира крестообразного рычага 24.
Ручной режим управления соответствует среднему положению ручки тумблера 34, когда обмотка электрической катушки отключена от системы автоматического управления домом и от термопреобразователя 8. Открывание поворотной створки 3 оконного блока осуществляют поворотом ручки 36 «на себя», что приводит выходу штока 38 из верхего отверстия 15 подложки. Далее перемещением ручки вниз (ориентация чертежа) сдвигают основание 11 с закрепленным на нем каркасом 20 катушки. Поскольку на этом каркасе через пружины 28, 29 закреплен крестообразный рычаг 24, то будет перемещаться и он, увлекая через тягу 6 рычаг 4, чем и обеспесивается поворот створки 3. При нужном угле поворота створки фиксируют положение основания 11 штоком 38 на очередном отверстии 15 подложки путем поворота ручки 36 «от себя». Возврат в исходное положение осуществляется в обратном порядке. Плавность перемещения обеспечивается за счет трения пружин 17 подложки 12 о нижнюю плоскость основания 11.
Отметим, что в предлагаемом устройстве исключены аварийные ситуации при необдуманных действиях пользователя. Пусть установлен режим «тепло» и пользователь решил, что створка открыта недостаточно. Он ручкой управления 36 увеличивает, как это описано выше, угол поворота створки 3. Смещение основания 11 приведет к разрыву электрической цепи, т.е. контакты 10 и 32 разъединятся, магнитострикционный стержень вернется в исходный размер и ситуация полностью будет соответствовать ручному режиму управления.
Таким образом, предполагаемое техническое решение имеет широкие эксплуатационные возможности - оно предполагает различные режимы работы. Устройство может быть смонтировано для различных положений оси поворота подвижной створки в пространстве. Регулируемый упор 22 и исполнение тяги 6 в виде гибкой связи с цанговым креплением минимизируют требования по точности изготовления деталей и монтажа, т.е. фактически это компенсаторы погрешностей. Конструкция высокотехнологична, трудоемкость изготовления невысока.
Перечень обозначений (с синонимами и пояснениями)
1. Рама оконного блока.
2. Шарнир(ы) - одна часть шарнира (полушарнир) закреплена на раме, другая - на створке.
3. Поворотная створка.
4. Рычаг на валу полушарнира створки - рычаг шарнира подвижной створки.
5. Цанга крепления тяги на рычаге поз.4.
6. Тяга в форме стержня, например отрезок стальной проволоки.
7. Разъем (розетка) для подключения системы автоматического управления домом.
8. Термопреобразователь, например батарея термопар типа хромель-копель.
9. Компаунд крепления термопреобразователя.
10. Контакты привода - контакты контактного узла.
11. Основание - подвижное основание привода.
12. Подложка - закреплена на раме имеет направляющие для основания привода и отверстия для взаимодействия со штоком 38 фиксатора.
13. Пуклевки - выштамповки на подложке для размещения головки винтов (шурупов) крепления к раме.
14. Винты крепления подложки к раме.
15. Отверстия в подложке для взаимодействия со штоком фиксатора.
16. Заклепки пружин подложки.
17. Пружины подложки.
18. Колодка с контактами 10 и разъемом 7. Совместно с контактами 32 электрической катушки 21 образует контактный узел.
19. Магнитострикционный стержень электродвигателя.
20. Каркас электрической катушки электродвигателя.
21. Электрическая катушка электродвигателя.
22. Резьбовой регулируемый упор на крестообразном рычаге.
23. Контргайка резьбового регулируемого упора.
24. Крестообразный рычаг.
25. Цанга крепления тяги на рычаге 24.
26, 27. Винты крепления плоских пружин на крестообразном рычаге.
28, 29. Плоские пружины упругого шарнира крестообразного рычага.
30, 31. Винты крепления плоских пружин на каркасе электрической катушки электродвигателя.
32. Контакты - выводы обмотки электрической катушки электродвигателя.
33. Паз каркаса электрической катушки электродвигателя - освобождение для пайки.
34. Тумблер - трехпозиционный с перекидным контактом - переключатель управления электрической цепью.
35. Переходник тумблера.
36. Ручка фиксатора поворотная.
37. Корпус фиксатора.
38. Шток фиксатора.
39. Пружина (винтовая) штока фиксатора.
40. Ось ручки фиксатора.
41. Отгибы ручки фиксатора.
42. Шайбы пружинные разрезные оси ручки фиксатора.
43. Шайба пружинная разрезная штока фиксатора.
44. Винты крепления упоров 45 основания на подложке.
45. Упоры ограничения перемещения основания.
46. Винты с потайной головкой крепления каркаса электрической катушки, корпуса фиксатора и переходника тумблера на основании 11.