Термоэлектрический кондиционер для транспортного средства

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, а именно к термоэлектрическим устройствам для кондиционирования воздуха в кабинах транспортных средств, преимущественно, к термоэлектрическим кондиционерам для транспортного средства, предназначенным для локального охлаждения (или обогрева) определенных зон (например, зоны дыхания) на рабочих местах в небольшом пространстве салона транспортного средства, эксплуатируемого в жестких экстремальных условиях.
Полезная модель - термоэлектрический кондиционер для транспортного средства - может быть использована в различных областях техники, в частности, в специальных транспортных средствах, эксплуатируемых в сложных климатических условиях (например, в зонах аномально жаркой погоды, в зонах землетрясений, извержений вулканов, бурь и смерчей в пустынях, обширных пожаров), для которых характерны резкие перепады температур (многократное термоциклирование), резкие и долговременные вибрации (сильная тряска и значительные крены в разных направлениях), существенные перепады атмосферного давления, интенсивные (ударные) механические воздействия.
На сегодняшний день, когда созданы широко используемые в устройствах охлаждения высоконадежные и экологически чистые по принципу работы термоэлектрические охлаждающие модули (ТЭМО), открыты достаточно большие перспективы при создании термоэлектрических кондиционеров для транспортных средств небольшой мощности (до 3,5 кВт) и холодопроизводительности до 1,5 кВт, при которых применение традиционных фреоновых кондиционеров экологически не выгодно.
Известны различные термоэлектрические кондиционеры для транспортных средств. Однако в данной области техники ряд конструктивных и технологических проблем остаются нерешенными.
В настоящее время продолжают совершенствовать конструкции термоэлектрических кондиционеров для транспортных средств, решая при этом проблемы, связанные с повышением прочности конструкции и улучшением стабильности получения расчетных выходных параметров устройства, при обеспечении небольших габаритов и веса, а также безаварийности работы в течение длительного времени, решаемых путем создания новых конструкций основных элементов устройства и соединяющих их средств, обладающих повышенными прочностными качествами и большой точностью сборки.
Особое внимание в области разработки конструкций термоэлектрических кондиционеров для транспортных средств уделяют проблеме повышения надежности устройства при эксплуатации в условиях многократного термоциклирования, резких вибраций и интенсивных механических воздействий.
При этом большое значение в конструкции кондиционеров - возможность стабильно обеспечивать персонифицированную подачу прохладного воздуха в зону дыхания человека.
Это особенно важно при работе в экстремальных условиях, например, в условиях с повышенной температурой воздуха до плюс 55°С в обитаемом отсеке военной бронетехники (например, в танке), движущейся с высокой скоростью. Известно, что при перегреве снижается скорость реакции человека, это критично для работоспособности каждого члена экипажа (командира, наводчика бронетехники, или пилота боевого самолета).
Термоэлектрические кондиционеры, работающие на охлаждение и обеспечивающие подачу прохладного воздуха в зону дыхания каждого члена экипажа, помогут обеспечить высокую боеспособность.
Широко известны различные конструкции термоэлектрических кондиционеров для транспортных средств.
Представляют интерес малогабаритные кондиционеры с низким весом. Например, из патента РФ №2529045, (МПК В60Н 1/00, опубликован 27.09.2014), известен малогабаритный термоэлектрический кондиционер, предназначенный для создания оптимальных климатических условий в кабинах лифтов, трамваев и троллейбусов. Этот известный кондиционер содержит термоэлектрические модули, холодные и горячие радиаторы кондиционирующего и технологического контуров, обдуваемые воздушными потоками и контактирующие с тепловыделяемыми и теплопоглощаемыми площадками модулей. Холодные радиаторы кондиционирующего контура с помощью теплоизолирующих стенок разделены на два сегмента, соединенных последовательно. Две пары сегментов размещены параллельно и соединены с одной стороны дугообразным отражателем, обеспечивающим разворот воздушного потока на 180°. За счет такой конструкции достигнуто уменьшение габаритов устройства.
Однако данная известная конструкция кондиционера имеет ряд следующих существенных недостатков.
Недостатком этой конструкции является ее низкая энергетическая эффективность, обусловленная следующими причинами. В данной конструкции уменьшено количество воздуха в кондиционирующем контуре, что приводит к уменьшению отбора холода с холодных сторон термомодулей. В результате значительно снижена холодопроизводительность. В этой конструкции также ухудшены условия работы термоэлектрических модулей (не обеспечен набор необходимой разности температур), что приводит к их быстрому разрушению. Это указывает на низкую надежность эксплуатации и непрочность данного кондиционера. Эти недостатки препятствуют применению данной известной конструкции кондиционера в условиях резких перепадов температур и интенсивных механических воздействий.
Известны устройства для кондиционирования воздуха транспортного средства, в которых решают задачу повышения холодопроизводительности. Например, известна установка для кондиционирования воздуха (Авт. св. СССР №688351, МПК В60Н 3/00, опубл. 30.09.1979), предназначенная для создания микроклимата в кабинах транспортных средств, используемых, в частности, в карьерах. Эта известная установка размещена в люке крыши кабины и содержит термоэлектрические батареи, присоединенные к источнику постоянного тока, фильтровентиляционную систему, устройство отвода тепла и пульт управления. Для снижения потерь охлажденного воздуха установка снабжена радиационно-конвективными панелями, размещенными на потолке и направленными радиационными, излучающими холод или тепло, поверхностями в зону расположения оператора, а с противоположной стороны имеющими тепловой контакт с упомянутыми термоэлектрическими батареями, причем эти панели выполнены с внутренними воздушными каналами с выпускными кранами. Такая конструкция установки не обеспечивает равномерности температурного поля радиационных поверхностей панелей и приводит к возникновению переохлажденных и перегретых участков, ухудшающих работу термоэлектрических батарей, снижающих их холодильный коэффициент и приводящих к выходу батарей из строя. Эти факторы указывают на низкие прочностные качества и ненадежность работы при эксплуатации известного устройства, препятствующие применению данной конструкции в условиях резких перепадов температур и интенсивных механических воздействий.
Известна установка для кондиционирования воздуха для транспортного средства (Авт. св. СССР №1382675, МПК В60Н 3/00, опубл. 23.03.1988 г.), содержащая радиационно-конвективную панель, воздушные каналы которой связаны посредством воздуховода с термоэлектрическим охладительным блоком. Термоэлектрические батареи панели имеют тепловой контакт с радиационной поверхностью панели, выполненной из отдельных пластин. Воздушные каналы панели имеют воздухораспределительные насадки, обеспечивающие регулирование и распределение потока воздуха, подаваемого вентилятором через фильтр. Система отвода тепла от горячих спаев термобатарей состоит из воздушно-жидкостного радиатора, водяного насоса, связанных посредством теплопроводов с жидкостными теплообменниками панели и охладительного блока. Питание на термоэлектрические батареи панели и охладительного блока подается от генератора постоянного тока через пульт управления.
Недостатками этой известной установки являются следующие. В этой установке неэффективно решена проблема снятия и отвода тепла с горячих сторон термоэлектрических батарей, а также конструктивно не обеспечен качественный съем тепловых потоков с холодных сторон термоэлектрических батарей. Поэтому в этой установке отсутствует возможность обеспечения равномерного распределения температурного поля по радиационной поверхности панелей, на которых возникают перегретые и переохлажденные участки. При этом ухудшаются температурные условия работы термоэлектрических батарей, что значительно снижает их холодильный коэффициент. При этом возможен выход из строя термоэлектрических батарей из-за перегрева горячих спаев батарей в условиях эксплуатации в жарком климате. Таким образом, существенными недостатками этой известной установки являются чрезмерно низкая холопроизводительность, невысокие прочностные качества, ненадежность при длительной эксплуатации.
Эти недостатки препятствуют применению данной известной конструкции радиационно-конвективного типа в качестве кондиционера транспортного средства, эксплуатируемого в условиях резких перепадов температур и интенсивных механических воздействий.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является устройство для кондиционирования воздуха транспортного средства (Патент РФ №2114010, МПК В60Н 3/00, опубликовано: 27.06.1998. ПРОТОТИП).
Это известное устройство для кондиционирования воздуха в автомобиле содержит пульт управления, теплообменник, радиатор сброса тепла, сообщенный шлангами с насосом для подачи охлаждающей жидкости (например, тосол). Для сдува тепла с упомянутого радиатора использован вентилятор, установленный в автомобиле.
Теплообменник состоит из алюминиевых плоскоовальных труб, расположенных одна над другой, торцы которых с обеих концов соединены металлическим каркасом в единый охладительный блок. На трубах установлены термоэлектрические модули с холодными и горячими спаями (сторонами). Горячими спаями модули приклеены клеем (клей на основе низкомолекулярного каучука с повышенной теплопроводностью) к плоским поверхностям труб. Холодные спаи модулей, размещенных на соседних трубах, образуют каналы, внутри которых расположены мелкогофрированные медные ленты, уложенные в этих каналах по форме зубчатой рейки, вершины зубцов которой контактируют с холодными спаями модулей.
Алюминиевые трубы внутри имеют несколько каналов, по которым движется охлаждающая жидкость. Холод, который выделяется холодными спаями термоэлектрических модулей, сдувается непосредственно в салон автомобиля.
Недостатками этой известной конструкции термоэлектрического кондиционера для транспортного средства являются низкая надежность эксплуатации, нестабильность получения расчетных выходных параметров, низкая холодопроизводительность, отсутствие прочности и выносливости, низкий ресурс безаварийной работы при эксплуатации в режиме многократных термоциклирований и интенсивных механических воздействий, то есть в жестких экстремальных условиях. Причины для этого следующие. Клей на каучуковой основе, с помощью которого приклеивают термоэлектрический модуль (ТЭМ) его горячей стороной к внешней поверхности алюминиевой трубы, имеет низкую теплопроводность. Поэтому он не может обеспечить качественный съем тепла с горячих сторон ТЭМов. А в жестких экстремальных условиях (при резком повышении температуры до 150°С и резких механических воздействиях) этот слой клея разрушается, в результате нарушается тепловой контакт ТЭМов с алюминиевой трубой, поскольку разрушено крепление ТЭМов к упомянутой трубе. Это ведет к выходу из строя ТЭМов, а, следовательно, и кондиционера. Также неэффективным в данном известном устройстве является съем охлажденных потоков воздуха с холодных сторон ТЭМов с помощью размещенных (и ничем не закрепленных) внутри каналов мелкогофрированных медных лент, уложенных по форме зубчатой рейки, вершины зубцов которой контактируют с холодными сторонами ТЭМов. Очевидно, что упомянутый точечный рисунок контактирования зубцами упомянутой ленты холодных сторон ТЭМов очень мал по площади и не обеспечивает качественный съем холода. Это значительно снижает холодопроизводительность кондиционера.
Еще одним конструктивным недостатком известного устройства является недостаточная интенсификация движения охлаждающей жидкости при ее движении в алюминиевой трубе. Это ухудшает скорость переноса теплового потока с горячих сторон ТЭМов. Этот недостаток обусловлен следующими причинами.
Для получения оптимальной холодопроизводительности в термоэлектрическом кондиционере, теплоотвод с горячих сторон ТЭМов должен быть конструктивно обеспечен значительно эффективнее, чем на холодных сторонах, поскольку тепла на горячих сторонах выделяется в 1.5-2 раза больше, чем на холодных.
Выполнить эти условия в известной конструкции не предоставляется возможным из-за непрочного и ненадежного крепления ТЭМов к трубам, а также непрочной и ненадежной конструкции холодных радиаторов, малоэффективной конструкции отвода тепла и холода. При этом ухудшаются температурные условия работы ТЭМов (не обеспечен набор необходимой разности температур), что значительно снижает их холодильный коэффициент. Возможны частые выходы из строя ТЭМов. Эти факты указывают на то, что конструкция известного по патенту РФ №2114010 является непрочной и ненадежной в эксплуатации, нестабильной в плане получения расчетных выходных параметров, имеет низкий ресурс безаварийной работы. Эти недостатки препятствуют применению данной известной конструкции в жестких экстремальных условиях с присутствием интенсивных механических воздействий и резких перепадов высоких и низких температур.
Таким образом, технический уровень на данный момент времени показывает, что известные термоэлектрические кондиционеры для транспортных средств не обладают достаточной надежностью, выносливостью при длительной эксплуатации в жестких экстремальных условиях окружающей среды, не обеспечивают достаточно высокую стабильность рабочих характеристик, поскольку известные конструкции являются неэффективными для передачи холода и тепла с поверхностей термоэлементов вследствие нерешенности следующих проблем:
- отсутствие конструктивной возможности надежного съема тепла с горячих сторон термомодулей и неэффективность конструктивных решений по переносу тепла;
- отсутствие достаточно эффективных технических решений по качественному съему холода с холодных сторон термомодулей;
- отсутствие конструктивных возможностей для обеспечения стабильно работоспособных условий работы термоэлектрических модулей в составе конструкции кондиционера.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, состоит в создании высоконадежного оригинального термоэлектрического кондиционера для транспортного средства, конструкция которого отличается от известных решений высокой надежностью эксплуатации, оптимальной холодопроизводительностью, компактностью и небольшими размерами, выносливостью и повышенной прочностью, длительным ресурсом безаварийной работы и стабильными выходными параметрами при эксплуатации в жестких экстремальных условиях.
Эти качества должны быть обеспечены за счет того, что в заявляемом устройстве решена задача по качественному съему и передаче тепла и холода с поверхностей термоэлектрических модулей за счет усовершенствования конструкции кондиционера, создания новой конструкции теплообменника и его элементов. Благодаря новым конструкциям удалось решить проблему по обеспечению качественного съема тепла и его отвода с горячих сторон ТЭМов с достаточной интенсивностью (в 1.5-2 раза больше, чем с холодных сторон). Благодаря созданию новых конструкций холодных радиаторов обеспечен качественный съем холода с холодных сторон ТЭМов. Решена проблема получения оптимальной холодопроизводительности устройства и обеспечения персонифицированной подачи прохладного воздуха в область дыхания человека, являющегося, например, членом экипажа подвижного транспортного средства военной техники и находящегося на рабочем месте в небольшом пространстве обитаемого отсека, например танка.
При создании конструкции заявляемого устройства для решения поставленных задач разработанное техническое решение при эксплуатации в жестких экстремальных условиях должно обладать:
- оптимальной компактностью, технологичностью и простотой конструкции с жесткими ограничениями по массе, габаритам и техническим параметрам;
- стабильностью заданных выходных параметров;
- повышенной прочностью и выносливостью как основных элементов конструкции, так и соединяющих их средств;
- устойчивостью к вибрациям и ударным нагрузкам (механические удары одиночного и многократного действия: 500/20g, синусоидальные вибрации с диапазоном частот 5÷500 Гц с амплитудой виброускорения 3g);
- высокой надежностью эксплуатации;
- устойчивостью при кренах и качках;
- минимальными эксплуатационными расходами и простотой в обслуживании;
- автономным включением и выключением каждого блока;
- обеспечением работоспособности и сохранения необходимых параметров при высоких и низких температурах окружающей среды (в диапазоне температур окружающего воздуха от -50°С до +50°С и абсолютных высотах до 5000 м);
- обеспечением персонифицированной подачи струи прохладного воздуха в область дыхания каждому члену экипажа, находящихся в жилом отсеке транспортного средства;
- обеспечением высокой пожароустойчивости при жестких экстремальных условиях эксплуатации;
- обеспечением требований к долговечности и сохраняемости: назначенный полный срок службы - не менее 15 лет, назначенный ресурс - не менее 6000 часов;
- обеспечение сохранения работоспособности после воздействия пониженной температуры до минус 65°С и повышенной температурой до плюс 70°С.
Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.
Техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается и используется (см. прилагаемую рекламу на трех листах).
Предлагается термоэлектрический кондиционер для транспортного средства, содержащий соединенные трубопроводами блок охлаждения с теплообменником и вентилятором сдува охлажденного воздуха в кабину транспортного средства, блок сброса тепла и блок управления, при этом упомянутый теплообменник включает термоэлектрические модули, плотно прижатые горячими сторонами к внешним поверхностям плоских профильных труб с множеством внутренних призмообразных каналов в виде призм многогранного сечения, например, трехгранного, для прокачки охлаждающей жидкости, и холодные радиаторы, контактирующие с холодными сторонами упомянутых термоэлектрических модулей, а также элементы монтажных соединений теплообменника со стороны входного и выходного патрубков и с противоположной его стороны.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что термоэлектрический кондиционер для транспортного средства снабжен держателем торцов профильных плоских труб, каждый из которых выполнен в виде Π-образной скобы, имеющей прорезь в средней части для соединения с торцом упомянутой трубы, при этом держатели установлены на обеих торцах каждой профильной плоской трубы и размещены вертикальным пакетом с каждой стороны теплообменника, а элемент монтажных соединений теплообменника со стороны входного и выходного патрубков выполнен в виде Ε-образной стенки, с внешней стороны которой установлены входной и выходной патрубки, а ее средняя горизонтальная часть скреплена с центральной частью пакета держателей с возможностью образования входного и выходного фитинговых коллекторов, а элемент монтажных соединений теплообменника с его противоположной стороны выполнен в виде П-образной стенки, соединенной с пакетом держателей на упомянутой стороне теплообменника с возможностью образования поворотного фитингового коллектора, причем число плоских профильных труб, сообщающихся с входным фитинговым коллектором, равно числу труб, сообщающихся с выходным фитинговым коллектором, при этом внутренний объем в каждой плоской профильной трубе выполнен в виде структуры подпружных арок, составленной из наклонных ребер боковых граней призмообразных каналов, например, треугольного сечения, размещенных в один ряд вдоль горизонтальной поверхности каждой упомянутой плоской профильной трубы, а в каждом из внутренних призмообразных каналов одна боковая грань выполнена с волнистой поверхностью, при этом холодные радиаторы выполнены в виде набора множества прямых параллелепипедов, каждый из которых составлен из множества изогнутых элементов Z-образной формы в сечении, причем горизонтальные части этих элементов образуют две противолежащие плоские боковые грани каждого из упомянутых параллелепипедов, размещенных с возможностью обеспечения плотного плоскостного контакта упомянутых боковых граней с холодными сторонами термоэлектрических модулей, а наклонные части Z-образных элементов образуют сквозные каналы для продува охлажденного воздуха.
Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:
- фиг. 1- термоэлектрический кондиционер для транспортного средства 1 (полная комплектация, аксонометрия),
- фиг. 2 - термоэлектрический кондиционер для транспортного средства 1 (гидравлическая схема, трехблочная модификация),
- фиг. 3 - блок охлаждения 3 (аксонометрия, вид спереди),
- фиг. 4 - блок охлаждения 3 (аксонометрия, вид сзади со снятой стенкой,
- фиг. 5 - теплообменник 4 (аксонометрия),
- фиг. 6 - теплообменник 4 (продольное сечение),
- фиг. 7 - держатель 18 (аксонометрия),
- фиг. 8 - профильная труба 12 с держателями 18 (аксонометрия),
- фиг. 9 - Е- образная стенка 22 (аксонометрия),
- фиг. 10 - холодный радиатор 28 (аксонометрия),
- фиг. 11 - профильная труба 12 с каналами 17 (вид А),
- фиг. 12 - Π-образная стенка 26 (аксонометрия),
- фиг. 13 - Ζ-образный элемент 29 радиатора 28 (аксонометрия, вид спереди),
- фиг. 14 - персонифицированная подача прохладного воздуха в область дыхания каждому члену экипажа.
Заявляемое устройство - термоэлектрический кондиционер для транспортного средства - 1 (см. фиг. 1, 2) содержит соединенные трубопроводами 2 (или гибкими шлангами) блок охлаждения 3 с теплообменником 4 (фиг. 5, 6) и вентилятором 10 сдува охлажденного воздуха в кабину транспортного средства, насос 5 для подачи охлаждающей жидкости (например, охлаждающей жидкости марки «Тосол А - 40М»), блок сброса тепла 33 с радиатором 7 сброса тепла и вентиляторами 8 сброса тепла и блок управления 6 (фиг. 1).
Блок охлаждения 3 (фиг. 3, 5) состоит из металлического корпуса 11, в котором размещен теплообменник 4 (фиг. 5, 6) с термоэлектрическими модулями охлаждения (ТЭМО) 15 (фиг. 6), воздушными холодными радиаторами 9, вентиляторами 10 сдува охлажденного воздуха и жидкостной системой отвода тепла, включающей плоские профильные трубы 12 (фиг. 9) и элементы монтажных соединений теплообменника 4 со стороны входного 13 и выходного 14 патрубков и элементы монтажных соединений с его противоположной стороны (фиг. 3, 4).
Теплообменник 4 (фиг. 5, 6, 9) содержит термоэлектрические модули 15, плотно прижатые горячими 16 сторонами к внешним поверхностям плоских профильных труб 12 с множеством внутренних призмообразных каналов 17 в виде призм многогранного сечения, например, трехгранного (см. фиг. 8, 11).
Прижим термоэлектрических модулей 15 к внешним поверхностям плоских профильных труб 12 осуществляют посредством крепежных элементов, например, шпилек 37 и плоских пружин 38, равномерно размещенных по плоской теплопередающей поверхности профильных труб 12 теплообменника 4 (фиг. 5) Стягивание термоэлектрических модулей 15 и упомянутых труб 12 крепежными элементами 37 и 38 осуществляют с оптимизированной величиной крутящего момента, например, 1.1-1.4 нм. Внутри каждой плоской профильной трубы 12 призмообразные каналы 17, в данном случае, каналы 17 в виде трехгранных призм, выполненных в один ряд вдоль геометрической продольной оси трубы 12 (см. фиг. 8, 11).
Причем в каждом из внутренних каналов 17 одна грань имеет волнистую поверхность 39 (см. фиг. 11). Упомянутая волнистая поверхность 39 обеспечивает появление новых (турболизирующих) свойств у каждой плоской профильной трубы 12. Благодаря волнистым поверхностям 39 увеличивается поверхность соприкосновения движущейся охлаждающей жидкости с горячими поверхностями труб 12 и увеличивается скорость движения жидкости с переносимым теплом. Это происходит следующим образом. Наличие волнистых поверхностей 39 внутри каналов 17 плоских профильных труб 12 обеспечивает турбулентный характер прокачиваемому по трубам 12 потоку охлаждающей жидкости. Отличительной особенностью турбулентного движения жидкости является хаотичное движение частиц в потоке. Однако при этом есть некоторые закономерности, проявляющиеся в следующем. Перемещение потока осуществляется в результате пульсации жидкости. Для турбулентного потока жидкости характерно: в периферийных слоях - режим движения ламинарный, в центре - турбулентный.
Таким образом, поток жидкости состоит из ламинарной зоны (у стенки канала) и турбулентного центрального ядра течения (в центре) и, поскольку скорость к центру турбулентного потока нарастает интенсивно, то толщина периферийного ламинарного слоя незначительна, этот слой называется ламинарной пленкой, толщина которой зависит от скорости движения жидкости. Турбулентное движение характеризуется перемешиванием жидкости, пульсацией скоростей и давлений. При турбулентном движении распределение скорости более равномерное, а нарастание скорости у стенки более крутое, чем при ламинарном течении.
Таким образом, тонкая ламинарная пленка турбулентного потока жидкости более интенсивно и эффективно осуществляет снятие и перенос тепла с горячих поверхностей турбулентным потоком охлаждающей жидкости. То есть такая конструкция плоских профильных труб повышает эффективность снятия и переноса тепла с горячих сторон ТЭМов. Этот эффект обеспечен благодаря появлению у упомянутых труб 12 новых для них свойств - турбулизирующих. Новое свойство проявляется в заявляемом устройстве 1 за счет выполнения с волнистой поверхностью по меньшей мере одной из граней внутренних каналов профильных труб 12.
Пояснение терминов
1. Коллектор - [от лат. Collector - собиратель] - широкий канал или труба для отвода газов или жидкостей, поступающих из других каналов или труб. Большой толковый словарь русского языка под ред. С.А. Кузнецова, Санкт-Петербург, «Норинт», 2000 г., с.440.
2. Фитинг - [англ. Fitting - прилаживать, собирать] - общее наименование соединительных деталей трубопровода, устанавливаемых в местах его поворотов, разветвлений, переходов с одного диаметра на другой. Большой толковый словарь русского языка под ред. С.А. Кузнецова, Санкт-Петербург, «Норинт», 2000 г., с.1425.
3. Турбулентный - [от лат. Turbulentus - бурный, беспорядочный]. Спец. Характеризующийся неупорядоченным, хаотическим движением частиц по сложным траекториям, в результате которого происходит сильное перемешивание между слоями движущейся жидкости или газа. Большой толковый словарь русского языка под ред. С.А. Кузнецова, Санкт-Петербург, «Норинт», 2000 г., с.1353.
Призмообразные каналы 17 плоских профильных труб 12 предназначены для прокачки охлаждающей жидкости в жидкостной системе отвода тепла.
При этом внутренний объем каждой плоской профильной трубы 12 представляет собой структуру из подпружных арок 19, составленную из наклонных ребер 19 боковых граней призмообразных каналов (см. фиг. 8, 11).
Пояснение термина - " подпружная арка ":
Арка подпружная - вспомогательная арка, укрепляющая или поддерживающая свод в различных типах сводчатых конструкций, одной разновидностью которых являются, например, арки, укрепляющий цилиндрический свод в виде утолщений свода, расположенных под его внутренней поверхностью.
1. Сайт Интернет: dic.academic.ru
2. Архитектурный словарь.
3. Энциклопедия терминов.
Структура подпружных арок 19(фиг. 11) внутри каждой профильной трубы 12 укрепляет каждую из них изнутри, обеспечивая повышенную прочность и выносливость упомянутым трубам 12, а следовательно, значительно повышая надежность эксплуатации всей конструкции при воздействии интенсивных механических ударов и долговременных вибраций.
Термоэлектрический кондиционер 1 снабжен держателями 18 торцов плоских профильных труб 12, каждый из которых выполнен в виде Π-образной скобы, имеющей прорезь 20 в средней части для соединения с торцом упомянутой трубы 12 (фиг. 7, 8).
Пояснение термина - "скоба":
Скоба - крепежная деталь, представляющая собой в большинстве случаев изогнутую в виде дуги или буквы Π полоску металла, укрепляемую каким-либо способом в зависимости от своего назначения. Позволяет быстро и надежно зафиксировать элементы конструкции.
Она редко ломается от нагрузок и при перепаде температур (ru.wikipedia.ru).
Держатели 18 установлены на обеих торцах каждой профильной трубы 12(фиг. 8). При этом держатели 18 (вместе с неразъемно соединенными с ними плоскими профильными трубами) размещены вертикальным пакетом 21 с каждой стороны теплообменника 4 (фиг. 5, 6).
Наличие держателей 18 торцов труб в виде Π-образной скобы обеспечивает прочную фиксацию каждой трубы 12 в горизонтальном и вертикальном положениях, а последующее размещение держателей 18 вертикальным пакетом с каждой стороны теплообменника 4 позволило значительно повысить стабильность и прочность зафиксированного положения пакета плоских профильных труб 12 (фиг. 5, 6).
Такое прочное зафиксированное положение труб 12 позволило обеспечить прочность и надежность крепления к трубам термоэлектрических модулей 15, что значительно повысило качество механического контакта поверхностей термоэлектрических модулей и внешних поверхностей труб. Это позволило обеспечить стабильную, достаточно высокую холодопроизводительность.
Таким образом, наличие держателей 18 позволило значительно увеличить прочностные свойства конструкции заявляемого термоэлектрического кондиционера 1, что позволило обеспечить заявляемому устройству устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам, обеспечить безотказную работоспособность при значительных кренах и качках транспортного средства.
Элементы монтажных соединений теплообменника 4 со стороны входного 13 и выходного 14 патрубков выполнены в виде Ε-образной стенки 22 (см. фиг. 5, 6, 9), с внешней стороны которой установлены входной 13 и выходной 14 патрубки, а ее средняя горизонтальная часть скреплена с центральной частью пакета держателей 18 с возможностью образования входного 24 и выходного 25 фитинговых коллекторов (фиг. 6).
Элементы монтажных соединений теплообменника 4 с его противоположной стороны от входного 13 и выходного 14 патрубков выполнен в виде Π-образной стенки 28, соединенной с пакетом держателей 18 на упомянутой стороне теплообменника 4 с возможностью образования поворотного фитингового коллектора 27 (фиг. 5, 6).
Наличие в конструкции заявляемого кондиционера 1 элемента монтажных соединений теплообменника 4 со стороны входного 13 и выходного 14 патрубков, выполненного в виде Ε-образной стенки 22, с внешней стороны которой установлены входной 13 и выходной 14 патрубки, а ее средняя горизонталь неподвижно скреплена (например, пайкой) с центральной частью пакета держателей 18 с возможностью образования входного и выходного фитинговых коллекторов 25 и 26, а также элемента монтажных соединений в виде Π-образной стенки 28, соединенной с пакетом держателей 18 на противоположной стороне теплообменника 4 с возможностью образования поворотного фитингового коллектора 27, позволило обеспечить повышенные прочностные качества теплообменнику 4, а также обеспечить ему высокие герметичные свойства, что повысило надежность и эффективность подачи и удаления охлаждающей жидкости через теплообменник 4. Эти усовершенствованные конструкции значительно увеличили герметичность, прочность и выносливость заявляемого кондиционера 1, что позволило обеспечить заявляемому устройству в целом повышенную устойчивость к вибрационным и механическим нагрузкам, а также получить стабильную безотказную его работоспособность в жестких экстремальных условиях эксплуатации.
При этом число плоских профильных труб 12, сообщающихся с входным 24 фитинговым коллектором, установлено равным числу упомянутых труб 12, сообщающихся с выходным 25 фитинговым коллектором.
Благодаря такой конструкции значительно повышается скорость и эффективность съема тепла и переноса теплового потока с горячих сторон термоэлектрических модулей 15, обеспечивается интенсивная равномерность этих процессов, а также создаются условия для стабильного и надежного температурного режима для обеспечения безотказной работы термоэлектрических модулей 15 в процессе эксплуатации заявляемого термоэлектрического кондиционера. При этом холодные радиаторы 9 выполнены в виде набора множества прямых параллелепипедов 28 (фиг 5, 6), каждый из который составлен из множества изогнутых элементов Ζ-образной формы в сечении (поз. 29 фиг. 5, 6, 10, 13), причем горизонтальные части этих радиаторов 9 образуют две противоположные плоские боковые грани каждого из упомянутых параллелепипедов 28 (фиг. 10), размещенных с возможностью обеспечения плотного плоскостного контакта с холодными сторонами термоэлектрических модулей 15 (фиг. 5, 6), а наклонные части Ζ-образных элементов 29 образуют сквозные каналы 30 для продува сквозь них охлажденного воздуха(фиг. 5, 6, 10).
Благодаря такой конструкции, холодные радиаторы 9 (в виде множества прямых параллелепипедов) плотно уложены и зажаты между холодными сторонами термоэлектрических модулей 15 (фиг. 5, 6). При этом плоские поверхности параллелепипедов 28 холодных радиаторов 9 плотно прижаты к такой же по площади плоской поверхности холодных сторон термоэлектрических модулей 15. Этим обеспечен полноценный и надежный съем холода этой конструкцией радиаторов 9. С другой стороны такой зажим радиаторов 9 обеспечивает их надежное стабильно сжатое устойчивое положение, которое не меняется при тряске, кренах и вибрациях. Благодаря такой конструкции холодных радиаторов 9 и их креплению в заявляемом устройстве повышена прочность и надежность кондиционера, а также обеспечен эффективный съем охлажденного воздуха и подача его в зону дыхания человека, сидящего в небольшом пространстве кабины транспортного средства.
На передней панели корпуса блока охлаждения 3 размещены дефлекторы 32 (фиг. 1, 3) для изменения направления охлажденного воздуха, а также органы управления, индикации и необходимые переключатели с соответствующими символами (на фиг. не показаны).
Внутри на задней панели корпуса блока охлаждения 3 установлен электровентилятор 10, предназначенный для подачи воздуха к сквозным каналам 30 радиатора 9.
На правой боковой стенке блока охлаждения 3 через уплотнение выходит кабель с разъемом для подсоединения к блоку управления 6 и шпилька заземления для подключения минусового провода питания (на фиг. не показаны).
Блок управления 6 состоит из металлического корпуса с элементами крепления к изделию.
На боковой стенке блока управления 6 расположены разъемы для подсоединения блоков охлаждения 3 и питающего напряжения.
Блок 33 сброса тепла включает радиатор 7 сброса тепла и вентиляторы 8 сброса тепла. Радиатор 7 сброса тепла состоит из алюминиевого жидкостного радиатора 7, двух вентиляторов 8 сброса тепла, металлического корпуса для закрепления в изделии (фиг. 1, 2).
В верхней части радиатора 7 сброса тепла имеется узел для удаления воздуха из гидравлической системы при ее заполнении теплоносителем (на фиг. не показаны).
В нижней части радиатора 7 имеется штуцер, резиновый рукав и игольчатый кран для слива жидкого теплоносителя (на фиг. не показаны).
Насос 5 (электрический жидкостной насос) имеет электродвигатель, закрепленный на общем основании. Насос 5 имеет два патрубка - центральный 34 - для входа охлаждающей жидкости, и боковой патрубок 35 - для выхода охлаждающей жидкости. Кабель питания (на фиг. не показан) с разъемом обеспечивает подключение насоса 5 к блоку управления 6.
Данное устройство - термоэлектрический кондиционер 1 для транспортного средства - создано в качестве базового с возможностью изготовления разных вариантов исполнения. Каждый вариант исполнения отличается количеством блоков охлаждения. Так, для эксплуатации в подвижных транспортных средствах военной техники выпущены два варианта исполнения данного кондиционера: двухблочный и трехблочный, (см. прилагаемую рекламу на 3-х листах).
Размещение блоков указанного кондиционера следующее:
- блоки охлаждения 3 размещают в обитаемом отсеке транспортного средства (например, танка), при этом каждый блок 3 охлаждения устанавливают напротив каждого члена экипажа;
- остальные блоки устройства размещают снаружи на транспортном средстве.
Заявляемый термоэлектрический кондиционер для транспортного средства работает следующим образом.
Термоэлектрический кондиционер устанавливают на изделие и подключают к гидравлической системе изделия. Осуществляют заправку гидравлической системы охлаждающей жидкостью. Осуществляют подготовку к работе всех систем изделия.
Предусмотрена работа кондиционера в следующих режимах:
- режим кондиционирования - при температуре воздуха внутри обитаемого отделения не ниже 15°С;
- режим вентиляции - при температуре окружающего воздуха от минус 50°С до плюс 55°С.
Режим кондиционирования осуществляют следующим образом. При включении тумблера «Кондиционер» на панели блока охлаждения 3 включаются вентиляторы 8 радиатора 7 сброса тепла, электродвигатель электрического жидкостного насоса 5, вентилятор 10 блока охлаждения 3 и осуществляется подача питающего напряжения к термоэлектрическим модулям 15 охлаждения (ТЭМО). При протекании постоянного тока через ТЭМО на одной его стороне («горячей») тепло выделяется, а на другой стороне («холодной») тепло поглощается. Выделяющееся на «горячих» сторонах ТЭМО тепло поглощается теплоносителем (охлаждающей жидкостью), проходящим по каналам труб 12 и чрез выходной патрубок 14 по шлангам 2 подается в радиатор 7 сброса тепла, где мощными вентиляторами 8 удаляется во внешнюю среду.
Холод, выделяемый на холодных сторонах ТЭМО, снимается с этих сторон плоскими поверхностями холодных радиаторов 9 и вентилятором 8, с помощью продуваемого им воздуха через сквозные каналы 30 радиатора 9, подает охлажденный воздух через дефлекторы 32 в зону дыхания человека (например, командира танка), находящегося на рабочем месте с обитаемом отсеке (салоне, кабине) транспортного средства (см. фиг. 14).
Режим кондиционирования реализуется в каждом блоке охлаждения 3 независимо от состояния остальных блоков охлаждения.
Режим вентиляции осуществляют следующим образом.
Тумблером «Вентиляция» включают электродвигатель воздушного вентилятора 10 и воздух, забираемый в задней части блока охлаждения 3, выходит через дефлекторы 32, расположенные на его передней панели. Регулятор оборотов упомянутого электродвигателя вентилятора 10 позволяет плавно изменять количество подаваемого воздуха, устанавливая наиболее комфортные условия вентиляции. Поворотные дефлекторы 32 позволяют направить поток воздуха в желаемом направлении. Режим вентиляции реализуется в каждом блоке охлаждения 3 независимо от состояния остальных блоков охлаждения.
В заявляемом термоэлектрическом кондиционере для транспортного средства конструктивно решены следующие проблемы:
- конструктивно обеспечена возможность надежного съема тепла с горячих сторон термомодулей;
- конструктивно решена проблема по повышению эффективности переноса тепла;
- благодаря созданной новой конструкции холодного радиатора обеспечен качественный съем холода и подача охлажденного воздуха в область дыхания человека;
- конструктивно созданы температурные условия для стабильной отказоустойчивой работы термоэлектрических модулей.
При этом в заявляемой конструкции термоэлектрического кондиционера для транспортного средства обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:
- оптимальная компактность, технологичность и простота конструкции с жесткими ограничениями по массе, габаритам и техническим параметрам;
- стабильность заданных выходных параметров;
- повышенная прочность и выносливость как основных элементов в конструкции, так и соединяющих их средств;
- устойчивость к вибрациям и ударным нагрузкам (механические удары одиночного и многократного действия: 500/20g, синусоидальные вибрации с диапазоном частот 5÷500 Гц с амплитудой виброускорения 3g);
- высокая надежность эксплуатации;
- устойчивость при кренах и качках;
- минимальные эксплуатационные расходы и простота в обслуживании;
- автономное включение и выключение каждого блока;
- обеспечение работоспособности и сохранения необходимых параметров при высоких и низких температурах окружающей среды (в диапазоне температур окружающего воздуха от -50°С до +50°С и абсолютных высотах до 5000 м);
- обеспечение персонифицированной подачи струи прохладного воздуха в область дыхания каждому члену экипажа, находящемуся в жилом отсеке транспортного средства;
- обеспечение высокой пожароустойчивости при жестких экстремальных условиях эксплуатации;
- обеспечение требований к долговечности и сохраняемости: назначенный полный срок службы - не менее 15 лет, назначенный ресурс - не менее 6000 часов;
- обеспечение сохранения работоспособности после воздействия пониженной температуры до минус 65°С и повышенной температурой до плюс 70°С.
Таким образом, заявляемое техническое решение представляет собой оригинальный термоэлектрический кондиционер для транспортного средства, который отличается от известных решений высокой надежностью эксплуатации, оптимальной холодопроизводительностью, компактностью и небольшими размерами и весом, особой выносливостью и повышенной прочностью, длительным ресурсом безаварийной работы и стабильными выходными параметрами при эксплуатации в жестких экстремальных условиях.