Устройство для обогрева салона автомобиля в экстремальных ситуациях (варианты)
DEVICE FOR HEATING CAR INTERIOR IN EXTREME SITUATIONS (VERSIONS)

Изобретение относится к области конструкции и эксплуатации транспортных средств, преимущественно автомобилей и может быть использовано при проектировании и дооснащении транспортных средств, работающих в экстремальных условиях при пониженных температурах окружающей среды, а также владельцами транспортных средств, использующихся в поездках по территории с неразвитой инфраструктурой.
Широко известны способы обогрева салона автомобиля путем отвода части теплоты от системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) или от специальной системы сжигания топлива, последние применяются преимущественно в транспортных средствах с ДВС с воздушным охлаждением (см., например, кн. А.П. Болштянский, Ю.А. Зензин, В.Е. Щерба. «Основы конструкции автомобиля». М.: Легион-Автодата, 2005, гл. 12, С.А. Шейнин, Н.Н. Стрюк. «Запорожец ЗАЗ-968М и его модификации». – М.: Машиностроение, 1991. - Стр. 53-55, рис. 12.1,  стр. 115-119, листы 66-67).
Для повышения эффективности и лучшего распределения теплого воздуха по салону применяются различные устройства, направляющие поток и регулирующие его температуру (см., например, патенты РФ № 2137929 «Система охлаждения двигателя и отопления салона», № 2228856 «Устройство распределения и подачи воздуха в салон автомобиля», № 2508209 «Обдуватель для пассажира», № 2582628 «Устройство управления вентиляцией для системы обогрева и/или кондиционирования воздуха транспортного средства» и др.).
Общим недостатком всех этих способов обогрева салона автомобиля, заключающихся в использовании для обогрева теплоты сгорания топлива, является тот факт, что в любом случае в автомобиле имеется ограниченный запас топлива, которого может не хватить для обогрева пассажиров, если автомобиль оказался в экстренной ситуации, когда движение невозможно, а температура атмосферы очень низкая.
Чаще всего такая ситуация возникает при сильном ветре и снежных заносах. Снежные заносы не дают возможность продолжать движение ни в прямом, ни в обратном направлении, а сильный ветер способствует быстрому охлаждению кузова автомобиля. Эти условия могут продолжаться несколько суток, что ставит под угрозу здоровье и жизнь людей, находящихся в автомобиле, т.к. топлива для обогрева кузова теплотой, выделяемой ДВС, может не хватить, что и происходило неоднократно на заснеженных трассах.
Известно также устройство для преобразования энергии движущейся внешней среды в механическую, электрическую или тепловую энергию, состоящее из ветрогенератора в виде турбины с преобразователем энергии (см. европейский патент ЕР 2128439 А1, «An intelligent decentralized electrical power generation system», 02.12.2009.
Недостаток такого устройства заключается в его громоздкости при попытке получения существенной мощности и практически невозможность использования в легковом автотранспорте, т.к. транспортировать такое устройство в разобранном виде и затем собрать на месте в случае необходимости нереально.
Технической задачей изобретения является создание достаточно мощного устройства для обогрева салона легкового автомобиля, которое легко перевозить в разобранном виде, собрать и использовать в экстренных ситуациях позволяет производить обогрев салона автомобиля при дефиците или отсутствии топлива, а также при невозможности пустить двигатель вследствие его неисправности.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для преобразования энергии движущейся внешней среды в механическую, электрическую или тепловую энергию, состоящем из турбины, состоящей из имеющего возможность вращения вала с закрепленными на нем пластинами, причем вал соединен с преобразователем энергии, согласно изобретению пластины выполнены в виде запорных элементов самодействующих клапанов.
Пластины могут быть закреплены на валу с возможностью поворота относительно одной из своих граней, причем напротив противоположной грани расположен упор, соединенный неподвижно с валом.
В преобразователе энергии вращения в тепловую энергию, состоящем из контактирующих вращающегося и неподвижного дисков, на одном из которых закреплены фрикционные накладки, согласно изобретению, на одной из плоскостей вращающегося диска могут быть изготовлены радиально расположенные пазы, центральная и периферийная зона которых соединены с салоном и кабиной автомобиля. При этом неподвижный диск может быть соединен с нажимным механизмом с возможностью перемещения вдоль оси вращения вращающегося диска.
На вращающемся диске по его окружности могут быть неподвижно закреплены постоянные магниты, а на корпусе преобразователя напротив этих магнитов при этом имеются электрические обмотки, выводы которых соединены через регулятор напряжения с электрическим обогревателем резистивного типа.
На вращающемся диске по его окружности могут быть радиально расположены пластины, при этом элементы корпуса образуют с пластинами заполненную жидкостью полость со стенками, расположенными с минимальным зазором от свободной торцовой поверхности пластин, причем центральная часть этого корпуса соединена с одним концом теплообменника, другой конец которого соединен с периферийной частью полости корпуса через канал, расположенный тангенциально к окружности диска.
В преобразователе энергии вращения в тепловую энергию, состоящем из пары дисков, один из которых вращается, а другой закреплен неподвижно, согласно изобретению эта пара снабжена центробежным автоматическим сцеплением.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично показан легковой автомобиль с установленной на нем турбиной в рабочем состоянии.
На фиг. 2 показан этот же автомобиль со снятой турбиной, которая в разобранном состоянии уложена в багажник.
На фиг. 3 и 4 схематично показана турбина с вертикально поворотными пластинами, а на фиг. 5, 6 и 7 – с горизонтально поворотными пластинами.
На фиг. 8 схематично показано сечение преобразователя энергии с плоскими дисками и генератором электроэнергии.
На фиг. 9 схематично показан преобразователь энергии в виде цилиндрического автоматического сцепления.
На фиг. 10 показана простейшая электрическая схема включения резистивного электрического нагревателя.
На фиг. 11 показан преобразователь энергии с радиально расположенными пластинами на вращающемся в жидкости диске, а на фиг. 12 – его простейшая гидравлическая схема.
На фиг. 13 показан вид сзади на автомобиль с опрокидывающейся турбиной для удобства ее сборки.
На фиг. 1 показан автомобиль 1 с установленными на нем турбиной 2 и преобразователем энергии 3. Турбина 2 крепится к установочному устройству 4 через переходник 5. Автомобиль имеет салон 6, багажник 7, двигатель внутреннего сгорания 8 с системой отопления салона 9.
На фиг. 2 показан автомобиль 1 с уложенной в багажник 7 разобранной турбиной 2.
Турбина 2 (фиг. 3) состоит из вала 10 с закрепленными на нем пластинами 11, которые выполнены в виде самодействующих клапанов. При сборке турбины вал 10 вставляется в переходник 5 (фиг. 1 и 2) и фиксируется в нем.
На валу 10 жестко с помощью, например, болтовых соединений, закреплены рамки 12, имеющие трубчатые грани 13, 14, 15, 16 и 17. Пластины 11 прикреплены на валу 10 с помощью граней 13 и 14 с возможностью поворота относительно них, причем напротив противоположной закреплению пластин граней 13 и 14 расположены упоры, соединенные неподвижно с валом 10. В данном примере в качестве упоров используются грани 14 и 15.  Для упора в эти грани пластины 10 снабжены выступами 18, на которых закреплены грузики 19.
С помощью кронштейнов 20 (фиг. 4) и пружин 21 и 22 пластины 11 прижимаются к своим упорам – граням 14 и 15. Кронштейны 20 неподвижно закреплены на гранях 14.
На этом же чертеже показаны силы, действующие на пластины 11, когда они находятся в приоткрытом состоянии:
C
-  F– центробежная сила;
V
- F  - сила воздействия ветра (показана контурными стрелками);
C+V
- F – сумма сил от действия ветра и центробежных сил;
P
- F – сила действия пружин 21 и 22;
0
- F  - общая суммарная сила.
На фиг. 5 и 6 показана такая же турбина с горизонтальным расположением осей вращения пластин 11.
На фиг. 8 схематично показано сечение преобразователя 3 (фиг. 1 и 2) энергии вращения в тепловую энергию, состоящего из контактирующих плоских вращающегося 23 и неподвижного 24 дисков. На диске 23 закреплены фрикционные накладки 25, в которых на плоскости имеются радиально расположенные пазы 26, центральная и периферийная зона которых соединены с салоном и кабиной автомобиля через окна 27 и 28. В эти окна могут быть вставлены шланги для целевого забора холодного и подачи теплого воздуха (показаны штриховыми линиями).
Неподвижный диск 24 через упругую прокладку 29 и плиту 30, шаровую опору 31 соединен с нажимным механизмом с возможностью перемещения его вдоль оси вращения. Нажимной механизм состоит из винта 32 и гайки 33, расположенной в крышке 34 корпуса 35. Штыри 36 служат для фиксации диска 24 от поворота. Упругая прокладка 29 служит для компенсации погрешностей изготовления, сборки и неравномерного износа дисков 23 и 24.
На вращающемся диске 23 по его окружности неподвижно закреплены постоянные магниты 37, а на корпусе 35 напротив этих магнитов установлены электрические обмотки 38, выводы которых соединены через регулятор напряжения 39 (фиг. 10) с электрическим обогревателем 40 резистивного типа, который устанавливается в салоне 6 (фиг. 1 и 2).
Диск 23 жестко соединен с валом 41, установленным в подшипниковом узле 42 и соединенным через переходник 5 (фиг. 1 и 2) с валом 10 турбины (фиг. 3-5).
На фиг. 9 показан преобразователь энергии вращения в тепловую энергию, состоящий из дисков, один из которых 23 вращается, а другой 24 закреплен неподвижно. Эта пара снабжена центробежным автоматическим сцеплением. Сцепление состоит из не менее, чем двух подковообразных пластин.42, на одном конце 43 которых закреплены фрикционные накладки 44, а другие концы установлены на осях 45, которые прикреплены к диску 23. На диске 24 выполнен кольцевой выступ 46 на одном уровне с пластинами 42. Внутренняя поверхность выступа 46 образует с накладками 44 пару трения.
К валу 41 вдоль его оси прикреплен штырь 47, на конце которого установлена крыльчатка 48.
На фиг. 11 показан преобразователь энергии вращения в тепловую энергию, состоящий из вращающегося диска 49, прикрепленного к трубчатому валу 41, и  расположенного в неподвижном корпусе, состоящем из верхнего 50 и нижнего 51 покрывных дисков, скрепленных между собой через кольцо 52.
На диске 49 по его окружности на обеих плоскостях радиально расположены пластины 53, а покрывные диски 50 и 51 образуют с пластинами 53 заполненную жидкостью полость 54 со стенками, расположенными с минимальным зазором от свободной торцовой поверхности пластин 53. Центральная часть корпуса преобразователя, образованного дисками 50, 51 и кольцом 52, соединена через отверстия 55 вала 41 и полость 56 крышки 57  с одним концом 58 теплообменника 59 (фиг. 12), другой конец 60 которого соединен с периферийной частью полости 54 корпуса через канал 61, расположенный тангенциально к окружности диска 49. Вентили 62 и 63 служат для изменения гидравлического сопротивления (нагрузки) теплообменника 59.
Устройство обогрева салона автомобиля работает следующим образом.
В походном состоянии установочное устройство 4 (фиг. 1 и 2) закреплено, например, на багажнике автомобиля 1, расположенном на крыше, преобразователь энергии 3 установлен в верхней части салона 6, а турбина 2 в разобранном состоянии находится в багажнике 7. В этом состоянии отопление салона 6 осуществляется за счет теплоты, выделяемой в системе отопления 9, получаемой за счет сжигания топлива в двигателе 8.
При возникновении ситуации, в которой необходимо получать дополнительную теплоту для обогрева салона 6, автомобиль 1 останавливается, и его водителем производится монтаж турбины 2 на установочном устройстве 4, при этом вал 10 (фиг. 3) стыкуется с валом преобразователя энергии с помощью переходника 5, после чего дополнительная система отопления готова к эксплуатации.
Преобразование энергии движения воздуха в крутящий момент производится за счет наличия в турбине 2 пластин 11, имеющих возможность поворота относительно граней 13 и 14. Эти пластины фактически играют роль препятствия для потока ветра и одновременно выполняют функции запорных органов самодействующих клапанов, перекрывающих поток ветра в прямом направлении, и открывающихся при повороте турбины, когда эти «клапаны» оказываются по отношению к потоку ветра противоположной стороной.
Этот процесс для вертикального положения осей поворота пластин 11 показан на фиг. 4.
В секторе Е-В-Г поток ветра стремится закрыть «клапаны», т.к. пластины 11, будучи предварительно поджатые пружинами 21, стремятся повернуться «по ветру» и упираются выступами 18 в упор, функции которого выполняют трубчатые грани 14 и 15.
В секторе Г-Д происходит обратное явление, благодаря которому пластины 11 поворачиваются против направления ветра, открывая ему пространство для прохода почти без сопротивления потоку.
При этом на каждую пластину действуют следующие силы:
C
-  F– центробежная сила – не дает возможности пластинам 11 «запрокинуться назад»;
V
- F  - сила воздействия ветра (показана контурными стрелками) – стремится открыть клапан;
C+V
- F – сумма сил от действия ветра и центробежных сил;
P
- F – сила действия пружин 21 и 22, позволяет ускорить закрытие клапана в конце движения в секторе Д-Е;
0
- F  - общая суммарная сила.
Оптимальное сочетание площади и массы пластины 11, массы грузика 19 и характеристик пластин 21 и 22 позволяет максимально быстро открыть клапан после прохождения точки Г и быстро закрыть его при подходе к точке Е.
На фиг. 5 и 6 показан аналогичный процесс для пластин 11, оси поворота которых расположены горизонтально. Эта конструкция проще и компактнее, работа клапанов обеспечена верхним положением осей поворота и нижним положением центра тяжести пластин и пояснения не требует. Однако, эта конструкция требует для своей работы скорости ветра несколько больше, чем обеспечиваемая конструкцией, изображенной на фиг. 3 и 4.
Следует отметить, что выше описанные конструкции турбины не требуют изменять ориентацию в зависимости от направления ветра.
В преобразователе энергии, показанном на фиг. 8, преобразование энергии вращения в тепловую энергию происходит за счет трения между вращающимися фрикционными накладками 25 и поверхностью неподвижного диска 24. Вращение накладок 25 происходит за счет вращения вала 41, к которому накладки прикреплены через диск 23.
Сила трения регулируется винтом 32, который через шаровую опору 31 и упругую прокладку 29 давит на неподвижный диск 24.
Изменение усилия, передаваемого винтом 32, позволяет обеспечить изменение силы трения, которая сопротивляется крутящему моменту, развиваемому турбиной, и обеспечить оптимальные устойчивые обороты турбины 2.
Радиальные пазы 26 в накладках 25 образуют центробежное колесо, которое при вращении закачивает холодный воздух из салона 6 через отверстия 27 и после его подогрева о поверхности трения между диском 24 и накладками 25 подает обратно в салон 6 через отверстия 28.
При необходимости  для лучшего распределения воздуха в салоне 6 могут быть использованы шланги (показаны штриховыми линиями).
Движение воздуха показано стрелками.
Кроме преобразования вращения непосредственно в теплоту, в данном примере конструкции преобразователя предусмотрена генерация электрического тока, для чего служат магниты, закрепленные по окружности на вращающемся диске 23, и расположенные напротив них на неподвижном корпусе электрические обмотки 38. При вращении диска 23 магниты поочередно проходят мимо обмоток 38, генерируя в них переменный электрический ток. Этот ток может быть превращен в теплоту электрическим обогревателем 40 резистивного типа, который устанавливается в салоне 6 (фиг. 1 и 2, фиг. 10).
Кроме того, вырабатываемая таким образом электрическая энергия может быть через соответствующий инвертор преобразована в постоянный электрический ток с напряжением бортовой сети и использована для подзарядки стартовой батареи, или для питания различного типа электрических и электронных устройств.
Подобным образом работает преобразователь, показанный на фиг. 9. Его электрическая часть полностью идентична устройству, изображенному на фиг. 8.
В этой конструкции так же энергия вращения превращается в теплоту за счет трения, которое происходит между вращающимися фрикционными накладками 44 и внутренней поверхностью неподвижного выступа 46.
При вращении диска 23 вместе с ним вращаются подковообразные пластины 42, которые под действием центробежных сил поворачиваются вокруг осей 45, в результате чего накладки 44 прижимаются к внутренней поверхности неподвижного выступа 46. Чем быстрее вращается диск 23, тем больше центробежные силы инерции, тем сильнее накладки 44 прижимаются к выступу 46, тем больше сопротивление сил трения и больше выделяется теплоты.
С другой стороны, увеличение сопротивления сил трения тормозит вращение диска 23, т.е. происходит автоматическое регулирование частоты вращения диска 23 за счет существования отрицательной обратной связи между частотой вращения и сопротивления сил трения, что положительно сказывается на стабильности работы устройства.
Проталкивание и подогрев воздуха о нагретую поверхность неподвижного диска 24 производится крыльчаткой 48. Холодный воздух всасывается через отверстие 27, подогревается и нагнетается через отверстие 28.
Выше были рассмотрены конструкции преобразователей энергии, в которых использовалось механическое преобразование энергии вращения в тепловую и электрическую энергию.
На фиг. 11 показан пример преобразователя гидравлического типа.
По существу, вращающийся диск 49 с лопатками 53, помещенный между покрывными дисками 50 и 51 представляют собой жидкостный насос центробежного типа, который всасывает жидкость из теплообменника 59 (фиг. 12), придает ей кинетическую энергию движения и проталкивает обратно в теплообменник 59. Во время движения и сопутствующего ему перемешивания жидкость трется о поверхности стенок насоса, коммуникаций и в теплообменнике 59, частицы жидкости трутся друг об друга, в результате чего температура жидкости повышается, и она способна отдавать теплоту в окружающую среду (салон 6 автомобиля 1) через стенки теплообменника 59.
Вентили 62 и 63 позволяют изменять площадь поверхности теплообмена и величину гидравлического сопротивления теплообменника 59, т.е. регулировать количество отдаваемой теплоты и сопротивление (трение) жидкости.
Удобная для сборки конструкция турбины 2 показана на фиг. 13 и 14. На турбине 2, имеется дополнительный подшипниковый узел 64.  Ведущий валик 65, соединен с вращающимся диском 23 или 49 в зависимости от конструкции преобразователя 3 через шлицевое соединение 66. Шарниры 67 и защелки 68 позволяют собирать турбину 2 в удобном положении рядом с автомобилем 1, после чего она стыкуется с преобразователем 3 и крепится к автомобилю 1.
Для оценки эффективности предложенного способа и действия устройств для его реализации можно провести оценочный расчет энергии, которая может быть получена таким способом, при установке системы на малолитражный автомобиль.
2
3
Х
1. Расчет силы F действия ветра на плоскость при умеренной скорости ветра 10 м/с, общей площади пластин 11 в одной рамке f = 1,0 м, плотности воздуха ρ = 1,23 кг/м, коэффициенте лобового сопротивления для плоской пластины С = 1,17:
2. Путь S, пройденный плоскостью рамок при воздействии ветра за один оборот при среднем радиусе вращения геометрического центра пластин R = 1,0 м:
S = 2π⋅R = 2⋅3,14⋅1,0 = 6,28 м
3. Работа A, произведенная ветром за один оборот
А = F⋅S = 72⋅6,28 = 452 Дж
-1
4. Мощность, отнятая у ветра при частоте вращения турбины n = 5 с (300 оборотов в минуту):
N = A⋅n = 452 ⋅5 = 2260 Вт
0
γ
5. Фактически полученная тепловая мощность N с учетом неполного открытия пластин при движении навстречу ветру, коэффициент k = 0,5, и явлении скольжения потока воздуха при нахождении плоскости пластин 11 под средним углом 45 градусов к направлению ветра, коэффициент  k = 0,7
0
γ
N = N⋅k⋅ k = 2260⋅0,5⋅0,7 =  791 Вт.
Этой мощности должно вполне хватить для поддержания плюсовой температуры в салоне малолитражного автомобиля типа «Лада-Калина» при температуре окружающей среды около -20° С. При более низкой температуре необходимо будет время от времени включать двигатель для дополнительного прогрева салона.
Для обогрева салонов более крупных транспортных средств, естественно, размеры турбины (суммарная площадь пластин 11 в одной рамке, радиус центра рамки) должны иметь большее значение.
Предложенное устройство для обогрева салона автомобиля позволяет поддерживать приемлемую для существования человека температуру внутри салона в экстренных ситуациях при низкой температуре окружающей среды и дефиците топлива, или при отказавшем двигателе внутреннего сгорания. Не требуется ориентации турбины относительно направления ветра.
Кроме того, использование в преобразователе энергии движения воздуха электрического генератора дает возможность подзарядить стартовую батарею для надежного пуска двигателя, а также при длительной стоянке пользоваться различными электрическими и электронными приборами без ущерба для заряда стартовой батареи – подогрев пищи, работа связной аппаратуры, освещение и  т.д. Последнее может быть также чрезвычайно полезно и для повышения комфорта при длительных путешествиях в незаселенной местности – различного рода экспедиции, активный отдых, а также при проведении сельскохозяйственных работ, мероприятий служб МЧС и т.д.
Описанная конструкция компактна, легко разбирается и собирается, не занимает в разобранном виде много места в багажнике автомобиля, салоне или автоприцепе, обладает достаточно большой мощностью для обогрева салона современных легковых автомобилей и других транспортных средств, а также для энергоснабжения при длительной стоянке. В связи с изложенным, следует считать, что поставленная техническая задача полностью выполнена.