НИЗКОШУМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ ПАССАЖИРСКОГО САЛОНА АВТОМОБИЛЯ

Изобретение относится к системам отопления и вентиляции пассажирских салонов легковых автомобилей, снабженных устройствами для уменьшения шума, при обеспечении заданной температуры и эффективной производительности воздухообмена в пространстве пассажирского салона при более высоком акустическом комфорте (более низком уровне производимого шума).
Известно устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, описанное в патенте РФ на изобретение №2170182, МПК В 60 Н 1/24, опубликованном 10.07.2001, содержащее корпус отопителя с двумя подводящими и одним отводящим каналами, вентилятор, заслонку управления отопителем. В нижней части корпуса отопителя расположен теплообменник, перед которым расположен подводящий канал, а за ним - канал для отвода подогретого воздуха. В средней части корпуса отопителя расположена камера смешивания, в которой сходятся подводящие каналы подогретого и холодного воздуха. В районе камеры смешивания расположена ведущая заслонка.
В патенте РФ на изобретение №2178744, МПК В 60 Н 1/12, опубликованном 27.01.2002, описано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, содержащее вентиляторную установку и корпус отопителя, в котором расположены заслонка управления отопителем, теплообменник и камера смешивания воздуха, имеющая выходы к воздуховодам.
В патенте РФ на изобретение №2228855, МПК В 60 Н 1/00, В 60 Н 1/12, опубликованном 20.05.2004, описано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, содержащее корпус отопителя, в котором расположены заслонка управления отопителем, заслонка обогрева салона, теплообменник и камера смешивания, имеющая выходы к воздуховодам для преднамеренной подачи воздуха в нижнюю часть пассажирского салона, на остекление и обеспечения вентиляции пространства пассажирского салона.
Подобную конструктивную концептуальную схему имеют большинство известных конструкций систем отопления и вентиляции пассажирского салона легковых автомобилей.
-1
Общим недостатком описанных выше известных устройств систем отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля является отсутствие в них интегрированных эффективных шумопонижающих устройств, обеспечивающих приемлемый акустический комфорт в пассажирском салоне легкового автомобиля. Что в большинстве случаев, приводит к беспрепятственной передаче (а зачастую - и к резонансному усилению излучения) звуковых волн в пассажирский салон легкового автомобиля, генерируемых электровентилятором, в частности его крыльчаткой на лопаточной частоте возбуждения f=nz/60, Гц (где n - обороты вала электродвигателя, мин, z - число лопастей крыльчатки), а также образуемых турбулизированными воздушными потоками, при обтекании различных неровностей и изгибов корпусных элементов системы, регулирующих заслонок в динамических процессах всасывания и нагнетания воздуха. Отмеченные, генерируемые звуковые волны, обнаруживаются водителем и пассажирами, и классифицируются в виде надоедливого утомляющего шума, снижающего акустический комфорт в пассажирском салоне легкового автомобиля с неблагоприятным на них воздействием с точки зрения их самочувствия, утомления и, в конечном итоге, безопасности эксплуатации легкового автомобиля.
Известны технические решения, в которых проблема снижения шума и обеспечения улучшенного акустического комфорта в системах отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля решается применением в них различных шумопонижающих элементов. В частности, известно устройство системы отопления и вентиляции кабины колесного транспортного средства типа сельскохозяйственной машины, описанное в патенте СССР на изобретение №914329, МПК В 60 Н 1/24, опубликованном 1982, которое содержит воздуховод, выполненный в виде короба, образованного боковыми стенками крыши машины, верхней и нижней панелей, сообщающийся с внешней атмосферой и внутренней полостью кабины, установленный в воздуховоде корпус с размещенным в нем нагнетающем роторе. С целью снижения уровня шума, в образованном коробе, параллельно боковым стенкам крыши установлены вертикальные панели типа делителей потока, разделяющие короб на центральную и изолированные боковые полости, в центральной полости перпендикулярно потоку воздуха установлены дополнительные панели, одна из которых, расположенная со стороны корпуса, выполнена с отверстиями, а другая - в виде фильтра, причем короб сообщен с кабиной в зоне, расположенной между
указанными дополнительными вертикальными панелями, а с атмосферой - за упомянутым фильтром.
В заявке ФРГ на изобретение №3826022, МПК В 60 Н 1/16, опубликованной 01.02.1990, описано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, содержащее, в частности, воздуховод, на спиралевидном входе которого размещена крыльчатка вентилятора, а его выход сообщен с объемом полости пассажирского салона, в прямолинейный участок воздуховода соосно вмонтирован камерный глушитель шума, стенки корпуса, которого выполнены в виде динамически податливой, демпфирующей пульсации воздушного потока, и ослабляющей передачу структурных вибраций и звука, гофрированной трубы.
В патенте Японии на изобретение №63255117, МПК В 60 Н 1/00, опубликованном 21.10.1988, описано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, содержащее корпус вентилятора с отводящими каналами, электровентилятор, впускное окно и заслонку управления вентилятором. Заслонка управления вентилятором выполнена в виде несущего каркаса, имеющего сквозное отверстие и закрытую полость, образуя, таким образом, акустический резонатор Гельмгольца, обеспечивающий, настроенное на узкополосное (по частоте) заглушение звуковой энергии. Кроме того, поверхность несущего элемента заслонки управления вентилятором, по ограниченной (малой) площади футерована слоем звукопоглощающего материала.
В данных известных технических решениях в определенной степени решается проблема уменьшения низкочастотной пульсирующей составляющей аэродинамического шума. Однако, в этом случае, эффективное снижение шума обеспечивается, как правило, только в ограниченном узкополосном низкочастотном и скоростном диапазоне работы. При этом, типичный спектр излучения шума систем отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля имеет широкополосный характер, перекрывающий практически весь частотный диапазон восприятия звука человеком (с характеристическим видом воспринимаемого шумового сигнала типа «белый шум»).
В патенте РФ на полезную модель №27016, МПК В 60 Н 1/04, G 10 K 11/00, опубликованном 10.01.2003, описано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, содержащее воздуховод, на спиралевидном входе которого размещена крыльчатка вентилятора, установленная на приводной электродвигатель, выход воздуховода сообщен с объемом пассажирского салона, интегрированное в стенке спиралевидного участка воздуховода шумопонижающее устройство, конструктивно выполненное в виде поднутрения, в котором размещена
панель из пористого звукопоглощающего материала, облицованного защитной звукопрозрачной пленкой, совмещенной заподлицо со стенками спиралевидного участка воздуховода. Использование описанного шумопонижающего устройства в составе системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, несмотря на относительную простоту его реализации, не позволяет, в ряде случаев, в достаточной степени ослабить интенсивный широкополосный аэродинамический шум, возникающий при обтекании скоростных потоков воздуха различных неоднородностей в виде неровностей и изгибов, содержащихся в воздушных трактах, сообщенных с пассажирским салоном легкового автомобиля. Также, при введении такого дополнительного шумопонижающего устройства, увеличиваются габаритные размеры улиткообразного воздуховода, т.к. звукопоглощающий материал устанавливается в конструктивно образованное поднутрение в его стенке, что не всегда приемлемо по компоновочным возможностям в стесненном пространстве монтажа систем отопления и вентиляции, в особенности, в варианте компактного модульного исполнения панели приборов (кокпита).
В патенте Франции на изобретение №2710880, МПК В 60 H1 1/34, опубликованном 14.04.1995, описано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля в котором для снижения шума, в качестве преднамеренно образованного делителя потока, способствующего эффекту снижения уровня шума. Сопло содержит, расположенное в полости воздуховода и содержащее внутреннюю юбку, ограничивающую центральный канал подачи воздуха, и наружную юбку, соосную с внутренней юбкой и ограничивающую кольцевой канал. Площадь проходного сечения кольцевого канала постепенно увеличивается в направлении истечения потока воздуха в кольцевом канале.
В заявке Японии на изобретение №2003-104045, МПК В 60 Н 1/00, 1/32, В 24 F 13/02, опубликованном 9.04.2003, описано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, содержащее отопитель (или кондиционер) и разветвленную систему воздуховодов. Воздуховоды с внутренней стороны футерованы пористым слоем звукопоглощающего материала. При этом, для увеличения образованной звукопоглощающей эффективности футеровки в известном частотном диапазоне наибольшего излучения звуковой энергии - пористый слой звукопоглощающего материала устанавливается с определенньм воздушным зазором по отношению к звукоотражающим стенкам воздуховодов.
В патенте Германии на изобретение №19960851, МПК В 60 Н 1/00, опубликованном 21.06.2000, описано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, содержащее корпус вентилятора и электровентилятор, в
конструкцию которого вводится дополнительно шумоизолирующий кожух, охватывающий шумоактивный корпус вентилятора. При этом, внутренние поверхности стенок кожуха футерованы пористым слоем звукопоглощающего материала, обеспечивающего определенный шумопонижающий эффект.
Основными недостатками описанных выше известных технических решений является вынужденное усложнение конструкции, увеличение габаритных размеров, увеличение стоимости системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля при введении дополнительных шумопонижающих устройств, т.к. появляется необходимость организации дополнительного пространства для их размещения, а также растет их материалоемкость, при весьма ограниченном получаемом шумопонижающем эффекте.
В патенте Германии на изобретение №3338775, МПК В 60 R 13/08, F 04 D 29/66, опубликованном 15.05.1985, описано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, содержащее корпус и систему воздуховодов. На входном отверстии корпуса установлен пористый слой звукопоглощающего материала с заданными жесткостными характеристиками (в частности - повышенной жесткостью пористого скелета), выполняющий одновременно, функцию несущей стенки в том месте, где он устанавливается. Недостатком данного технического решения является недостаточная звукопоглощающая эффективность пористого слоя звукопоглощающего материала ввиду придания его пористому скелету повышенных жесткостных свойств, что, как известно, приводит к ухудшению звукопоглощающей эффективности, в результате низкой динамической податливости, малой работы динамических деформаций пористого скелета под воздействием падающих звуковых волн, а следовательно и меньшим эффектом преобразования механической работы в теплоту (необратимо рассеиваемой в структуре пористого слоя). Расположение пористого слоя звукопоглощающего материала на входном отверстии корпуса может являться также причиной образования дополнительных турбулизированных шумообразующих потоков воздуха на кромках открытых срезов ячеек, а, следовательно - дополнительным источником генерируемого турбулентного шума при всасывании воздуха (с образованием шума типа высокочастотного свиста). Пористая структура слоя звукопоглощающего материала при всасывании воздуха создает также неизбежное дополнительное гидравлическое сопротивление всасываемому воздуху, что снижает производительность устройства (уменьшает нагнетаемый в полость пассажирского салона массовый расход воздуха), а следовательно, ухудшает, в определенной степени, его эксплуатационные качества, что нецелесообразно.
В заявке ФРГ на изобретение №3639138, МПК В 60 Н 1/00, опубликованной 19.05.1988, описано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, содержащее корпус, имеющий пластмассовые стенки в виде опорного каркаса, футерованные слоем пенопласта (вспененного пористого закрытоячеистого полимерного материала) с целью получения заданного эффекта снижения шума. Недостатком данного технического решения, в первую очередь, является, низкая звукопоглощающая способность материала футерующего стенки корпуса, т.к. жесткие вспененные пористые закрытоячеистые структуры материалов типа пенопласт, как известно, не являются достаточно эффективными звукопоглощающими материалами. Это, в конечном итоге, не позволяет в достаточной степени снижать шум системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля (используя при этом, что принципиально важно, малогабаритные шумопонижающие элементы из этого материала), несмотря на невысокие стоимостные и приемлемые эксплуатационные характеристики, обусловленные его закрытоячеистой структурой.
В качестве прототипа выбрано устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, описанное в заявке Японии на изобретение №61-220911, МПК В 60 H1 1/00, опубликованной 01.10.1986, содержащее корпус вентилятора, на входе которого размещена крыльчатка, приводимая во вращение электродвигателем, и регулирующая заслонка, при этом выходное окно корпуса вентилятора сообщено с полостью корпуса отопителя. Регулирующая заслонка содержит ось вращения, несущий монолитный каркас, на котором смонтирована плосколистовая звукопоглощающая футеровка. Представленное в качестве прототипа устройство системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля, включающее в своем составе регулирующую заслонку, плосколистовую звукопоглощающую футеровку из пористого материала типа «мягкого» открытоячеистого пенополиуретана (ППУ), не позволяет в достаточной степени эффективно снижать шум системы отопления и вентиляции пассажирского салона легкового автомобиля из-за вынужденного использования регулирующей заслонки малой площади поверхности, а, следовательно, возможности использования только малогабаритной звукопоглощающей футеровки, т.е. малой площади звукопоглощения с малым шумопонижающим эффектом. Одновременно, при работе системы отопления и вентиляции и происходящих в ней динамических процессах, происходит неизбежное паразитное резонансное излучение структурного шума, вызванное вибрационным возбуждением жесткой монолитной пластинчатой структуры регулирующей заслонки. Следовательно, использование такой конструкции системы отопления и вентиляции не позволяет в должной степени улучшать акустический
комфорт в пассажирском салоне легкового автомобиля, что, в конечном итоге, ухудшает его потребительские и эксплуатационные свойства.
Техническая задача, решаемая предполагаемым изобретением, заключается в повышении эксплуатационных свойств и эффективности устройства для отопления и вентиляции пассажирского салона автомобиля, путем создания условий, обеспечивающих уменьшение аэродинамических сопротивлений в воздушных каналах названного устройства, а также повышении долговечности конструкции.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что в известном низкошумном устройстве для обогрева и вентиляции пассажирского салона автомобиля, содержащем, в частности, спиралевидный корпус вентилятора, на входе которого размещена крыльчатка, приводимая во вращение электродвигателем, выход корпуса вентилятора сообщен посредством воздуховода с корпусом отопителя, содержащим подводящий и несколько отводящих каналов, теплообменник, регулирующие заслонки, содержащие ось вращения, выполненную заодно с несущим металлическим или полимерным каркасом, на котором адгезионно смонтирована одно- или двухсторонняя пористая звукопоглощающая футеровка, по крайней мере одна из лицевых сторон пористой звукопоглощающей футеровки, по крайней мере одной регулирующей заслонки, облицована звукопрозрачной газонепроницаемой пленкой или тканью. При этом, обе лицевые стороны пористой звукопоглощающей футеровки, по крайней мере одной отдельной регулирующей заслонки, могут быть облицованы звукопрозрачной газонепроницаемой пленкой или тканью.
Дополнительно, торцевые поверхности пористой звукопоглощающей футеровки облицованы звукопрозрачной газонепроницаемой пленкой или тканью, либо герметизированы слоем газонепроницаемого полимерного покрытия, либо оплавлены посредством термического воздействия.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в том, что за счет использования конструкции регулирующих заслонок в виде многослойных «сэндвичевых» структур, состоящих из внутреннего несущего (закладного) пластинчатого металлического или полимерного каркаса, футерованного с одной (по крайней мере) или двух сторон пористым слоем эффективного звукопоглощающего материала типа открытоячеистого ППУ, в свою очередь - облицованного с внешней стороны защитным, гладким, звукопрозрачным, динамически податливым слоем пленки или ткани, а с внутренней монтажной стороны - липким клеевым или термоадгезивным слоем, уменьшается аэродинамическое сопротивление проходящему воздушному потоку (в особенности - для высокопроизводительных устройств). Одновременно с этим,
исключается разрушающее воздействие внешней среды на структуру звукопоглощающего материала в процессе эксплуатации устройства, что не приводит к снижению звукопоглощающей эффективности футеровок, а, следовательно, и к ухудшению акустического комфорта в пассажирском салоне автомобиля.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из чертежей и следующего детального описания заявляемого устройства, где:
- на фиг.1 представлена схема низкошумного устройства для отопления и вентиляции пассажирского салона автомобиля;
- на фиг.2 представлена схема поперечного сечения корпуса отопителя низкошумного устройства для отопления и вентиляции пассажирского салона автомобиля;
- на фиг.3 представлена структура регулирующих заслонок низкошумного устройства для отопления и вентиляции пассажирского салона автомобиля, (а) - общий вид, (б) - структура в виде односторонней футеровки несущего каркаса, (в) - структура в виде двухсторонней футеровки несущего каркаса.
Низкошумное устройство для отопления и вентиляции пассажирского салона автомобиля содержит, в частности, спиралевидный корпус вентилятора 1, на входе 2 которого размещена крыльчатка 3, приводимая во вращение электродвигателем 4, выход спиралевидного корпуса вентилятора 5 сообщен посредством воздуховода 6 с корпусом отопителя 7. Корпус отопителя 7 содержит подводящий и несколько отводящих каналов, подающих воздушный поток на обогрев ветрового стекла 8, на обогрев и вентиляцию салона 9, 10, обогрев ног водителя и переднего пассажира 11 и обогрев ног задних
пассажиров 12. В нижней части корпуса отопителя 7 расположен теплообменник 13, перед которым расположен подводящий канал 14, а за ним отводящий канал 15 для отвода подогретого воздуха. Также в корпусе отопителя расположены камеры 16, 17, 18, в которые передается поток воздуха и в которых расположены регулирующие заслонки, к примеру, заслонка управления отопителем 19, заслонка обогрева салона 20, заслонка обогрева ветрового стекла 21. Отводящие каналы корпуса отопителя 10, 11, 12 сообщены с объемом пассажирского салона посредством воздуховодов 22 и распределяющих устройств 23, а отводящие каналы 8, 9 только посредством распределяющих устройств (на фиг. не показаны). Регулирующие заслонки 19, 20, 21 устройства содержат ось вращения 24, выполненную заодно с несущим металлическим или полимерным каркасом 25, одно- (по крайней мере) или двухстороннюю футеровку из пористого слоя звукопоглощающего материала 26 типа открытоячеистого ППУ, облицованного с внешней стороны защитным, гладким, звукопрозрачным, динамически податливым слоем пленки или ткани 27, а с внутренней монтажной стороны нанесенным монтажным липким клеевым или термоадгезивным слоем 28 сопряженным с поверхностью металлического или полимерного каркаса 25 регулирующих заслонок 19, 20, 21. Торцевые поверхности 29 пористой звукопоглощающей футеровки облицованы звукопрозрачной газонепроницаемой пленкой или тканью, либо герметизированы слоем газонепроницаемого полимерного покрытия, либо оплавлены посредством термического воздействия.
При работе низкошумного устройства отопления и вентиляции пассажирского салона автомобиля, на валу приводного электродвигателя вращается крыльчатка 3 с лопатками (лопастями), обеспечивая засасывание воздушного потока в улиткообразный корпус вентилятора 1, и его последующее нагнетание. При этом генерируется паразитные пульсации воздуха и аэродинамический шум на лопаточной частоте f=nz/60, где n - обороты вала электродвигателя, z - число лопастей крыльчатки. Всасываемый в улиткообразный корпус вентилятора 1 воздушный поток нагнетается через воздуховод 6 в корпус отопителя 7. Подаваемый устройством в пространство салона воздушный поток, в зависимости от задаваемого положения регулирующих заслонок 19, 20, 21, для обеспечения его подогрева может проходить через теплообменник 13 (проходя из объема 14 в объем 15), и далее передаваться в один или сразу несколько из объемов 16, 17, 18. Далее воздушный поток передается через соответствующие отводящие каналы 8, 9, 10, 11, 12 посредством сообщенных воздуховодов 22 и распределяющих устройств 23 непосредственно в пассажирский салон автомобиля. Всасываемый и нагнетаемый воздушный поток заданной производительности (расхода), определяемый скоростным
режимом работы электровентилятора 4 при обтекании неоднородностей, изгибов (поворотов), острых кромок отдельных элементов устройства и т.п., генерирует паразитные вихри и высокочастотный вихревой шум, транспортируемый по воздуховодам 22 и распространяемый в пространстве пассажирского салона в виде широкополосного надоедливого утомляющего шума вызывающего дискомфорт и чувство усталости водителя и пассажиров. Одновременно происходит возбуждение структурных вибраций и излучение структурного шума тонкостенными элементами устройства, т.к. оно выполняется из тонкостенных полимерных материалов. При прохождении воздушного потока по трактам, звуковые волны (низкочастотное излучение от пульсаций на лопаточной частоте, широкополосный вихревой шум, низкочастотное излучение структурного шума), падающие на регулирующие заслонки 19, 20, 21, проходят через защитный звукопрозрачный слой 27 в структуру пористого слоя футеровки 26, и, поглощаются в этом слое, за счет демпфирования пульсаций нагнетаемого воздуха и звуковых волн за счет преобразования их в работу динамических деформаций пористого скелета и трения распространяемых звуковых волн в пористой структуре с необратимым преобразованием (рассеиванием) в тепловую энергию. Находящиеся в составе всасываемого из внешней среды воздуха, мелкие аморфные частицы, жидкости, насекомые, проходят по всасывающему и нагнетательному трактам устройства, попадая на гладкую поверхность регулирующих заслонок 19, 20, 21, облицованную слоем защитной звукопрозрачной пленки 27, выносятся потоком воздуха. Это позволяет исключить накапливание в пористой открытоячеистой структуре звукопоглощающего материала футеровки мелких частиц, жидкостей, насекомых, исключить разрушение пористой структуры звукопоглощающего материала футеровки вследствие замерзания влаги в порах при низких температурах эксплуатации, а также снизить аэродинамическое сопротивление воздушного потока в трактах всасывания (нагнетания) при сохранении выполнения непосредственных разделяющих (регулирующих поток) функций регулирующих заслонок 19, 20, 21. Этому же способствует и герметизация торцев 29 звукопрозрачной газонепроницаемой пленкой или тканью, либо слоем газонепроницаемого полимерного покрытия, либо их оплавлением посредством термического воздействия.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанным выше конкретным конструктивным примером его осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными несущественные изменения различных элементов или материалов, из которых эти элементы выполнены, либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема притязаний, обозначенного формулой изобретения.