термоэлектрическое устройство для создания микроклимата в салоне автомобиля

Формула изобретения

Термоэлектрическое устройство для создания микроклимата в салоне автомобиля, содержащее кондиционер с термобатареями, холодные и горячие спаи которых присоединены к теплообменникам, радиатор сброса тепла с горячих спаев термобатарей, соединенный с горячим теплообменником замкнутым жидкостным контуром и установленный перед радиатором системы охлаждения двигателя, включающей в себя отопитель с вентилятором и радиатором, отличающееся тем, что оно снабжено пластинами из пористого материала, установленными по обе стороны радиатора отопителя с образованием каналов для его вентиляции и снабженными системой орошения, при этом радиатор отопителя включен в замкнутый жидкостной контур, соединяющий радиатор сброса тепла с горячим теплообменником, причем упомянутый жидкостной контур снабжен управляющим устройством, установленным с возможностью его подключения к системе охлаждения двигателя, вентилятор отопителя и пластины из пористого материала сообщены с салоном и подкапотным пространством посредством воздуховода с системой регулирующих заслонок, при этом вентилятор установлен с возможностью реверса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к термоэлектрическим автомобильным кондиционерам, при использовании эффекта Пельтье с целью создания комфортного микроклимата в салоне автомобиля.

Известен термоэлектрический автомобильный кондиционер, содержащий термобатареи с теплообменниками холодного и горячего спаев, соединенными с коллектором нагнетаемого воздуха и с патрубками отвода нагретого и охлаждаемого потоков воздуха [1]

Недостатком данного устройства является малая энергетическая эффективность из-за невозможности развития поверхности горячего теплообменника (радиатора) при ограниченных габаритах и значительных теплоперетоках между теплообменниками и от горячего патрубка к холодному, из-за их близкого размещения и из-за недостаточной мощности вентилятора. Этот недостаток устранен в наиболее близком к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому эффекту термоэлектрическом устройстве для создания микроклимата в автомобиле [2] благодаря тому, что используется вынесенный за пределы кондиционера эффективный горячий радиатор сброса тепла, устанавливаемый перед радиатором двигателя. Охлаждение упомянутого радиатора организуется мощным потоком набегающего воздуха. Упомянутый радиатор связан с горячими спаями замкнутым жидкостным контуром через компактный и эффективный жидкостный теплообменник. Благодаря компактности последнего сведены к минимуму нежелательные теплоперетоки к холодным спаям термобатарей, благодаря вынесению горячего радиатора за пределы кондиционера реализована возможность уменьшения габаритов и увеличения холодопроизводительности кондиционера в салоне, в конечном итоге повышается энергетическая эффективность благодаря увеличению эффективности вынесенного горячего радиатора.

Упомянутое термоэлектрическое устройство для создания микроклимата в салоне автомобиля позволяет работать в различных климатических условиях и содержит кондиционер с термобатареями, холодные и горячие спаи которых присоединены к теплообменникам, радиатор сброса тепла с горячих спаев термобатарей, соединенный с горячим теплообменником замкнутым жидкостным контуром и установленный перед радиатором системы охлаждения двигателя, которая (система) включает в себя отопитель с вентилятором и радиатором.

Недостаток известного устройства недостаточная эксплуатационная надежность из-за невозможности обеспечения комфортного микроклимата в условиях жаркого климата либо в условиях сильных морозов из-за недостаточно высоких значений холодо- и теплопроизводительности кондиционера, из-за недостаточной эффективности радиаторов и больших значений теплопритоков в салон из подкапотного пространства (в жарких условиях).

Задача изобретения повышение эксплуатационной надежности.

Указанная задача достигается тем, что устройство снабжено пластинами из пористого материала, установленными по обе стороны радиатора отопителя с образованием каналов для его вентиляции и снабженными системой орошения, при этом радиатор отопителя включен в замкнутый жидкостной контур, соединяющий радиатор сброса тепла с горячим теплообменником, причем упомянутый жидкостной контур снабжен управляющим устройством, установленным с возможностью его (контура) подключения к системе охлаждения двигателя, вентилятор отопителя и пластины из пористого материала сообщены с салоном и подкапотным пространством посредством воздуховода с системой регулирующих заслонок, при этом вентилятор установлен с возможностью реверса.

На фиг. 1 схематично изображено устройство для создания микроклимата; на фиг. 2 компоновка радиатора отопителя с пластинами из пористого материала и с системой регулирующих заслонок; на фиг. 3 управляющее устройство подключения к системе охлаждения двигателя.

В таблице приведены результаты расчетного сравнения характеристик предлагаемого и известного устройств.

Термоэлектрическое устройство для создания микроклимата в салоне 1 автомобиля содержит кондиционер 2 с термобатареями 3, холодные 4 и горячие 5 спаи которых присоединены к теплообменникам: холодному радиатору 6 и горячему жидкостному теплообменнику 7, радиатор 8 сброса тепла с горячих спаев термобатарей, соединенный с горячим теплообменником 7 замкнутым жидкостным контуром 9 и установленный перед радиатором 10 жидкостной системы 11 охлаждения двигателя 16, включающей в себя отопитель 12 с вентилятором 13 и радиатором 14, вентилятор 15 кондиционера, насос 17 кондиционера, насос 18 охлаждения двигателя, пластины 19 из пористого материала, установленные по обе стороны радиатора 14 отопителя 12 с образованием каналов 20 для вентиляции радиатора 14, систему орошения 21 пластин 19, представляющую собой индивидуальные для каждой из сторон емкости с водой, установленные по обе стороны радиатора, причем пластины погружены своими основаниями в упомянутые емкости, при этом радиатор 14 отопителя 12 включен в замкнутый жидкостной контур 9 последовательно с горячим теплообменником 7 кондиционера, управляющее устройство, которым снабжен замкнутый водяной контур, представляющее собой два золотниковых механизма 22 и 23, установленные с возможностью подключения замкнутого жидкостного контура 9 к жидкостной системе 11 охлаждения двигателя 16, воздуховод 24 с системой регулирующих заслонок 26 и 27, посредством которых вентилятор 13 отопителя и пластины 19 из пористого материала сообщены с салоном 1 и подкапотным пространством 25 либо с салоном 1 и набегающим потоком наружного воздуха через вентиляционную решетку 28.

Устройство работает следующим образом.

В летнее время в режиме кондиционирования воздуха в салоне 1 термобатареи 3 кондиционера 2 подключаются к бортовой электрической сети постоянного тока таким образом, что холодными спаями 4 поглощается тепло, а на горячих спаях 5 оно выделяется. Тепло, поглощаемое холодными спаями, поступает через холодный теплообменник (радиатор) 6 из потока вентилирующего его охлаждаемого воздуха. Поток охлаждаемого воздуха поступает в радиатор 6 из окружающей среды с температурой 32^oC и выходит из него с температурой 20,9^oC. Движение потока организуется вентилятором 15, обеспечивающим его подачу в салон в количестве 617 м³/ч. При движении в радиаторе влага из потока практически не выпадает: относительная влажность окружающего воздуха 30%

Тепло, выделяемое на горячих спаях 5, поступает через присоединенный к ним горячий теплообменник 7 в поток жидкости (например, воды), поток жидкости нагревается при движении, насосом 17 подается в радиатор 8 сброса тепла, соединенный с теплообменником 7 замкнутым жидкостным контуром 9, в который последовательно с теплообменником 7 включен радиатор 14 отопителя 12. Радиатор сброса тепла установлен перед радиатором 18 системы 11 охлаждения двигателя 16. Нагретый в теплообменнике 7 поток жидкости охлаждается в радиаторе 8 потоком вентилирующего воздуха с температурой 32^oC, затем поступает в радиатор 14 отопителя, где дополнительно охлаждается, и снова поступает в теплообменник 7.

Дополнительное охлаждение жидкости в радиаторе 14 осуществляется благодаря вентиляционному и водоиспарительному эффектам, реализуемым следующим образом.

Вентилятор 13 отопителя 12 подает в последний из салона 1 поток воздуха в количестве, близком или равном количеству воздуха, поступающего в салон из кондиционера (герметичный салон). Поступающий из салона поток воздуха имеет температуру 26^oC, направляется в каналы 20, образованные пластинами 19 из пористого материала, установленными перед радиатором 14 отопителя 12. Пластины перед радиатором 14 погружены своими основаниями в индивидуальную емкость с водой, являющуюся частью (половиной) системы орошения 21. Благодаря действию капиллярного эффекта пластины поглощают влагу, а их смоченные поверхности являются стенками каналов 20. Воздух при движении в каналах, благодаря теплообмену со стенками каналов, отдает тепло в количестве, необходимом для испарения влаги с поверхностей пластин 19. При этом воздух в каналах 20 увлажняется и охлаждается до температуры 19,8^oC, с которой осуществляется вентиляция радиатора 14 отопителя, благодаря нормальной ориентации каналов 20 по отношению к радиатору.

Радиатор отопителя является дополнительным по отношению к радиатору 8 устройством для сброса тепла из потока жидкости в контуре 9, причем вентилирующий поток имеет пониженную температуру. Благодаря этому средняя (и практически постоянная в замкнутом контуре 9 благодаря большому расходу жидкости) температура жидкости составляет 37,7^oC, что значительно ниже ее температуры в известном устройстве (50,75^oC). Это преимущество приводит к повышению холодопроизводительности кондиционера на 29,5% 2220 вместо 1715 Вт. Эффект от предложенного технического решения может быть реализован только при организации выброса из салона потока воздуха на выходе из радиатора 14, нагретого до t_вых 35,74^oC.

При упомянутом значении температуры поток воздуха без ущерба для охлаждения салона может удаляться в окружающую среду, т.к. 35,74^oC>t_окр 32^oC. Однако, вопреки приведенному примеру, могут быть случаи t_вых<t.

По упомянутым причинам наибольшего эффекта кондиционирования можно достичь при выбросе влажного воздуха в подкапотное пространство 25 с целью создания эффективной вентиляции последнего, что приводит к уменьшению теплопритоков в салон.

Эффективность охлаждения воздуха в подкапотном пространстве повышается благодаря установке пластин из пористого материала по обе стороны радиатора отопителя, так как группа пластин, установленных после радиатора, при их связи с системой орошения, позволяет снизить температуру воздуха с 35,74 до 29,6^oC.

Вентиляция подкапотного пространства осуществляется благодаря тому, что вентилятор 13 отопителя и пластины 19 из пористого материала сообщены с салоном посредством воздуховода 24 с системой регулирующих заслонок 26 и 27.

Работа в рассмотренном режиме осуществляется при горизонтальном (фиг. 2) положении заслонки 26, перекрывающей сообщение с окружающим воздухом через вентиляционную решетку 28. Заслонка 27 (фиг. 2) находится также в горизонтальном положении, обеспечивающем максимальный поток воздуха в подкапотное пространство, однако может быть частично опущена с целью регулирования микроклимата: так, при уменьшении расхода воздуха усиливается эффект его охлаждения в каналах 20, образованных пластинами 19, при попутном росте подогрева потока воздуха в радиаторе 14. Благодаря противоположному влиянию этих факторов на эффект охлаждения обосновано оптимальное регулирование расхода воздуха заслонкой 27 при компенсации материального баланса инфильтрацией воздуха через неплотности ограждений салона.

Заслонка 26 может находиться в вертикальном положении. При этом осуществляется подача окружающего воздуха в салон, что целесообразно в условиях сухого климата. При этом эффект водоиспарительного охлаждения может быть достаточным для создания комфортного микроклимата при значительном уменьшении мощности, потребляемой кондиционером 2.

При этом включается реверс вентилятора 13. В зимнее время указанная схема вентиляции реализуется в режиме отопления. Упомянутые режимы реализуются при изменении направления движения потока воздуха благодаря установке вентилятора 13 с возможностью реверса: прямые лопатки вентилятора и реверсивный электродвигатель.

При работе в летнее время в режиме кондиционирования управляющее устройство, которым снабжен замкнутый жидкостной контур, а именно золотниковые механизмы 22 и 23, включены согласно положению I (фиг. 3), обеспечивающему отключение замкнутого жидкостного контура 9 от системы 11 охлаждения двигателя.

Предложенное техническое решение позволяет также улучшить эффект вентиляции радиатора 10 системы охлаждения двигателя благодаря уменьшению тепловой нагрузки на радиатор 8 сброса тепла: температура воздуха на входе в радиатор 10 составляет 33,6^oC вместо 37,3^oC, что повышает экономичность двигателя и его эксплуатационную надежность по сравнению с известным устройством [2] При использовании предложенного технического решения температура воздуха в подкапотном пространстве снижается с 83 до 58^oC. В конечном итоге воздух в салоне имеет температуру t 26^oC и влажность 47,5% при температуре окружающего воздуха 32^oC и влажности 30%

При использовании известного устройства t 29^oC, v 40% предложенное устройство обеспечивает ощущение комфорта в салоне: "эффективная" температура t_эф 22,2^oC. Известное устройство обеспечивает ощущение, близкое к "жарко": t_эф 25,3^oC.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет улучшить условия микроклимата в салоне в условиях жары ценой затрат воды на испарение (3,6 л/ч) при неизменных энергозатратах на кондиционирование (потребляемая термобатареями электрическая энергия даже несколько уменьшается: с 2270 до 2180 Вт), при неизменной конструкции кондиционера благодаря использованию радиатора отопителя.

Вместе с тем повышается экономичность и эксплуатационная надежность двигателя. В результате повышается эксплуатационная надежность устройства в целом.

В зимнее время эксплуатации автомобиля управляющее устройство - золотниковые механизмы 22 и 23 переводятся в положение II (фиг. 3) в связи с необходимостью исключения из работы радиатора 8 сброса тепла.

Насос 17 кондиционера выключен. Насос 18 охлаждения двигателя работает на циркуляцию жидкости (антифриз) параллельно через рубашку двигателя 16 и последовательно включенные теплообменник 7 кондиционера и радиатор 14 отопителя. Термобатареи 3 кондиционера 2 либо отключены от электрической бортсети автомобиля, либо подключены к ней в обратной режиму кондиционирования полярности и работают с малым энергопотреблением. Тепловой поток на холодных спаях 4 и горячих спаях 5 меняет направление: на холодных спаях 4 он направлен в поток воздуха, вентилирующего радиатор 6 кондиционера, на горячих спаях 5 он направлен из циркулирующего потока жидкости к горячим спаям.

Нагретый в кондиционере 2 поток воздуха подается в салон, циркулирует в его объеме, охлаждается и, как и в указанном на фиг. 2 режиме кондиционирования, поступает в подкапотное пространство. Упомянутый поток на входе в подкапотное пространство имеет температуру, значительно превышающую (на 30^oC) температуру окружающей среды. При этом система 21 орошения пластин 19 выключена: емкости с водой опорожнены.

Таким образом, предложенное устройство в зимнее время может работать одновременно на отопление салона 1 и подкапотного пространства 2. Последнее обстоятельство дает преимущество в ускорении пускового режима благодаря подогреву аккумулятора и двигателя при сильных морозах.

При умеренном холоде допустимо некоторое охлаждение подкапотного пространства. При этом устройство работает по схеме кондиционирования (фиг. 2 и положение I фиг. 3 управляющего устройства), но при обратной режиму кондиционирования полярности и исключении из работы системы 21 орошения.

Кондиционер работает как тепловой насос, подохлаждая поток воздуха, вентилирующего радиатор 8. При этом увеличивается теплопроизводительность термобатарей благодаря отбору тепла из окружающего воздуха.

В конечном итоге предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность отопительного режима, что соответственно приводит к повышению его эксплуатационной надежности.