Устройство для создания микроклимата в комфортной зоне

 

Устройство относится к системам охлаждения или нагрева воздуха локальной области полуоткрытого пространства и предназначено для создания заданного температурного режима в комфортной зоне размещения людей или предметов. Теплоизолирующий непрозрачный экран размещен над комфортной зоной. В верхней части экрана расположен не менее чем один тепловой насос, блок питания, основной вентилятор, управляющий переключатель и регулятор. Тепловой насос содержит термоэлектрический модуль Пельтье, теплообменники и вентилятор. Техническим результатом является компактность устройства и небольшой вес. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к системам охлаждения или нагрева воздуха локальной зоны полуоткрытого пространства и предназначено для создания заданного температурного режима в комфортной зоне размещения людей или предметов.

Известно вентиляционное устройство помещения [1], предназначенное для поддержания заданных параметров воздушной среды в локальной зоне помещения. В нем две параллельные колонки примыкают к противоположным сторонам воздухоподающих элементов в виде вертикальных коробов и имеют со стороны локальной зоны продольные воздуховыпускные решетки и регуляторы потока. Истекающие из решеток воздушные плоские потоки образуют воздушные завесы, отделяющие зону от остального помещения. Это устройство принципиально стационарно и не создает комфортных условий внутри локальной зоны.

Известно термоэлектрическое устройство [2] для создания микроклимата в автомобиле, содержащее кондиционер с заслонкой, генератор с автономными термоэлектрическими батареями, горячие и холодные спаи которых присоединены к теплообменникам, переключатель полярности, расположенный между холодными спаями термобатареи генератора и горячими спаями термобатареи замкнутый водяной контур, а также установленный на заслонке кондиционера механизм управления. Использование этого устройства ограничено автотранспортными установками с двигателями внутреннего сгорания.

Известна также климатическая система регулирования температуры сиденья [3] , принятая нами за прототип. Система содержит сиденье с регулируемой температурой, по меньшей мере один тепловой насос, термодатчик теплового насоса и регулятор. Тепловой насос содержит несколько термоэлектрических модулей Пельтье для доведения температуры воздуха до заданного значения в основном теплообменнике и основной вентилятор для подачи кондиционированного воздуха из основного теплообменника в сиденье. Модуль Пельтье и каждый основной вентилятор можно регулировать вручную через управляющий переключатель или по сигналу управления. Регулятор предназначен для автоматического регулирования работы модулей Пельтье и каждого основного вентилятора в соответствии с логическими схемами регулирования температуры.

Известное устройство [3] достаточно сложно, дорого и предназначено для создания комфортных условий человека на сиденье, т.е. зона действия этого устройства ограничена в пространстве и не допускает перемещений человека.

Решаемая техническая задача - создание, по возможности, простыми средствами и без ограничений, связанных с привязкой к месту, комфортных условий в зоне размещения человека или предметов, когда температура окружающей среды отличается от порога комфортности (порядка +24^oC).

Поставленная задача решается следующим образом. Над зоной, в которой должны быть обеспечены комфортные условия, т.е. над комфортной зоной устанавливают теплоизолирующий непрозрачный полуоткрытый экран, выполненный, например, в виде зонтика, полусферы, полуцилиндра и т.п. В верхней части экрана устанавливают не менее чем один тепловой насос, содержащий термоэлектрический модуль Пельтье с теплообменниками и вентилятор.

Устройство снабжено блоком питания, содержащим источник питания и преобразователь, а также управляющий переключатель, основной вентилятор и регулятор. Устройство работает следующим образом. В соответствии с условиями конкретно решаемой задачи (параметры внешней среда и поверхности, заданная разность температур комфортной зоны и внешней среды, размеры комфортной зоны, особые условия) определяют требуемую холодопроизводительность, размеры и форму экрана, тип модулей Пельтье, количество тепловых насосов, их размещение на экране и т.п. После включения управляющим переключателем блока питания, нужной полярности и, при необходимости, основного вентилятора тепловой насос начинает вырабатывать холод (тепло). Далее рассматриваем случай снижения температуры по сравнению с окружающей средой. Горячий воздух под действием сил конвекции поднимается вверх и в местах контакта холодного спая модуля с теплообменником охлаждается и опускается вниз, создавая устойчивую зону циркуляции, геометрические размеры которой и распределение температуры в ней зависят от внешних факторов (боковой ветер, теплоотдача поверхности под экраном и др.) и определяют размеры зоны, где температура существенно (на 5-10^oC) отличается от окружающей. Размеры такой комфортной зоны определяются экспериментально в каждом конкретном случае и зависят от конфигурации и размеров самого экрана, высоты его нижнего края над поверхностью и от температурного напора, равного разности температур холодного спая термоэлектрического модуля и окружающего воздуха.

Элементы предлагаемого устройства общеизвестны, доступны и не требуют дополнительной конструкторской доработки. Выбор типа и параметров элементов устройства зависят от конкретно решаемой задачи.

Блок питания может быть как стационарным, так и автономным. Тип источника питания, его мощность и тип преобразователя определяются выбранным типом термоэлектрического модуля Пельтье. Так, для элемента Пельтье на металлическом основании необходимо питание постоянным напряжением 12(24) вольта. В частной случае, в качестве источника питания могут быть использованы известные солнечные батареи.

В качестве управляющего переключателя может быть использован любой переключатель, функционально эквивалентный набору тумблеров и осуществляющий следующие операции: включение/выключение блока питания, включение основного вентилятора, переключение полярности.

Наличие в тепловом насосе вентилятора, предназначенного для обдувания горячих спаев термоэлектрического модуля Пельтье, необходимо. Количество таких вентиляторов равно количеству тепловых насосов, а тип вентилятора (его мощность) зависит от выбранного типа модуля. Наличие в устройстве основного вентилятора, предназначенного для подачи воздуха в комфортную зону, в общем случае, не является необходимым, и его включение зависит, например, от желания ускорить процесс создания комфортных условий или от индивидуального желания потребителя.

Регулятор предназначен для автоматического регулирования работы модулей Пельтье. Он может быть выполнен, например, в виде температурного реле, поддерживающего заданный режим температуры, либо путем отключения (включения) блока питания, либо снижением (повышением) потребляемой мощности для изменения хладопроизводительности.

Выбор теплоизолирующего (для снижения теплообмена с внешней средой) и непрозрачного (для уменьшения нагрева прямым излучением) материала для экрана определяется спецификой решаемой задачи. Это могут быть специальные материалы (например, пленка и др.). Экран может быть выполнен многослойным с изолирующим слоем.

Для подтверждения возможности практической реализации предлагаемого технического решения была проведена экспериментальная проверка. Известно, что разница между холодным и горячим спаями термоэлемента Пельтье на металлическом основании, выполненного в однокаскадном варианте, составляет порядка 72^oC, при эффективной работе теплообменника (радиатор с эффективной поверхностью 500 см ) температура холодного спая составляет от -20^oC до -30^oC. Экспериментально показано, что по истечении 10-15 мин с момента включения блока питания, температура воздуха на уровне 0,5 м от теплообменника (для зонтика из плотной трехслойной ткани с изолирующим слоем диаметром 2 м в виде полусферы) снижается на 5-7^oC без использования основного вентилятора. Через 30 мин разница температур по сравнению с окружающей средой составляет 8-12^oC.

Таким образом, в предлагаемом устройстве сравнительно простыми средствами достигается создание более комфортных условий в зоне действия экрана по сравнению с окружающей средой. Благодаря компактным размерам, близким к известным дождевым зонтикам, сравнительно небольшому весу (не более 5-10 кг, включая солнечную батарею или аккумулятор, преобразователь, термомодули и теплообменники, вентиляторы) появляется возможность создания небольших устройств, которые могут перемещаться человеком в неблагоприятных климатических условиях или при решении специальных задач без привлечения дополнительных механизмов (т.е. перемещать комфортную зону вместе с объектом защиты), что существенно расширяет сферу его использования.

ЛИТЕРАТУРА 1. А. с. N 1322026, F 24 F 7/00, Л.В.Павлухин и др. "Вентиляционное устройство помещения", БИ N 25, 1987 г.

2. А. с. N 1010413, F 25 B 21/02, Г.Л.Серебряный. "Термоэлектрическое устройство для создания микроклимата", БИ N 13, 1983.

3. Пат. WO N 9605475, F 25 B 21/02 "Климатическая система регулирования температуры сиденья", ИСМ вып. 076, N 1, 1997 г.

Формула изобретения

1. Устройство для создания микроклимата в комфортной зоне, содержащее по меньшей мере один тепловой насос, включающий термоэлектрический модуль Пельтье, теплообменники, вентилятор и блок питания, отличающееся тем, что оно снабжено теплоизолирующим непрозрачным экраном, размещенным над комфортной зоной, при этом тепловой насос установлен между комфортной зоной и экраном.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным вентилятором.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок питания выполнен автономным.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено управляющим переключателем, связанным с блоком питания.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено регулятором, связанным с блоком питания.