Термоэлектрический кондиционер

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к системе кондиционирования салона автомобиля. Термоэлектрический кондиционер снабжен стабилизатором (16), датчиком (2) температуры салона, датчиком (1) температуры вентиляционного воздуховода, задатчиком (3) температуры салона, первым и вторым разностными усилителями (4, 5), схемой (19) переключения полярности тока, двумя схемами (21, 22) выделения модуля, логической схемой (6), усилителем (8), биполярным эмиттерным повторителем (9), вторым диодом (11) и конденсатором (12). Инвертирующий вход первого разностного усилителя (4) соединен с датчиком (1) температуры вентиляционного воздуховода, его неинвертирующий вход - с датчиком (2) температуры салона, а выход через первую схему (21) выделения модуля - с первым входом логической схемы (6). Датчик (2) температуры салона соединен с инвертирующим входом второго разностного усилителя (5), неинвертирующий вход которого связан с задатчиком (3) температуры салона, а его выход через вторую схему (22) выделения модуля - со вторым входом логической схемы (6). Выход логической схемы (6) соединен с входом схемы (7) широтно-импульсной модуляции, выход которой связан с входом усилителя (8). Выход усилителя (8) соединен с входом биполярного эмиттерного повторителя (9), а его выход - с затвором силового ключа (10). Исток силового ключа (10) соединен с катодом диода (13), первым выводом конденсатора (12) и первым выводом электрического вентилятора (15). Второй вывод конденсатора (12) соединен с выводами питания усилителя (8), биполярного эмиттерного повторителя (9) и катодом второго диода (11), анод которого соединен с истоком силового ключа (10), входом стабилизатора (16) и с плюсовой шиной питания. Третьи выводы биполярного эмиттерного повторителя (9), усилителя (8), электрического вентилятора (15) и стабилизатора (16) соединены с минусовой шиной питания. Выход стабилизатора (16) подключен к схеме (7) широтно-импульсной модуляции, разностным усилителям (4, 5), датчикам (1, 2) и задатчику (3) температуры салона. Выход второго разностного усилителя (5) соединен со входом схемы (19) переключения полярности тока, выход которой связан с термоэлектрическим элементом (20). Технический результат заключается в повышении комфортности в салоне автомобиля. 1 ил.

 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к системе кондиционирования салона автомобиля.

Известны системы [1, 2, 3], содержащие три ведущих теплообменника, систему запорных аппаратов и трубопроводов. Недостатком подобных устройств является дискретность регулировки скорости вращения вентилятора и низкий коэффициент полезного действия системы, обусловленный падением напряжения на гасящих сопротивлениях, а также невозможность получения температур салона, более низких, чем температура окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является термоэлектрический кондиционер [4], включающий в себя блок термоэлектрических батарей с каналом для протока жидкого теплоносителя, расположенным со стороны горячих теплопереходов термоэлектрических батарей, циркуляционный насос и радиатор сброса тепла, соединенные последовательно трубопроводами в горячий замкнутый контур, вентиляторы, систему регулирования и управления, систему электропитания и вентиляционный воздуховод, сообщающий охлаждаемый объем с внешней средой, снабженный радиатором приема тепла, дополнительным циркуляционным насосом, а блок термоэлектрических батарей - каналами для протока жидкого теплоносителя, расположенными со стороны холодных теплопереходов термоэлектрических батарей, соединенными последовательно в холодный замкнутый контур, и вентилятором, установленным на радиаторе приема тепла, при этом оба контура циркуляции жидкого теплоносителя снабжены системами газоотделения, каждая из которых включает в себя расширительный бачок с трубопроводом подвода жидкого теплоносителя в контур и трубопроводом отвода газов из контура.

Недостатками известной системы являются независимость скорости воздушного потока кондиционера от температур салона и вентиляционного воздуховода, а также отсутствие автоматического регулирования заданной температуры салона.

Техническая задача направлена на создание автоматического регулирования заданной температуры салона при плавной регулировке скорости вращения вентилятора отопителя при высоком коэффициенте полезного действия.

Технический результат достигается тем, что в кондиционер, включающий в себя блок термоэлектрических батарей с каналом для протока жидкого теплоносителя, расположенным со стороны горячих теплопереходов термоэлектрических батарей, циркуляционный насос и радиатор сброса тепла, соединенные последовательно трубопроводами в горячий замкнутый контур, вентиляторы, систему регулирования и управления горячего контура, систему электропитания и вентиляционный воздуховод, сообщающий охлаждаемый объем с внешней средой, снабженый радиатором приема тепла, дополнительным циркуляционным насосом, а блок термоэлектрических батарей - каналами для протока жидкого теплоносителя, расположенными со стороны холодных теплопереходов термоэлектрических батарей, соединенными последовательно в холодный замкнутый контур, и вентилятором, установленным на радиаторе приема тепла, при этом оба контура циркуляции жидкого теплоносителя снабжены системами газоотделения, каждая из которых включает в себя расширительный бачок с трубопроводом подвода жидкого теплоносителя в контур и трубопроводом отвода газов из контура, дополнительно введены стабилизатор, датчик температуры салона, датчик температуры вентиляционного воздуховода, задатчик температуры салона, первый и второй разностные усилители, схема переключения полярности тока, две схемы выделения модуля, логическая схема, усилитель, биполярный эмиттерный повторитель, второй диод и конденсатор, причем инвертирующий вход первого разностного усилителя соединен с датчиком температуры вентиляционного воздуховода, его неинвертирующий вход - с датчиком температуры салона, а выход через первую схему выделения модуля - с первым входом логической схемы, датчик температуры салона соединен с инвертирующим входом второго разностного усилителя, неинвертирующий вход которого связан с задатчиком температуры салона, а его выход через вторую схему выделения модуля - со вторым входом логической схемы, выход которой соединен с входом схемы широтно-импульсной модуляции, выход которой связан с входом усилителя, выход усилителя соединен с входом биполярного эмиттерного повторителя, а его выход - с затвором силового ключа, исток силового ключа соединен с катодом диода, первым выводом конденсатора и первым выводом электрического вентилятора холодного контура, второй вывод конденсатора соединен с выводами питания усилителя, биполярного эмиттерного повторителя и катодом диода, анод которого соединен с истоком силового ключа, входом стабилизатора и с плюсовой шиной питания, третьи выводы биполярного эмиттерного повторителя, усилителя, электрического вентилятора холодного контура и стабилизатора соединены с минусовой шиной питания, выход стабилизатора подключен к схемам широтно-импульсной модуляции, разностных усилителей, датчиков и задатчика температуры салона, выход второго разностного усилителя соединен со входом схемы переключения полярности тока, выход которой связан с термоэлектрическим элементом.

Отличительными от прототипа признаками является то, что в кондиционер дополнительно введены стабилизатор, датчик температуры салона, датчик температуры вентиляционного воздуховода, задатчик температуры салона, первый и второй разностные усилители, схема переключения полярности тока, две схемы выделения модуля, логическая схема, усилитель, биполярный эмиттерный повторитель, второй диод и конденсатор, а также наличие новых связей между вновь введенными и ранее применявшимися узлами системы.

Сопоставительный анализ характеристик заявляемой системы и имеющихся технических решений показывает, что заявляемая система обладает рядом существенных преимуществ: возможностью установки желаемой температуры салона при широком диапазоне температур окружающей среды, плавной автоматической регулировкой скорости вращения вентилятора в зависимости от температурных условий в салоне, при высоком коэффициенте полезного действия.

На чертеже представлена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства.

Электрическая схема холодного контура термоэлектрического кондиционера салона автомобиля содержит электродвигатель 15 электрического вентилятора, электрический предохранитель 14, схему широтно-импульсной модуляции 7, диод 13, силовой ключ 10, стабилизатор 16, датчик 2 температуры салона, датчик 1 температуры вентиляционного воздуховода, задатчик 3 температуры салона, первый 4 и второй 5 разностные усилители, схему 19 переключения полярности тока, термоэлектрический элемент 20, две схемы выделения модуля 21 и 22, логическую схему 6, усилитель 8, биполярный эмиттерный повторитель 9, второй диод 11 и конденсатор 12, причем инвертирующий вход первого разностного усилителя 4 соединен с датчиком 1 температуры вентиляционного воздуховода, его неинвертирующий вход - с датчиком 2 температуры салона, а выход через первую схему выделения модуля 21 - с первым входом логической схемы 6, датчик 2 температуры салона соединен с инвертирующим входом второго разностного усилителя 5, неинвертирующий вход которого связан с задатчиком 3 температуры салона, а его выход через вторую схему 22 выделения модуля - со вторым входом логической схемы 6, выход которой соединен с входом схемы широтно-импульсной модуляции 7, ее выход связан с входом усилителя 8, выход усилителя 8 соединен со входом биполярного эмиттерного повторителя 9, а его выход - с затвором силового ключа 10, исток силового ключа 10 соединен с катодом диода 13, первым выводом конденсатора 12 и первым выводом электродвигателя электрического вентилятора 15, второй вывод конденсатора 12 соединен с выводами питания усилителя 8, биполярного эмиттерного повторителя 9 и катодом второго диода 11, анод которого соединен с истоком силового ключа 10, входом стабилизатора 16 и через предохранитель 14 - с плюсовой шиной питания, анод диода 13, третьи выводы биполярного эмиттерного повторителя 9, усилителя 8, электрического вентилятора 15 и стабилизатора 16 соединены с минусовой шиной питания, выход стабилизатора 16 подключен в качестве источника для питания схемы широтно-импульсной модуляции 7, разностных усилителей 4 и 5, датчиков 1, 2 и задатчика 3 температуры, выход второго разностного усилителя 5 соединен со входом схемы 19 переключения полярности тока, выход которой связан с термоэлектрическим элементом 20.

Устройство работает следующим образом.

В основе принципа его действия лежит сравнение температур вентиляционного воздуховода и салона, а также реальной и заданной температур салона. Это сравнение осуществляется разностными усилителями 4 и 5.

После пуска ДВС в холодное время года и после длительной стоянки скорость воздушного потока должна быть низкой. По мере прогрева охлаждающей жидкости, циркулирующей по радиатору отопителя, скорость вращения вентилятора 15 должна возрастать пропорционально возрастающей разности температур вентиляционного воздуховода и салона, измеряемых датчиками 1 и 2. Затем, по мере приближения температуры воздуха в салоне к желаемой, установленной задатчиком 3 температуры салона, скорость вращения вентилятора 15 опять должна уменьшаться. Если установленная задатчиком 3 температура салона ниже температуры окружающей среды, то схема 19 переключения полярности тока меняет направление тока через термоэлектрический элемент 20, переводя кондиционер в режим охлаждения воздуха в салоне.

После пуска ДВС из отопителя поступает холодный воздух, температура которого много ниже установленной задатчиком 3. На выходе второго разностного усилителя 5 при этом устанавливается высокий уровень напряжения, переводящий кондиционер в режим нагрева воздуха. Диод VD логической схемы 6 находится в закрытом состоянии и второй разностный усилитель 5 не влияет на работу схемы широтно-импульсной модуляции 7 (компаратор 18 и генератор пилообразного напряжения 17). При близких температурах воздуха в салоне и воздуха, поступающего из радиатора, выходное напряжение первого разностного усилителя 4 близко к нулю. Оно сравнивается компаратором 18 с напряжением, которое вырабатывает генератор пилообразного напряжения 17. На выходе схемы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) 7 и формируется сигнал, имеющий в данном случае близкий к нулю коэффициент заполнения. Скорость вращения вентилятора при этом минимальна.

По мере прогрева охлаждающей жидкости, циркулирующей по радиатору вентиляционного воздуховода, температура поступающего в салон воздуха возрастает, и напряжение на выходе разностного усилителя 4 повышается, что приводит к увеличению коэффициента заполнения ШИМ-сигнала на выходе схемы широтно-импульсной модуляции 7. При этом скорость вращения вентилятора растет. По мере увеличения разности температур воздуха вентиляционного воздуховода и салона скорость воздушного потока увеличивается.

При прогреве салона разность между реальной температурой салона и установленной задатчиком 3 уменьшается и напряжение на выходе второго разностного усилителя 5 начинает уменьшаться. По мере сближения реальной и установленной температур салона диод VD логической схемы 6 открывается и напряжение на входе схемы широтно-импульсной модуляции 7 определяется уже выходным напряжением второго разностного усилителя 5. Сигнал на выходе схемы 22 выделения модуля начинает уменьшаться. Это приводит к уменьшению коэффициента заполнения ШИМ-сигнала и уменьшению среднего напряжения на электродвигателе 15 вентилятора. Поэтому скорость вращения вентилятора уменьшается по мере сближения реальной и установленной температур салона. Частота генерации при этом не изменяется.

В случае, когда температура окружающей среды выше установленной задатчиком 3, схема 19 переключения полярности тока меняет направление тока через термоэлектрический элемент, переводя кондиционер в режим охлаждения воздуха в салоне. При охлаждении салона разность между реальной температурой салона и установленной задатчиком 3 уменьшается и напряжение на выходе второго разностного усилителя 5 начинает уменьшаться по модулю. Уменьшается и сигнал на выходе схемы 22 выделения модуля.

Выход схемы 7 широтно-импульсной модуляции соединен с входом усилителя 8, выход усилителя 8 соединен со входом биполярного эмиттерного повторителя 9, а его выход - с затвором силового ключа 10, который под действием ШИМ-сигнала периодически открывается. При этом плюсовой вывод электродвигателя 15 вентилятора кратковременно соединяется с плюсовой шиной питания. При закрытом силовом ключе 10 цепь питания электродвигателя 15 вентилятора размыкается. Диод 13 необходим для защиты силового ключа 10 от ЭДС самоиндукции, возникающей в обмотке электродвигателя 15 вентилятора, при его коммутации. При закрытом ключе 10 конденсатор 12 через диод 11 заряжается до напряжения аккумуляторной батареи и при открытом ключе 10 за счет напряжения на конденсаторе 12 потенциал затвора транзистора ключа 10 приобретает величину, превышающую потенциал положительной шины питания практически на напряжение бортовой сети. Это напряжение и позволяет удерживать ключ 10 в открытом состоянии во время действия импульса ШИМ. Подобное построение схемы позволяет применить МОП-транзистор с каналом n-типа, который обладает существенно более низкой стоимостью и сопротивлением канала, чем транзисторы с каналом р-типа. Среднее значение постоянного напряжения на электродвигателе 15 вентилятора может быть определено из соотношения:

где U - среднее напряжение на электродвигателе 15 вентилятора, U_БАТ - напряжение бортовой сети автомобиля, τ - длительность импульса ШИМ, f - частота генерации схемы 7 широтно-импульсной модуляции.

Как следует из формулы (1), среднее напряжение на электродвигателе 15 вентилятора плавно изменяется при регулировке коэффициента заполнения τf импульсной последовательности, поступающей от схемы 7 широтно-импульсной модуляции. Такая регулировка и осуществляется описанным выше образом. В результате скорость вращения электродвигателя 15 вентилятора изменяется плавно, поскольку скорость вращения электродвигателя постоянного тока и питающее его напряжение связаны зависимостью [5]:

где U - напряжение питания электродвигателя, I - ток, потребляемый электродвигателем, R - активное сопротивление обмотки, С - конструктивная постоянная электродвигателя постоянного тока, Ф - магнитный поток.

Источники информации

1. Патент RU №2161567, МПК В60Н 1/03.

2. Патент RU №2064135, МПК В60Н 1/03.

3. Техническое описание автомобиля ВАЗ 2108.

4. Патент RU №2129492, В60Н 1/03.

5. Общая электротехника. Под ред. А.Т.Блажкина. Л.: Энергоатомиздат, 1986, - 591 с.

Термоэлектрический кондиционер, включающий в себя блок термоэлектрических батарей с каналом для протока жидкого теплоносителя, расположенным со стороны горячих теплопереходов термоэлектрических батарей, циркуляционный насос и радиатор сброса тепла, соединенные последовательно трубопроводами в горячий замкнутый контур, вентиляторы, систему регулирования и управления горячего замкнутого контура, систему электропитания и вентиляционный воздуховод, сообщающий охлаждаемый объем с внешней средой, снабженный радиатором приема тепла, дополнительным циркуляционным насосом, а блок термоэлектрических батарей - каналами для протока жидкого теплоносителя, расположенными со стороны холодных теплопереходов термоэлектрических батарей, соединенными последовательно в холодный замкнутый контур, и вентилятором, установленным на радиаторе приема тепла, при этом оба контура циркуляции жидкого теплоносителя снабжены системами газоотделения, каждая из которых включает в себя расширительный бачок с трубопроводом подвода жидкого теплоносителя в контур и трубопроводом отвода газов из контура, отличающийся тем, что в него дополнительно введены стабилизатор, датчик температуры салона, датчик температуры вентиляционного воздуховода, задатчик температуры салона, первый и второй разностные усилители, схема переключения полярности тока, две схемы выделения модуля, логическая схема, усилитель, биполярный эмиттерный повторитель, второй диод и конденсатор, причем инвертирующий вход первого разностного усилителя соединен с датчиком температуры вентиляционного воздуховода, его неинвертирующий вход - с датчиком температуры салона, а выход через первую схему выделения модуля - с первым входом логической схемы, датчик температуры салона соединен с инвертирующим входом второго разностного усилителя, неинвертирующий вход которого связан с задатчиком температуры салона, а его выход через вторую схему выделения модуля - со вторым входом логической схемы, выход которой соединен с входом схемы широтно-импульсной модуляции, выход которой связан с входом усилителя, выход усилителя соединен с входом биполярного эмиттерного повторителя, а его выход - с затвором силового ключа, исток силового ключа соединен с катодом диода, первым выводом конденсатора и первым выводом электрического вентилятора холодного замкнутого контура, второй вывод конденсатора соединен с выводами питания усилителя, биполярного эмиттерного повторителя и катодом второго диода, анод которого соединен с истоком силового ключа, входом стабилизатора и с плюсовой шиной питания, третьи выводы биполярного эмиттерного повторителя, усилителя, электрического вентилятора холодного замкнутого контура и стабилизатора соединены с минусовой шиной питания, выход стабилизатора подключен к схемам широтно-импульсной модуляции, разностных усилителей, датчиков и задатчика температуры салона, выход второго разностного усилителя соединен со входом схемы переключения полярности тока, выход которой связан с термоэлектрическим элементом.