RU2138741C1

RU2138741C1 - Device for creating microclimate in comfort zone

Info

Publication number: RU2138741C1
Application number: RU98103931A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Резников; С.М. Сафронов
Original assignee: Резников Александр Евгеньевич; САФРОНОВ Сергей Михайлович
Priority date: 1998-03-03
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 1999-09-27

Abstract

FIELD: air cooling and heating systems. SUBSTANCE: proposed device is aimed at providing preset temperature conditions in comfort zone for people and for arrangement of equipment. Heat insulating nontransparent shield is placed over comfort zone. At least one heat pump, supply unit, main fan, control switch and regulator are arranged in upper part of shield. Heat pump has Peltier thermoelectric module, heat exchangers and fan. EFFECT: reduced weight and provision of compactness. 6 cl

Description

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. The invention relates to cooling or heating systems for air in a local zone of half-open space and is intended to create a predetermined temperature regime in a comfortable zone for placing people or objects.

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. Known ventilation device of the room [1], designed to maintain the specified parameters of the air in the local area of the room. In it, two parallel columns adjoin the opposite sides of the air supply elements in the form of vertical ducts and have longitudinal air outlet grilles and flow regulators from the side of the local zone. Air flowing out of the gratings forms flat air curtains separating the zone from the rest of the room. This device is fundamentally stationary and does not create comfortable conditions inside the local zone.

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. A thermoelectric device [2] is known for creating a microclimate in a car, comprising an air conditioner with a damper, a generator with autonomous thermoelectric batteries, hot and cold junctions of which are connected to heat exchangers, a polarity switch located between the cold junctions of the generator’s thermopile and the hot junctions of the thermopile, a closed water circuit, and also installed on the air conditioner damper control mechanism. The use of this device is limited to motor vehicles with internal combustion engines.

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. Also known is the climate control system for seat temperature [3], which we adopted as a prototype. The system comprises a temperature-controlled seat, at least one heat pump, a heat pump temperature sensor and a regulator. The heat pump contains several Peltier thermoelectric modules to bring the air temperature to a predetermined value in the main heat exchanger and a main fan for supplying conditioned air from the main heat exchanger to the seat. The Peltier module and each main fan can be adjusted manually through a control switch or by a control signal. The controller is designed to automatically control the operation of Peltier modules and each main fan in accordance with the temperature control logic.

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. The known device [3] is quite complicated, expensive and designed to create comfortable conditions for a person in a seat, i.e. the range of this device is limited in space and does not allow human movement.

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).The technical task to be solved is the creation, if possible, by simple means and without restrictions associated with location, of comfortable conditions in the area of a person or objects when the ambient temperature differs from the comfort threshold (about +24 ^o C).

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. The problem is solved as follows. Above the area in which comfortable conditions should be provided, i.e. a heat-insulating opaque semi-open screen, made, for example, in the form of an umbrella, a hemisphere, a half cylinder, etc., is installed above the comfort zone. At least one heat pump containing a Peltier thermoelectric module with heat exchangers and a fan is installed in the upper part of the screen.

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.The device is equipped with a power supply unit containing a power source and a converter, as well as a control switch, a main fan and a regulator. The device operates as follows. In accordance with the conditions of the problem being specifically solved (parameters of the external environment and surface, the given temperature difference between the comfort zone and the environment, dimensions of the comfort zone, special conditions) determine the required cooling capacity, screen size and shape, type of Peltier modules, number of heat pumps, their placement on screen, etc. After switching on the power supply by the control switch, the required polarity and, if necessary, the main fan, the heat pump starts to generate cold (heat). Next, we consider the case of a decrease in temperature compared to the environment. Under the influence of convection forces, hot air rises and at the points of contact between the cold junction of the module and the heat exchanger it cools and falls down, creating a stable circulation zone, the geometrical dimensions of which and the temperature distribution in it depend on external factors (side wind, surface heat transfer under the screen, etc. ) and determine the size of the zone where the temperature significantly (5-10 ^o C) differs from the surrounding. The dimensions of such a comfortable zone are determined experimentally in each case and depend on the configuration and dimensions of the screen itself, the height of its lower edge above the surface and the temperature difference equal to the temperature difference between the cold junction of the thermoelectric module and the ambient air.

Элементы предлагаемого устройства общеизвестны, доступны и не требуют дополнительной конструкторской доработки. Выбор типа и параметров элементов устройства зависят от конкретно решаемой задачи. Elements of the proposed device are well-known, accessible and do not require additional design refinement. The choice of the type and parameters of the elements of the device depend on the specific task.

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. The power supply can be both stationary and autonomous. The type of power source, its power and the type of converter are determined by the selected type of Peltier thermoelectric module. So, for a Peltier element on a metal base, a constant voltage of 12 (24) volts is required. In the particular case, well-known solar cells can be used as a power source.

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. Any switch functionally equivalent to a set of toggle switches and performing the following operations can be used as a control switch: turning the power supply on / off, turning on the main fan, and switching polarity.

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. The presence of a fan in the heat pump intended for blowing hot junctions of the Peltier thermoelectric module is necessary. The number of such fans is equal to the number of heat pumps, and the type of fan (its power) depends on the selected type of module. The presence in the device of the main fan, designed to supply air to the comfort zone, is generally not necessary, and its inclusion depends, for example, on the desire to speed up the process of creating comfortable conditions or on the individual desire of the consumer.

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. The controller is designed to automatically control the operation of Peltier modules. It can be made, for example, in the form of a temperature relay that supports a given temperature mode, either by turning off (turning on) the power supply, or by reducing (increasing) the power consumption to change the refrigerating capacity.

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. The choice of heat-insulating (to reduce heat exchange with the environment) and opaque (to reduce direct radiation heating) material for the screen is determined by the specifics of the problem being solved. These can be special materials (for example, film, etc.). The screen can be made multilayer with an insulating layer.

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.To confirm the feasibility of practical implementation of the proposed technical solution, an experimental check was carried out. It is known that the difference between cold and hot junctions of a Peltier thermocouple on a metal base made in a single-stage version is about 72 ^o C, with the heat exchanger working efficiently (radiator with an effective surface of 500 cm), the temperature of the cold junction is from -20 ^o C to -30 ^o C. it is shown experimentally that after 10-15 minutes from the time the power-unit, the temperature at 0.5 m from the heat exchanger (for umbrella of dense three-layer fabric with an insulating layer of 2 m in diameter in the form of a hemisphere) was reduced camping at 5-7 ^o C without the use of the main fan. After 30 minutes, the temperature difference compared to the environment is 8-12 ^o C.

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. Thus, in the proposed device with relatively simple means, it is possible to create more comfortable conditions in the coverage area of the screen compared to the environment. Due to its compact size, close to the well-known rain umbrellas, relatively light weight (not more than 5-10 kg, including a solar battery or battery, converter, thermal modules and heat exchangers, fans), it becomes possible to create small devices that can be moved by a person in adverse climatic conditions or when solving special problems without involving additional mechanisms (i.e. moving a comfortable zone along with the object of protection), which significantly expands the scope of its use.

ЛИТЕРАТУРА
1. А. с. N 1322026, F 24 F 7/00, Л.В.Павлухин и др. "Вентиляционное устройство помещения", БИ N 25, 1987 г.LITERATURE
1. A. p. N 1322026, F 24 F 7/00, L. V. Pavlukhin and others. "Ventilation device of the room", BI N 25, 1987

2. А. с. N 1010413, F 25 B 21/02, Г.Л.Серебряный. "Термоэлектрическое устройство для создания микроклимата", БИ N 13, 1983. 2. A. p. N 1010413, F 25 B 21/02, G.L. Silver. "Thermoelectric device for creating a microclimate", BI 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. 3. Pat. WO N 9605475, F 25 B 21/02 "Climate control system for seat temperature", IMS issue. 076, N 1, 1997

Claims

1. A device for creating a microclimate in a comfort zone, comprising at least one heat pump, including a Peltier thermoelectric module, heat exchangers, a fan and a power supply unit, characterized in that it is equipped with a heat-insulating opaque screen placed above the comfort zone, while the heat pump is installed between the comfort zone and the screen.

2. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with an additional fan.

3. The device according to claim 1, characterized in that the power supply is autonomous.

4. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a control switch associated with the power supply.

5. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a regulator associated with the power supply.