RU2165363C1

RU2165363C1 - Vehicle thermoelectric air conditioner

Info

Publication number: RU2165363C1
Application number: RU2000125303/28A
Authority: RU
Inventors: В.З. Авилов; Б.А. Кириченко; П.Ф. Осипов-Ивановский; В.М. Ржевский; Б.В. Спорышев
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Квант"
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2000-10-06
Publication date: 2001-04-20

Abstract

FIELD: air conditioning in road and underground vehicles. SUBSTANCE: proposed thermoelectric air conditioner has split housing accommodating set of thermoelectric cells, each consisting of thermoelectric module, and radiators with ribs connected to external opposite surfaces of heat exchange plates by means of elastic material of high heat carrying capacity. System of fastening of thermoelectric cells consists of rigid elements with ports for braces and elastic seals made of elastic cold-resistant rubber. Radiators are arranged on elastic support members made in form of U-shaped plates. Control unit has bimetallic temperature pickups. Current reversing unit and automatic control system on microprocessors. Housing is connected to vehicle ceiling by support member with shock absorbers, each provided with coaxially arranged cylindrical bushings with layer of elastic material placed in between. EFFECT: improved operation reliability and increased service life of air conditioner at its weight and cutting down of cost. 12 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области систем кондиционирования воздуха в транспортных средствах и может быть использовано в термоэлектрических кондиционерах, применяемых преимущественно для кондиционирования воздуха в кабинах локомотивов, машинистов метрополитена, трамваев и т.п. транспортных средств. The invention relates to the field of air conditioning systems in vehicles and can be used in thermoelectric air conditioners, used mainly for air conditioning in the cabs of locomotives, subway drivers, trams, etc. Vehicle.

Известен термоэлектрический кондиционер для транспортного средства, содержащий корпус, разделенный перегородкой на канал обрабатываемого (кондиционируемого) воздуха и канал вспомогательного (технологического) воздуха, и термоэлектрические батареи, одни спаи которых расположены со стороны канала для потока технологического воздуха, а другие - со стороны канала для потока кондиционируемого воздуха (см. патент США N 4463569, кл. 62-3, оп. 1984). В известном кондиционере разделительная перегородка выполнена из теплоизоляционного материала. A thermoelectric air conditioner for a vehicle is known, comprising a housing divided by a partition into a channel of the processed (air-conditioned) air and a channel of auxiliary (technological) air, and thermoelectric batteries, some of which are located on the channel side for the technological air flow, and others on the channel side for conditioned air flow (see US Pat. No. 4,463,569, CL 62-3, op. 1984). In the known air conditioner, the partition wall is made of heat-insulating material.

Недостатком известного кондиционера является низкая эксплуатационная надежность, обусловленная постепенным разрушением полупроводниковых элементов термоэлектрических батарей под действием вибрационных и ударных нагрузок. Кроме того, известный термоэлектрический кондиционер обладает низкой эффективностью вследствие того, что потоки технологического и кондиционированного воздуха имеют одинаковые направления. A disadvantage of the known air conditioner is the low operational reliability due to the gradual destruction of the semiconductor elements of thermoelectric batteries under the influence of vibration and shock loads. In addition, the well-known thermoelectric air conditioner has low efficiency due to the fact that the flows of technological and conditioned air have the same directions.

Известен термоэлектрический кондиционер для транспортного средства, содержащий снабженные радиаторными пластинами термоэлектрические батареи, размещенные в разъемных корпусах, систему взаимного крепления корпусов, вентиляторы, распределенные по поверхностям окон корпусов, и источник питания (см. патент РФ N 1791874, кл. H 01 L 35/28, 1992). В известном кондиционере каждая термоэлектрическая батарея состоит из термоэлемента p-типа проводимости с надставками, термоэлемента n-типа проводимости с надставками, соединенных коммутационными шинами с достаточно протяженными (десятки мм) радиаторными пластинами. A thermoelectric air conditioner for a vehicle is known, comprising thermoelectric batteries provided with radiator plates housed in detachable cases, a mutual mounting system for the cases, fans distributed over the surfaces of the windows of the cases, and a power source (see RF patent N 1791874, class H 01 L 35 / 28, 1992). In a known air conditioner, each thermoelectric battery consists of a p-type thermocouple with extensions, an n-type thermocouple with extensions connected by patch buses with sufficiently long (tens of mm) radiator plates.

Недостатком известного термоэлектрического кондиционера является недостаточно высокая эксплуатационная надежность. Эксплуатация опытных образцов известных кондиционеров, установленных в кабинах транспортных средств, показала, что по прошествии 2000 - 3000 часов работы наблюдались многочисленные случаи разрушения контактов полупроводниковых ветвей с коммутационными шинами и разрушения термоэлементов термоэлектрических батарей при воздействии длительных вибрационных и ударных нагрузок, сопутствующих движению транспортного средства. A disadvantage of the known thermoelectric air conditioner is not sufficiently high operational reliability. The operation of prototypes of known air conditioners installed in the cabs of vehicles showed that after 2,000 - 3,000 hours of operation, there were numerous cases of destruction of the contacts of semiconductor branches with switching buses and destruction of thermoelectric elements of thermoelectric batteries under the influence of prolonged vibration and shock loads associated with vehicle movement.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является термоэлектрический кондиционер для транспортного средства, содержащий корпус, разделенный посредством перегородки на канал основного (кондиционированного) потока воздуха и канал вспомогательного (технологического) потока воздуха, с вентиляторами, установленными в каждом из этих каналов, и установленные в перегородке термоэлектрические батареи, одни спаи которых расположены со стороны канала технологического воздуха, а другие - со стороны кондиционированного воздуха (см. патент РФ N 2029687, кл. В 60 H 3/00, оп. 1995). В известном кондиционере корпус разделен теплоизолированной перегородкой на два воздушных канала, а термоэлектрические батареи снабжены теплообменниками, соединенными с противолежащими сторонами термоэлектрических батарей, которые размещены в перегородке. The closest in technical essence to the claimed one is a thermoelectric air conditioner for a vehicle, comprising a housing divided by a partition into a channel for the main (conditioned) air stream and a channel for the auxiliary (technological) air stream, with fans installed in each of these channels and installed in thermoelectric batteries, some junctions of which are located on the side of the process air channel, while others are on the side of conditioned air (with . RF Patent N 2029687, cl. B 60 H 3/00, op. 1995). In the known air conditioner, the casing is divided by a thermally insulated partition into two air channels, and the thermoelectric batteries are equipped with heat exchangers connected to the opposite sides of the thermoelectric batteries, which are located in the partition.

Недостатком известного термоэлектрического кондиционера является низкая эксплуатационная надежность, обусловленная постепенным разрушением коммутационных соединений и полупроводниковых ветвей в термоэлектрических батареях. Термоэлектрические батареи жестко зафиксированы в перегородке, разделяющей корпус на каналы, и длительные вибрационные и ударные нагрузки, возникающие при движении транспортного средства, приводят к постепенному разрушению указанных наиболее уязвимых элементов термоэлектрического кондиционера. Требуемый ресурс безотказной работы - несколько лет - оказывается недостижимым при использовании известного термоэлектрического кондиционера. A disadvantage of the known thermoelectric air conditioner is the low operational reliability due to the gradual destruction of switching connections and semiconductor branches in thermoelectric batteries. Thermoelectric batteries are rigidly fixed in the partition dividing the body into channels, and prolonged vibration and shock loads arising from the movement of the vehicle lead to the gradual destruction of these most vulnerable elements of the thermoelectric air conditioner. The required uptime resource - several years - is unattainable when using the well-known thermoelectric air conditioner.

Кроме того, известный кондиционер имеет высокую себестоимость, поскольку требует выпуска специальных термоэлектрических батарей и сложных корпусов. Известный кондиционер обладает большим весом вследствие использования массивных радиаторов, на которых расположены термоэлектрические батареи. In addition, the well-known air conditioner has a high cost, since it requires the release of special thermoelectric batteries and complex cases. Known air conditioning has a large weight due to the use of massive radiators on which thermoelectric batteries are located.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности термоэлектрического кондиционера транспортного средства при одновременном уменьшении веса и снижении себестоимости кондиционера. The objective of the invention is to increase the operational reliability of the thermoelectric air conditioner of the vehicle while reducing weight and reducing the cost of the air conditioner.

Решение указанных задач обеспечивается новым термоэлектрическим кондиционером для транспортного средства, содержащим разъемный корпус, в котором расположен набор термоэлектрических ячеек, каждая из которых состоит из термоэлектрического модуля и радиаторов с ребрами, присоединенных к внешним противолежащим поверхностям его теплообменных пластин, систему крепления термоэлектрических ячеек, состоящую из крепежных пластин с окнами, в которых размещены стяжки, и упругих уплотнений, контактирующих со средними зонами боковых поверхностей термоэлектрических ячеек, и блок управления, состоящий из датчиков температуры, блока реверсирования электрического тока, подключенного к термоэлектрическим ячейкам, и системы автоматического управления на микропроцессорах или системы ручного управления, причем внутренняя полость корпуса разделена термоэлектрическими ячейками и системой их крепления на две полости, образующие канал технологического воздуха, снабженный по крайней мере одним вентилятором, и канал кондиционируемого воздуха, снабженный по крайней мере одним вентилятором, при этом канал технологического воздуха размещен между крышей и потолком транспортного средства, к которому корпус присоединен посредством элементов крепления с амортизаторами; при этом предпочтительно: каждый термоэлектрический модуль выполнять по крайней мере из двух параллельно соединенных термоэлектрических батарей, каждая из которых выполнена из полупроводниковых ветвей n- и p-типов проводимости, соединенных коммутационными шинами, и параллельно расположенных теплообменных пластин, к которым коммутационные шины присоединены посредством упругого высокотеплопроводного электроизоляционного материала; радиаторы присоединять к теплообменным пластинам термоэлектрического модуля посредством высокотеплопроводного упругого материала; термоэлектрические модули различных термоэлектрических ячеек электрически соединять между собой в параллельно-последовательные цепи, а в тепловом отношении располагать параллельно друг другу; каждый элемент крепления корпуса выполнять в виде крепежной оси и двух соосно расположенных с ней цилиндрических втулок, между которыми размещен слой упругого материала, при этом внутренняя цилиндрическая втулка расположена на поверхности крепежной оси; каждая крепежная пластина должна быть выполнена в виде жесткого элемента с окнами в противоположных зонах и двух слоев упругого материала, расположенного в средней зоне жесткого элемента на его противоположных поверхностях; слои упругого материала присоединять к поверхностям жесткого элемента системы крепления; жесткие элементы системы крепления выполнять из теплоизоляционного материала; в систему крепления термоэлектрических модулей вводить опорные упругие элементы, выполненные в виде U-образных пластин, которые размещены между радиаторами термоэлектрических ячеек и стяжками системы их крепления; датчики температуры выполнять в виде биметаллических термодатчиков, по крайней мере один из которых расположен в кабине или салоне транспортного средства и по крайней мере один - размещен в выходной зоне канала технологического воздуха; нижнюю часть корпуса выполнять в виде наклонного в зону поступления кондиционируемого воздуха желоба, образующего поддон сбора конденсата, снабженного вертикально ориентированной трубкой отвода конденсата; трубку отвода конденсата располагать на входе канала кондиционированного воздуха. The solution to these problems is provided by a new thermoelectric air conditioner for the vehicle, containing a detachable housing in which a set of thermoelectric cells is located, each of which consists of a thermoelectric module and radiators with fins attached to the outer opposite surfaces of its heat-exchange plates, and a system for attaching thermoelectric cells, consisting of fixing plates with windows in which the ties are placed, and elastic seals in contact with the middle zones of the side surfaces thermoelectric cells, and a control unit, consisting of temperature sensors, an electric current reversing unit connected to the thermoelectric cells, and an automatic control system on microprocessors or a manual control system, the internal cavity of the housing being divided by thermoelectric cells and their mounting system into two cavities, forming a process air channel provided with at least one fan and an air-conditioned channel provided with at least one valve numerically, while the technological air channel is placed between the roof and the ceiling of the vehicle, to which the body is connected via fasteners with shock absorbers; in this case, it is preferable: each thermoelectric module to be made of at least two parallel-connected thermoelectric batteries, each of which is made of semiconductor branches of n- and p-types of conductivity connected by switching buses, and parallel located heat exchanger plates to which the switching buses are connected by means of an elastic highly conductive electrical insulating material; attach radiators to the heat exchange plates of the thermoelectric module by means of a highly conductive elastic material; thermoelectric modules of various thermoelectric cells are electrically connected to each other in parallel-series circuits, and in the heat ratio, parallel to each other; each housing fastening element should be in the form of a mounting axis and two cylindrical bushings coaxially located with it, between which a layer of elastic material is placed, while the inner cylindrical sleeve is located on the surface of the mounting axis; each mounting plate should be made in the form of a rigid element with windows in opposite zones and two layers of elastic material located in the middle zone of the rigid element on its opposite surfaces; layers of elastic material attached to the surfaces of the rigid element of the fastening system; rigid elements of the fastening system are made of heat-insulating material; introduce elastic support elements made in the form of U-shaped plates into the fastening system of thermoelectric modules, which are placed between the radiators of thermoelectric cells and the couplers of their fastening system; temperature sensors should be in the form of bimetallic temperature sensors, at least one of which is located in the cab or passenger compartment of the vehicle and at least one is located in the outlet zone of the process air channel; the lower part of the casing is made in the form of a trough, inclined into the conditioned air supply zone, forming a condensate collecting pan equipped with a vertically oriented condensate drain pipe; place the condensate drain pipe at the inlet of the conditioned air channel.

В заявленном термоэлектрическом кондиционере для транспортного средства обеспечивается полная разгрузка от воздействия вибрационных и ударных нагрузок наиболее уязвимых элементов кондиционера - полупроводниковых ветвей термоэлектрических батарей и их коммутационных соединений. За счет объединения термоэлектрических батарей в модули, в которых коммутационные шины присоединены к внутренним поверхностям параллельно расположенных теплообменных пластин модуля посредством упругого высокотеплопроводного электроизоляционного материала, удается разгрузить ветви от механических и тепловых напряжений. Радиаторы с ребрами предпочтительно присоединять к внешним поверхностям теплообменных пластин модуля посредством высокотеплопроводного материала, что обеспечивает разгрузку термоэлектрических модулей от воздействия вибрационных и ударных нагрузок, передаваемых через радиаторы. The claimed thermoelectric air conditioner for a vehicle provides complete unloading from the effects of vibration and shock loads of the most vulnerable elements of the air conditioner - semiconductor branches of thermoelectric batteries and their switching connections. By combining thermoelectric batteries into modules, in which the busbars are connected to the inner surfaces of parallel located heat exchanger plates of the module by means of an elastic, highly heat-conducting insulating material, it is possible to unload the branches from mechanical and thermal stresses. It is preferable to attach radiators with fins to the external surfaces of the heat exchanger plates of the module by means of a highly heat-conducting material, which ensures the unloading of thermoelectric modules from the effects of vibration and shock loads transmitted through radiators.

Входящие в состав термоэлектрического кондиционера термоэлектрические ячейки, каждая из которых состоит из термоэлектрического модуля и радиаторов, присоединенных к противолежащим поверхностям теплообменных пластин модуля, выполняются из серийно выпускаемых узлов, что способствует снижению себестоимости кондиционера. Средние зоны термоэлектрических ячеек в сочетании с системой их крепления, включающей крепежные пластины с окнами, стяжки и упругие уплотнения, позволяют сформировать комбинированную перегородку, разделяющую корпус кондиционера на две полости, одна из которых служит каналом технологического воздуха, а другая - каналом кондиционируемого воздуха. При этом обеспечивается разгрузка каждой термоэлектрической ячейки от воздействия вибрационных и механических нагрузок посредством упругих прокладок системы крепления. Кроме того, использование блоков в виде термоэлектрических ячеек, изготавливаемых из серийно выпускаемых узлов, и простая система их крепления, выполненная в виде набора одинаковых крепежных пластин, стяжек и упругих уплотнений, позволяют предельно упростить монтаж кондиционера, что способствует снижению его себестоимости. The thermoelectric cells that make up the thermoelectric air conditioner, each of which consists of a thermoelectric module and radiators attached to the opposite surfaces of the module's heat exchanger plates, are made from commercially available units, which helps to reduce the cost of the air conditioner. The middle zones of thermoelectric cells in combination with their fastening system, including fixing plates with windows, screeds and elastic seals, allow forming a combined partition dividing the air conditioner casing into two cavities, one of which serves as a channel for process air and the other as a channel for air conditioning. This ensures that each thermoelectric cell is unloaded from the effects of vibration and mechanical stresses by means of elastic gaskets of the fastening system. In addition, the use of blocks in the form of thermoelectric cells made from commercially available units, and a simple fastening system made in the form of a set of identical mounting plates, screeds and elastic seals, make it possible to simplify installation of the air conditioner, which helps to reduce its cost.

Использование индивидуальных радиаторов, прикрепляемых к теплообменной поверхности каждого термоэлектрического модуля, позволяет снизить общий вес всех оснований радиаторов в сравнении с использованием общего основания радиаторов в известном кондиционере и соответственно снизить вес кондиционера. Разъемный корпус кондиционера присоединен к потолку транспортного средства посредствам элементов крепления с амортизаторами, что позволяет дополнительно разгрузить все узлы кондиционера, размещенные в корпусе, от вибрационных и ударных нагрузок. Предпочтительно каждый элемент крепления выполнять в виде крепежной оси, а амортизатор - в виде двух соосно расположенных цилиндрических втулок, между которыми размещен слой упругого материала, при этом внутреннюю цилиндрическую втулку размещать на поверхности крепежной оси с возможностью ее вращения, поскольку подобное выполнение элементов крепления и амортизаторов обеспечивает разгрузку корпуса и расположенных в нем узлов кондиционера от воздействия ударных и вибрационных нагрузок в трех взаимно перпендикулярных направлениях. The use of individual radiators attached to the heat exchange surface of each thermoelectric module allows to reduce the total weight of all radiator bases in comparison with the use of a common radiator base in a known air conditioner and, accordingly, reduce the weight of the air conditioner. The split case of the air conditioner is connected to the ceiling of the vehicle by means of fastening elements with shock absorbers, which makes it possible to further unload all the air conditioner units located in the body from vibration and shock loads. Preferably, each fastener is made in the form of a mounting axis, and the shock absorber is in the form of two coaxially arranged cylindrical bushes between which a layer of elastic material is placed, while the inner cylindrical sleeve is placed on the surface of the fastening axis with the possibility of rotation, since such a design of fasteners and shock absorbers provides unloading of the housing and the air conditioning units located in it from the effects of shock and vibration loads in three mutually perpendicular directions.

Выполнение блока управления термоэлектрического кондиционера в виде датчиков температуры, блока реверсирования электрического тока, подключенного к термоэлектрическим ячейкам, и системы автоматического управления на микропроцессорах или системы ручного управления способствует повышению эксплуатационной надежности вследствие упрощения блока управления. Предпочтительно датчики температуры выполнять в виде биметаллических термодатчиков, по крайней мере один из которых располагается в кабине или салоне транспортного средства и по крайней мере один - в выходной зоне канала технологического воздуха. Биметаллические датчики настраиваются на двухпозиционный режим работы, что обеспечивает дальнейшее упрощение режима эксплуатации кондиционера и соответствующее повышение его эксплуатационной надежности. Повышению эксплуатационной надежности способствует соединение термоэлектрических модулей различных термоэлектрических ячеек в параллельно-последовательные цепи, поскольку при выходе из строя какого-либо модуля холодопроизводительность всего кондиционера изменится несущественно, так как повышается холодопроизводительность параллельно включенного термоэлектрического модуля за счет соответствующего увеличения проходящего через него тока. По такой же причине происходит практическое сохранение холодопроизводительности отдельной термоэлектрической ячейки при выходе из строя одной из параллельно включенных термоэлектрических батарей в ее модуле. The implementation of the control unit of the thermoelectric air conditioner in the form of temperature sensors, an electric current reversing unit connected to thermoelectric cells, and an automatic control system on microprocessors or a manual control system improves operational reliability due to the simplification of the control unit. Preferably, the temperature sensors are in the form of bimetallic temperature sensors, at least one of which is located in the cab or passenger compartment of the vehicle and at least one in the outlet zone of the process air channel. Bimetal sensors are configured for on-off operation, which further simplifies the operation of the air conditioner and a corresponding increase in its operational reliability. The improvement of operational reliability is facilitated by the connection of thermoelectric modules of various thermoelectric cells in parallel-serial circuits, since when a module fails, the cooling capacity of the entire air conditioner does not change significantly, since the cooling capacity of a parallel-connected thermoelectric module increases due to a corresponding increase in the current passing through it. For the same reason, the cooling capacity of a separate thermoelectric cell is practically preserved in the event of failure of one of the parallel connected thermoelectric batteries in its module.

Систему взаимного крепления термоэлектрических ячеек в заявленном кондиционере выполняют из жестких элементов, в каждом из которых имеются окна в противолежащих зонах, стяжек, размещаемых в этих окнах, и упругих уплотнений, включающих слои упругого материала, размещенные в средних зонах жестких элементов. Подобная система крепления термоэлектрических ячеек обеспечивает создание герметизирующих уплотнений по боковым поверхностям термоэлектрических модулей и одновременно разгружает термоэлектрические модули от вибрационных и ударных нагрузок. Слои упругого материала предпочтительно присоединять к поверхностям жестких элементов, что способствует упрощению сборки кондиционера при его изготовлении и снижению его себестоимости. The mutual fastening system of thermoelectric cells in the claimed air conditioner is made of rigid elements, each of which has windows in opposite zones, screeds placed in these windows, and elastic seals, including layers of elastic material located in the middle zones of the rigid elements. Such a system for attaching thermoelectric cells ensures the creation of sealing seals on the lateral surfaces of thermoelectric modules and at the same time relieves thermoelectric modules from vibration and shock loads. It is preferable to attach the layers of elastic material to the surfaces of rigid elements, which helps to simplify the assembly of the air conditioner in its manufacture and reduce its cost.

Для уменьшения теплоперетоков между каналами технологического и кондиционированного воздуха предпочтительно жесткие элементы выполнять из теплоизоляционного материала, например из стеклотекстолита. Предпочтительно в состав системы крепления вводить опорные упругие элементы в виде U-образных пластин, которые размещаются между радиаторами термоэлектрических ячеек и стяжками системы их крепления, поскольку упругие опорные элементы обеспечивают дополнительную разгрузку термоэлектрических ячеек от вибрационных и ударных нагрузок, возникающих при эксплуатации транспортного средства. Снижению веса кондиционера благоприятствует выполнение нижней части его корпуса с желобом, наклонным в зону поступления кондиционированного воздуха, поскольку при этом нижняя часть корпуса дополнительно выполняет функции элемента сбора конденсата, который при этом отводится через вертикально ориентированную трубку. Предпочтительно трубку располагать на входе канала кондиционированного воздуха, так как при этом обеспечивается максимальное давление столба жидкости, удаляемой через трубку. In order to reduce heat transfer between the channels of the process and conditioned air, it is preferable that the rigid elements be made of a heat-insulating material, for example, fiberglass. It is preferable to introduce support elastic elements in the form of U-shaped plates into the fastening system, which are placed between the radiators of thermoelectric cells and the couplers of their fastening system, since the elastic support elements provide additional unloading of thermoelectric cells from vibration and shock loads that occur during operation of the vehicle. Reducing the weight of the air conditioner is favored by the implementation of the lower part of its body with a trough inclined into the air-conditioned zone, since the lower part of the body additionally acts as a condensate collecting element, which is then discharged through a vertically oriented tube. It is preferable to place the tube at the inlet of the conditioned air channel, since this ensures the maximum pressure of the liquid column removed through the tube.

Приложенные чертежи изображают: фиг. 1 - общий вид термоэлектрического кондиционера для транспортного средства, фиг. 2 - термоэлектрическая ячейка (вид сбоку), фиг. 3 - часть поперечного сечения сборки, состоящей из двух термоэлектрических ячеек, фиг. 4 - поперечное сечение корпуса кондиционера, фиг. 5 - элемент крепления с амортизатором (вид в изометрии). Термоэлектрический кондиционер для транспортного средства 1 содержит разъемный корпус 2, состоящий из нижней части 3 с желобом для сбора конденсата и верхней части 4, элементы крепления 5 корпуса к потолку транспортного средства с амортизаторами 6, термоэлектрические ячейки 7 с системой их крепления 8, которые разделяют корпус на верхнюю полость 9, образующую канал технологического воздуха, в котором расположен по крайней мере один вентилятор 10, и на нижнюю полость 11, образующую канал кондиционированного воздуха, в котором расположен по крайней мере один вентилятор 12, блок управления 13, в состав которого входят по крайней мере один датчик температуры 14, размещенный в выходной зоне канала технологического воздуха, по крайней мере один датчик температуры 15, расположенный в кабине машиниста, пульт управления и индикации 16 и система автоматического управления на микропроцессорах (не указана). The attached drawings depict: FIG. 1 is a general view of a thermoelectric air conditioner for a vehicle, FIG. 2 - thermoelectric cell (side view), FIG. 3 is a part of a cross section of an assembly consisting of two thermoelectric cells; FIG. 4 is a cross-sectional view of an air conditioner housing; FIG. 5 - mounting element with shock absorber (isometric view). The thermoelectric air conditioner for the vehicle 1 comprises a detachable housing 2, consisting of a lower part 3 with a condensation chute and an upper part 4, fastening elements 5 of the housing to the vehicle ceiling with shock absorbers 6, thermoelectric cells 7 with their mounting system 8, which separate the housing to the upper cavity 9, which forms the channel of the process air, in which at least one fan 10 is located, and to the lower cavity 11, which forms the channel of conditioned air, in which the edge is located at least one fan 12, a control unit 13, which includes at least one temperature sensor 14 located in the outlet zone of the process air channel, at least one temperature sensor 15 located in the driver’s cab, a control and display panel 16, and a system automatic control on microprocessors (not specified).

При этом в состав каждой термоэлектрической ячейки входят термоэлектрический модуль, содержащий по крайней мере две параллельно соединенные термоэлектрические батареи, состоящие из полупроводниковых ветвей n-типа проводимости 17, полупроводниковых ветвей p-типа проводимости 18, соединенных между собой коммутационными шинами 19, которые присоединены посредством слоев высокотеплопроводного упругого электроизоляционного материала к внутренним поверхностям параллельно расположенных теплообменных пластин 20, 21, причем к внешним противолежащим поверхностям этих пластин посредством слоев 22, 23, выполненных из высокотеплопроводного упругого материала, присоединены соответственно радиатор технологического воздуха 24, выполненный в виде гофрированной ленты с плоскими вершинами гофр 25, и радиатор кондиционированного воздуха 26 с ребрами 27; при этом система крепления термоэлектрических ячеек состоит из стяжек 28, 29, жестких элементов с окнами 30, 31 для стяжек и упругих уплотнений, выполненных в виде слоев упругого материала 32, 33, размещенных на жестких элементах, и прокладок 34 из упругого материала; система крепления корпуса кондиционера к потолку транспортного средства включает в себя кронштейн крепления к потолку кабины 35, кронштейн кондиционера 36, соединительную полку 37 и элементы крепления с амортизаторами, каждый из которых содержит крепежную ось 38, соосно расположенные цилиндрические втулки 39, 40 и слой упругого материала 41, размещенный между втулками и присоединенный к ним; кроме того, в состав кондиционера входят упругие элементы 42, выполненные в виде U-образных пластин, которые размещены между радиаторами 26 и стяжками. In this case, each thermoelectric cell includes a thermoelectric module containing at least two parallel-connected thermoelectric batteries, consisting of n-type semiconductor branches 17, p-type semiconductor branches 18 connected by switching buses 19, which are connected by layers highly conductive elastic electrical insulating material to the inner surfaces of parallel heat exchanger plates 20, 21, and to the external counter to the burning surfaces of these plates by means of layers 22, 23 made of highly heat-conducting elastic material, the process air radiator 24, respectively, is connected in the form of a corrugated tape with flat tops of the corrugations 25, and the air conditioning radiator 26 with fins 27; wherein the fastening system of thermoelectric cells consists of screeds 28, 29, rigid elements with windows 30, 31 for screeds and elastic seals made in the form of layers of elastic material 32, 33 placed on the rigid elements, and gaskets 34 of elastic material; the system for attaching the air conditioner body to the ceiling of the vehicle includes a bracket for attaching to the ceiling of the cabin 35, an air conditioner bracket 36, a connecting shelf 37 and fastening elements with shock absorbers, each of which contains a mounting axis 38, coaxially arranged cylindrical bushings 39, 40 and a layer of elastic material 41, located between the bushings and attached to them; in addition, the air conditioner includes elastic elements 42 made in the form of U-shaped plates that are placed between the radiators 26 and the couplers.

В заявленном термоэлектрическом кондиционере для транспортного средства полупроводниковые ветви 17, 18 термоэлектрических батарей предпочтительно выполнять из высокоэффективных сплавов на основе теллурида висмута. Коммутационные шины 19, посредством которых ветви соединяются между собой, изготавливают обычно из меди. Предпочтительно коммутационные шины 19 присоединять к внутренним поверхностям теплообменных пластин 20, 21, которые выполняются обычно из оксида алюминия, при помощи слоев высокотеплопроводного упругого электроизоляционного материала, например, выполненных из материала типа "эластосил". Радиаторы 24, 26 присоединяются к внешним противолежащим поверхностям теплообменных пластин 20, 21 термоэлектрических модулей также посредством высокотеплопроводного упругого материала, и вновь может быть использован "эластосил". In the claimed thermoelectric conditioner for a vehicle, the semiconductor branches 17, 18 of thermoelectric batteries are preferably made of high-performance bismuth telluride alloys. Switching buses 19, through which the branches are interconnected, are usually made of copper. It is preferable to connect the busbars 19 to the inner surfaces of the heat exchanger plates 20, 21, which are usually made of alumina, using layers of highly heat-conducting elastic electrical insulating material, for example, made of elastosil material. Radiators 24, 26 are connected to the outer opposite surfaces of the heat exchange plates 20, 21 of thermoelectric modules also by means of a highly heat-conducting elastic material, and “elastosil” can again be used.

В каждом термоэлектрическом модуле содержится по крайней мере две соединенные параллельно термоэлектрические батареи. В кондиционере предпочтительно использовать серийно выпускаемые термоэлектрические охлаждающие модули, например, изготавливаемые предприятием СКТБ "НОРД" термоэлектрические модули марки ТМ-127-1,4-6. В состав кондиционера входит обычно набор одинаковых термоэлектрических ячеек 7, каждая из которых включает (см. фиг. 2) серийно выпускаемый термоэлектрический модуль и радиаторы 24 и 26, серийный выпуск которых также налажен. Система крепления 8 термоэлектрических ячеек 7 состоит из крепежных пластин, выполненных из теплоизоляционного материала, например из стеклотекстолита, к средним зонам которых присоединены слои упругого материала 32, 33, которые предпочтительно изготавливать из пористой морозостойкой резины. Из этого же материала изготавливаются и прокладки 34, размещаемые между боковыми поверхностями смежных термоэлектрических модулей. Each thermoelectric module contains at least two thermoelectric batteries connected in parallel. In the air conditioner, it is preferable to use commercially available thermoelectric cooling modules, for example, thermoelectric modules of the TM-127-1,4-6 brand manufactured by SKTB "NORD". The air conditioner usually includes a set of identical thermoelectric cells 7, each of which includes (see Fig. 2) a commercially available thermoelectric module and radiators 24 and 26, the serial production of which is also established. The fastening system 8 of thermoelectric cells 7 consists of fastening plates made of heat-insulating material, for example, fiberglass, to the middle zones of which are attached layers of elastic material 32, 33, which are preferably made of porous frost-resistant rubber. Gaskets 34 placed between the side surfaces of adjacent thermoelectric modules are also made of the same material.

При сборке кондиционера осуществляется взаимная фиксация термоэлектрических ячеек 7 посредством системы их крепления 8 (см. фиг. 3), при этом поверхности теплообменных пластин различных термоэлектрических модулей располагаются в одной плоскости (см. фиг. 4) и все воздушные каналы различных радиаторов 24, 26 ориентированы в одном направлении. Опорные упругие элементы 42, выполненные в форме U-образных пластин, могут быть изготовлены из пружинистой стали. В качестве датчиков температуры 14, 15 предпочтительно использовать биметаллические термодатчики, например, марки 2455R-100-75. При этом биметаллический термодатчик 15, размещаемый в кабине машиниста, определяет фактическую температуру воздуха в кабине, а биметаллический термодатчик 14, расположенный в выходной зоне канала технологического воздуха 9, используется в качестве датчика перегрева выводимого технологического воздуха, по сигналу которого блок управления 13 отключает питание термоэлектрических ячеек 7 в случае превышения величины измеряемой температуры предельно допустимого значения. В качестве источника электроэнергии для энергоснабжения термоэлектрических модулей и вентиляторов при использовании заявляемого термоэлектрического кондиционера обычно применяется бортовой источник электроэнергии транспортного средства. When assembling the air conditioner, the thermoelectric cells 7 are mutually fixed by means of their fastening system 8 (see Fig. 3), while the surfaces of the heat exchange plates of various thermoelectric modules are located in the same plane (see Fig. 4) and all air channels of various radiators 24, 26 oriented in one direction. The supporting elastic elements 42, made in the form of U-shaped plates, can be made of spring steel. As temperature sensors 14, 15, it is preferable to use bimetallic temperature sensors, for example, grades 2455R-100-75. In this case, the bimetallic temperature sensor 15, located in the driver’s cab, determines the actual temperature of the air in the cab, and the bimetallic temperature sensor 14, located in the output zone of the process air channel 9, is used as an overheating sensor for the output process air, by the signal of which the control unit 13 cuts off the power cells 7 in case of exceeding the measured temperature value of the maximum permissible value. As an electric power source for supplying thermoelectric modules and fans when using the inventive thermoelectric air conditioner, an on-board vehicle electric power source is usually used.

Работу заявляемого термоэлектрического кондиционера рассмотрим на примере эксплуатации термоэлектрического кондиционера холодопроизводительностью 2 кВт, используемого для кондиционирования воздуха в кабине машиниста локомотива. После подачи команды "пуск" с пульта управления и индикации 16 на блок управления 13 в этом блоке генерируются сигналы на запуск вентиляторов 10, 12 и на подключение термоэлектрических ячеек 7 к источнику постоянного тока. В летний период направление электрического тока, проходящего через ветви 17, 18 термоэлектрических батарей, определяемое микропроцессорами автоматической системы управления, соответствует поглощению тепла на спаях, обращенных к каналу кондиционируемого воздуха 11, и выделению тепла на спаях, обращенных к каналу технологического воздуха 9. Воздушный поток, омывающий ребра 27 радиаторов 26, расположенных в канале 11, охлаждается, а воздушный поток, омывающий ребра радиаторов 24, размещенных в канале 9, нагревается и отводит выделившееся в кондиционере тепло наружу. Охлажденный воздух из канала 11 через распределительные элементы (не указаны) поступает в кабину машиниста. Через несколько минут в кабине устанавливается требуемая температура, которая находится обычно в пределах 22-26^oC. Сигнал с биметаллического термодатчика, соответствующий температуре воздуха в кабине машиниста, поступает на блок 13, где системой автоматического управления проводится сравнение текущего значения температуры с заданным. При снижении температуры воздуха в кабине ниже 22^oC сигнал с блока управления 13 поступает на источник электроэнергии и происходит уменьшение величины тока, пропускаемого через термоэлектрические модули термоэлектрических ячеек 7, что обеспечивает соответствующее автоматическое увеличение температуры кондиционированного воздуха. При достижении температуры 22^oC с блока 13 поступает сигнал на увеличение тока, пропускаемого через термоэлектрические модули термоэлектрических ячеек 7.The operation of the inventive thermoelectric air conditioner will be considered on the example of the operation of a thermoelectric air conditioner with a cooling capacity of 2 kW, used for air conditioning in the cab of a locomotive driver. After the start command has been sent from the control and display panel 16 to the control unit 13, signals are generated in this block to start the fans 10, 12 and to connect the thermoelectric cells 7 to the direct current source. In the summer period, the direction of the electric current passing through the branches 17, 18 of thermoelectric batteries, determined by the microprocessors of the automatic control system, corresponds to the absorption of heat on the junctions facing the air-conditioned channel 11, and the heat generation on the junctions facing the technological air channel 9. Air flow washing the fins 27 of the radiators 26 located in the channel 11 is cooled, and the air flow washing the fins of the radiators 24 located in the channel 9 is heated and discharges the precipitated ONER heat outwardly. Cooled air from the channel 11 through the distribution elements (not specified) enters the driver's cab. After a few minutes, the required temperature is set in the cabin, which is usually in the range 22-26 ^o C. The signal from the bimetallic temperature sensor corresponding to the air temperature in the driver’s cabin is sent to block 13, where the automatic control system compares the current temperature with the set one. When the air temperature in the cabin drops below 22 ^o C, the signal from the control unit 13 enters the electric power source and the current passing through the thermoelectric modules of the thermoelectric cells 7 decreases, which ensures a corresponding automatic increase in the temperature of the conditioned air. When the temperature reaches 22 ^o C from block 13, a signal is received to increase the current passed through the thermoelectric modules of thermoelectric cells 7.

Вследствие тепловой инерции элементов кондиционера и элементов конструкции кабины машиниста, в которой циркулирует кондиционированный воздух, интервал времени между последующими изменениями величины тока, пропускаемого через модули, составляет обычно 12-20 мин. Конденсат, который может образовываться в канале 11, стекает по стенкам ребер 27 радиаторов 26, собирается в желобе нижней части корпуса 3 и удаляется через трубку отвода конденсата. Отработанный технологический воздух из канала 9 посредством вытяжных вентиляторов 10 отводится через жалюзи (не указаны) в окружающее пространство. Направление воздушных потоков в каналах 9 и 11 противоположно, что обеспечивает высокую эффективность кондиционера. В зимний период времени микропроцессоры системы автоматического управления в блоке управления 13 изменяют направление тока посредством блока реверсирования (не указан), при этом кондиционер работает в режиме нагрева воздуха, подаваемого в кабину машиниста. Due to the thermal inertia of the air conditioning elements and structural elements of the driver's cab, in which the conditioned air circulates, the time interval between subsequent changes in the magnitude of the current passed through the modules is usually 12-20 minutes. Condensate, which can form in channel 11, flows down the walls of the fins 27 of the radiators 26, collects in the groove of the lower part of the housing 3 and is removed through the condensate drain pipe. Exhaust process air from the channel 9 through the exhaust fans 10 is discharged through the blinds (not specified) into the surrounding space. The direction of air flow in the channels 9 and 11 is opposite, which ensures high efficiency of the air conditioner. In the winter time, the microprocessors of the automatic control system in the control unit 13 change the direction of the current by means of a reversing unit (not specified), while the air conditioner operates in the heating mode of the air supplied to the driver’s cab.

Испытания опытных образцов заявляемого кондиционера показали их высокую надежность и безотказную работу в течение длительного времени в качестве систем кондиционирования воздуха в кабинах машинистов метрополитена и локомотивов железнодорожного транспорта. В сравнении с известными заявляемый термоэлектрический кондиционер обладает значительно более высокой эксплуатационной надежностью благодаря максимальной разгрузке полупроводниковых ветвей термоэлектрических батарей и их коммутационных соединений от воздействия вибрационных и ударных нагрузок, возникающих при эксплуатации транспортного средства. Срок службы заявленного термоэлектрического кондиционера сопоставим со сроком службы транспортного средства, в составе которого он эксплуатируется. Более легкие основания радиаторов обеспечивают и снижение общего веса заявленного кондиционера в сравнении с известным. Себестоимость заявленного термоэлектрического кондиционера для транспортных средств более чем на 10% ниже себестоимости известного кондиционера за счет использования серийно изготовляемых блоков и узлов и упрощения технологии изготовления кондиционера. Tests of prototypes of the inventive air conditioner have shown their high reliability and trouble-free operation for a long time as air conditioning systems in the cabs of subway drivers and railway locomotives. In comparison with the known, the claimed thermoelectric air conditioner has significantly higher operational reliability due to the maximum unloading of semiconductor branches of thermoelectric batteries and their switching connections from the effects of vibration and shock loads that occur during operation of the vehicle. The service life of the claimed thermoelectric air conditioner is comparable with the service life of the vehicle in which it is operated. Lighter base radiators and provide a reduction in the total weight of the claimed air conditioner in comparison with the known. The cost of the claimed thermoelectric air conditioner for vehicles is more than 10% lower than the cost of a known air conditioner through the use of commercially available units and assemblies and the simplification of the manufacturing technology of the air conditioner.

Claims

1. Thermoelectric air conditioner for a vehicle, comprising a detachable housing in which a set of thermoelectric cells is located, each of which consists of a thermoelectric module and radiators with fins attached to the outer opposite surfaces of its heat-exchange plates, a system for fixing thermoelectric cells, consisting of mounting plates with windows in which screeds are placed, and elastic seals in contact with the middle zones of the side surfaces of thermoelectric cells, and a control unit consisting of temperature sensors, an electric current reversing unit connected to thermoelectric cells, and a microprocessor-based automatic control system or manual control system, the inner cavity of the housing being divided by thermoelectric cells and their mounting system into two cavities forming a process air channel equipped with at least at least one fan, and an air-conditioned channel provided with at least one fan, wherein the process air channel and is placed between the roof and the ceiling of the vehicle, to which the body is connected by means of fasteners with shock absorbers.

2. Thermoelectric air conditioner according to claim 1, characterized in that each thermoelectric module consists of at least two parallel-connected thermoelectric batteries, each of which is made of semiconductor branches of n- and p-types of conductivity, connected by switching buses, and parallel located heat exchange plates to which the busbars are connected by means of an elastic, highly thermally conductive insulating material.

3. The thermoelectric air conditioner according to claim 1, characterized in that the radiators are connected to the heat exchange plates of the thermoelectric module by means of a highly conductive elastic material.

4. The thermoelectric air conditioner according to claim 1, characterized in that the thermoelectric modules of the various thermoelectric cells are electrically connected to each other in parallel-series circuit, and in the heat ratio are parallel to each other.

5. The thermoelectric air conditioner according to claim 1, characterized in that each housing fastening element is made in the form of a mounting axis and two cylindrical bushings coaxially located with it, between which a layer of elastic material is placed, while the inner cylindrical sleeve is located on the surface of the mounting axis.

6. Thermoelectric air conditioner according to claim 1, characterized in that each mounting plate is made in the form of a rigid element with windows in opposite zones and two layers of elastic material located in the middle zone of the elastic element on its opposite surfaces.

7. Thermoelectric conditioner according to claim 6, characterized in that the layers of elastic material are attached to the surfaces of the rigid element of the fastening system.

8. Thermoelectric air conditioner according to any one of claims 1, 6 or 7, characterized in that the rigid elements of the fastening system are made of heat-insulating material.

9. The thermoelectric conditioner according to claim 1, characterized in that the support system of thermoelectric modules includes elastic support elements made in the form of U-shaped plates that are placed between the radiators of the thermoelectric cells and the couplers of their fastening system.

10. Thermoelectric air conditioner according to claim 1, characterized in that the temperature sensors are made in the form of bimetallic temperature sensors, at least one of which is located in the cab or passenger compartment of the vehicle and at least one is located in the outlet zone of the process air channel.

11. The thermoelectric air conditioner according to claim 1, characterized in that the lower part of the body is made in the form of a trough inclined into the air-conditioned air supply zone, forming a condensate collecting pan equipped with a vertically oriented condensate drain pipe.

12. Thermoelectric air conditioner according to claim 10, characterized in that the condensate drain pipe is located at the inlet of the conditioned air channel.