Патент на изобретение №2376156

(54) ВОЗДУХОПОДОГРЕВАТЕЛЬ КАБИНЫ ВОДИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электроотопительной техники, а именно к тепловентиляторам, и может быть использовано для отопления кабины водителя городского электротранспорта. Воздухоподогреватель содержит корпус с входом, выходом воздушного потока и крепящей арматурой, блок подачи и нагрева воздуха, включающий вентилятор с электродвигателем в своей обечайке и крыльчаткой, нагревательный элемент, собранный и уложенный в виде спиралеобразного элемента на опоре вдоль обечайки. Во втором блоке подачи и нагрева воздуха выполнены спиралеобразный нагревательный элемент, вентилятор с электродвигателем в своей обечайке и крыльчаткой. Каждый из двух блоков подачи и нагрева воздуха помещен в металлический цилиндрический разъемный кожух, установленный коаксиально каждый своей обечайке. Спиралеобразный нагревательный элемент каждого из блоков подачи и нагрева воздуха образован из сориентированных параллельно друг другу между соседними пластинами и электрически соединенных последовательно отрезков спиралей, концы которых закреплены на изоляторах, установленных в отверстиях пластин, выполненных вдоль их протяженности, причем пластины расположены между кожухом и обечайкой. Воздухоподогреватель дополнительно содержит третий вентилятор с электродвигателем и крыльчаткой. Корпус выполнен разделенным на ряд отсеков. Технический результат заключается в уменьшении времени готовности до требуемой температуры подогрева воздушного потока при уменьшении габаритов изделия. 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

Заявляемое изобретение относится к области электроотопительной техники, конкретно к тепловентиляторам, и может быть использовано для отопления кабины водителя городского электротранспорта.

Известен воздухоподогреватель [авторское свидетельство SU 1149109], в котором с целью расширения возможности его использования в кожухе между электродвигателем и вентилятором дополнительно установлены кольцевой электрод, закрепленный с помощью изолятора на кожухе, щетки, часть которых электрически соединена с кожухом, а остальные – с электродом, и диэлектрические кольца, взаимодействующие со щетками, жестко закрепленные на валу электродвигателя и расположенные с образованием кольцевого зазора с кожухом. Между нагревателем и кожухом соосно установлена дополнительная перфорированная диэлектрическая обечайка.

Известно также устройство для обогрева и вентиляции вагона электропоезда [патент RU на полезную модель 36645], содержащее расположенные в верхней части вагона калорифер для подогрева воздуха, вентилятор для подачи воздуха в салон вагона, жалюзи для регулирования подачи воздуха, перфорированную стенку воздуховода и установленные в нижней части вагона электрические печи для обогрева вагона. Устройство снабжено каналами для отвода воздуха из салона вагона, каждый из которых включает входное и выходное отверстия и расположен под полом салона вагона перпендикулярно его продольной оси.

Известна также система электрического воздушного отопления транспортных средств [авторское свидетельство SU 680921], содержащая вентилятор, всасывающий и нагнетательный каналы, образованные ограждениями, подогреватели и устройства раздачи подогретого воздуха.

Известна также система подогрева и вентиляции кабины водителя [патент ЕР на изобретение 0783987], включающая воздуховод, ведущий поток подогретого воздуха от подогревателя, укрепленного в области крыши транспортного средства, к переднему ветровому стеклу. Одна часть воздуховода выполнена в виде упора для ног с наклоном в направлении сидения водителя и выполняет функцию обогревателя пола.

Известна также система вентиляции и отопления пассажирских помещений вагонов электропоездов (патент RU на полезную модель 44295], содержащая вентиляционную установку с вентилятором и электрокалорифером, к выходу которой подсоединен нагнетательный воздуховод, а ко входу – воздуховод наружного воздуха и воздуховод рециркуляционного воздуха, два воздуховода нижнего уровня вагона и один потолочный воздушный канал. Система снабжена воздухораспределительной заслонкой, имеющей два фиксированных положения и соединяющей нагнетательный воздуховод с воздуховодами нижнего уровня вагона в одном положении, а с потолочным воздушным каналом – в другом положении, при этом вентиляционная установка снабжена вторым входом, соединенным с воздуховодом наружного воздуха и воздуховодом рециркуляционного воздуха, в каждом из воздуховодов наружного воздуха установлена регулирующая заслонка, а каждый из рециркуляционных воздуховодов через установленную в нем запорную заслонку соединен со входом потолочного воздушного канала.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является воздухоподогреватель [авторское свидетельство SU 620755], содержащий кожух с размешенными в нем нагревателем и вентилятором с электродвигателем, в котором с целью повышения эксплуатационной надежности и уменьшения габаритов электродвигатель помещен в установленную соосно ему обечайку с отверстиями для прохода воздуха, а нагреватель размещен между обечайкой и корпусом и представляет собой трубчатый электронагреватель. Последний закреплен на обечайке винтами через теплоизолирующие втулки и пружинящие планки посредством скоб.

Недостатками наиболее близкого аналога является малая пригодность для использования в электротранспорте для отопления по причине низкой эксплуатационной надежности, т.к. в нем нагрев воздуха осуществляется с помощью трубчатых электронагревателей, внутри которых находится раскаленная спираль с температурой до 1000°С. Кроме того, трубчатые электронагреватели характеризуются высокой тепловой инерционностью – медленным разогревом и остыванием, что приводит, в частности, к длительному времени разогрева салонов трамваев и троллейбусов перед их выходом на линию. Высокое аэродинамическое сопротивление, создаваемое трубчатыми электронагревателями, приводит к необходимости увеличения оборотов электродвигателя, снижая тем самым его долговечность и повышая уровень акустического давления.

Кроме того, конструктивное исполнение известного устройства представляется неудачным для компоновки системы обогрева и вентиляции кабины водителя электротранспорта, в которой воздух требуемой температуры раздается на лобовые стекла и другие функциональные элементы кабины по шлангам-воздуховодам. Поэтому выход воздуха из воздухоподогревателя целесообразно образовать в виде набора отдельных патрубков, стыкующихся со шлангами-воздуховодами.

Задачей заявляемого изобретения является уменьшение времени готовности до требуемой температуры подогрева воздушного потока при уменьшении габаритов изделия.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что воздухоподогреватель кабины водителя электротранспорта, содержащий корпус с входом, выходом воздушного потока и крепящей арматурой, блок подачи и нагрева воздуха, включающий вентилятор в виде электродвигателя, помещенного в обечайку, и вынесенной за нее крыльчатки, нагревательный элемент, собранный и уложенный в виде спиралеобразного элемента на опоре вдоль обечайки, содержит

второй блок подачи и нагрева воздуха, в котором идентично первому выполнены спиралеобразный нагревательный элемент, вентилятор с электродвигателем в своей обечайке и крыльчаткой, причем каждый из двух блоков подачи и нагрева воздуха помещен в металлический цилиндрический разъемный кожух, установленный коаксиально каждый своей обечайке, а спиралеобразный нагревательный элемент каждого из блоков подачи и нагрева воздуха образован из сориентированных параллельно друг другу между соседними пластинами и электрически соединенных последовательно отрезков спиралей, концы которых закреплены на паре изоляторов, установленных в отверстиях пластин, выполненных вдоль их протяженности, причем пластины расположены между кожухом и обечайкой; и дополнительно содержит третий вентилятор с электродвигателем и крыльчаткой;

корпус выполнен разделенным на ряд отсеков, в первом из которых помещены симметрично относительно друг друга, установленные на держателях, закрепленных внутри отсека, оба блока подачи и нагрева воздуха и электродвигатель третьего вентилятора, размещенный между кожухами блоков подачи и нагрева воздуха, при этом оба блока подачи и нагрева воздуха ориентированы вертикально относительно дна корпуса таким образом, что крыльчатки расположены в нижней части корпуса;

во втором отсеке, смежном с боковой стороной первого отсека, расположена крыльчатка третьего вентилятора; третий отсек корпуса представляет собой воздуховод для забора холодного воздушного потока, смежный с боковой частью первого отсека и располагающийся над вторым отсеком, при этом второй и третий отсеки корпуса выполнены с возможностью входа воздушного потока;

четвертый отсек корпуса расположен над первым отсеком, имеет отверстия в смежной с ним стенке и представляет собой короб с помещенными внутрь него направляющими элементами нагретого воздушного потока и с двумя рядами противолежащих отверстий в боковых сторонах короба, совмещенными с выходом воздушного потока в виде отрезков труб, выполненных выходящими наружу за пределы отсека.

Кроме того, заявляется воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, в четвертом отсеке корпуса которого размещены два расходящихся в противоположные стороны выводящих канала нагретого воздуха, сформированных направляющими элементами, конфигурация которых в центральной части короба имеет плавную изогнутую форму для изменения направления движения воздушного потока, а у выхода воздушного потока выполнена с возможностью его сужения.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, в котором площадь выводящих каналов нагретого воздуха в месте стыковки их с отрезками труб с боковых сторон короба подчинена соотношению

1,4S_о/S_тр1,7,

где S_o – площадь выводящих каналов нагретого воздуха,

S_тр – суммарная площадь отрезков труб.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, в котором пластины с рядом отверстий имеют форму полосы с четырьмя выступами, два из которых соединены с обечайкой, а два других соединены с кожухом.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, в котором размеры полосы и выступов каждой из пластин подчинены соотношению:

0.12(d_k-d₀)h0.25(d_k-d₀),

где h – ширина полосы,

d₀ – внешний диаметр обечайки,

d_k – внутренний диаметр кожуха.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, в котором один из держателей блоков подачи и нагрева воздуха выполнен в виде кронштейнов, на которых установлены блоки подачи и нагрева воздуха, другой держатель представляет собой пластину с отверстиями для выхода воздушного потока, фиксирующую сверху блоки подачи и нагрева воздуха, причем диаметры отверстий в пластине близки к диаметрам кожухов нагревательных блоков.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, который имеет выполненные со стороны крыльчатки прочно соединенные крепящий элемент и заслонку воздушного потока, установленные соосно кожуху и обечайке в поперечном сечении кожуха; крепящий элемент закреплен в своей периферийной части на пластинах и имеет форму треугольника, заслонка закреплена в торцевой части обечайки и имеет форму уплощенного цилиндра, диаметр которого подчинен соотношению:

0.9d₃/d0.98,

где d₃ – внешний диаметр заслонки,

d – внутренний диаметр обечайки.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, в котором крепящий элемент и заслонка воздушного потока имеют соосные близкого размера центральные отверстия для прохода вала электродвигателя при его торцевом креплении к ним.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, который имеет со стороны крыльчатки толстостенное кольцо, служащее формирователем воздушного потока, внешний диаметр которого равен внутреннему диаметру разъемного цилиндрического кожуха, установленного на кольце.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, в котором крепление крыльчатки к валу электродвигателя выполнено с помощью диэлектрической ступицы цилиндрической формы.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, который имеет, по крайней мере на одной стенке с внутренней стороны, изоляционные элементы корпуса, размеры которых подчинены соотношениям:

11.07l₀,

b0.55d_k,

где l – длина изоляционных элементов вдоль корпуса,

l₀ – длина кожуха,

b – ширина изоляционных элементов,

d_k – внутренний диаметр кожуха.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, который имеет в каждом из блоков подачи и нагрева воздуха делители напряжения, выполненные в виде выводов, по крайней мере, одного отрезка спирали, электрически соединенного с вводами питания своего электродвигателя вентилятора.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, который имеет защитные устройства от переполюсовки в виде двух диодных мостов, вход которых соединен, по крайней мере, с одним делителем напряжения, а выход – с вводами питания электродвигателя каждого блока подачи и нагрева воздуха.

Заявляется также воздухоподогреватель с изложенными выше признаками, в котором воздуховод для забора холодного воздуха выполнен с шибером для регулирования потока холодного воздуха.

Технический результат заявляемой конструкции заключается в предельной компактности деталей и узлов при повышении основных эксплуатационных характеристик: снижении уровня акустического давления и увеличении гарантированной долговечности – средней наработки на отказ. Это достигается рядом технических приемов, позволяющих максимально сблизить узлы изделия за счет нетипичной их компоновки. Выполнение нагревательного элемента – «спирали из спирали», – технический прием, не нашедший пока распространения, позволяет разместить нагревательные элементы в минимальном объеме, наиболее компактно сочетаемом с электродвигателями и крыльчатками вентиляторов блоков подачи и нагрева воздуха.

Набор разнообразных диэлектрических пластин и других диэлектрических деталей (ступицы и т.д.), установленных в зонах раздела предельно приближенных металлических поверхностей, имеющих разные электрические напряжения, позволил миниатюризировать общую конструкцию.

Использование входящих в блоки подачи и нагрева воздуха отрезков спиралей нагревательного элемента в качестве делителя напряжения для формирования напряжения питания позволило снизить уровень акустического давления, повысить наработку на отказ, стабилизировать температуру выходящего нагретого воздуха при высоких нестабильностях питающего напряжения блока подачи и нагрева воздуха, а также обеспечить защиту от возможных ошибок электромонтажа в транспортных средствах горэлектротранспорта.

Заявляемое изобретение поясняется с помощью чертежей, на которых представлены: на фиг.1 – вид сбоку заявляемого воздухоподогревателя кабины водителя электротранспорта, на фиг.2 – вид сзади, на фиг.3 – вид снизу, на фиг.4 – вид со стороны торца блока подачи и нагрева воздуха, на фиг.5 – продольное сечение блока подачи и нагрева воздуха, на фиг.6 – держатель для установки и фиксации блоков подачи и нагрева воздуха, а также дополнительной иллюстрации для пояснения, на которых позициями 1-31 обозначены:

1 – корпус;

2 – первый отсек;

3 – блок подачи и нагрева воздуха;

4 – второй отсек;

5 – третий вентилятор;

6 – крыльчатка третьего вентилятора;

7 – электродвигатель третьего вентилятора;

8 – третий отсек;

9 – воздуховод для забора холодного воздушного потока;

10 – короб;

11 – направляющие элементы;

12 – отверстия для выхода воздушного потока;

13 – отрезки спиралей;

14 – керамические изоляторы;

15 – пластины нагревательного элемента;

16 – вентиляторы блока подачи и нагрева воздуха;

17 – обечайка;

18 – электродвигатель блока подачи и нагрева воздуха;

19 – разъемный кожух;

20 – держатель блока подачи и нагрева воздуха;

21 – отверстия в держателе;

22 – отверстия в пластинах нагревательного элемента;

23 – соединительные элементы;

24 – крепежный элемент;

25 – заслонка воздушного потока;

26 – крыльчатка блока подачи и нагрева воздуха;

27 – вал электродвигателя;

28 – диэлектрическая ступица;

29 – формирователь воздушного потока;

30 – термопредохранители;

31 – шибер.

Заявляемый воздухоподогреватель кабины водителя электротранспорта включает ряд деталей и узлов, помещенных в корпус 1 с входом, выходом воздушного потока и крепящей арматурой, который разделен на четыре отсека. В первом отсеке 2 корпуса 1 размещены два блока подачи и нагрева воздуха 3. Во втором отсеке 4 корпуса 1, смежном с боковой частью первого отсека 2, расположена крыльчатка 6 третьего вентилятора 5, подающего воздух к блокам подачи и нагрева воздуха 3, при этом электродвигатель 7 третьего вентилятора 5 выходит в первый отсек 2. Третий отсек 8 корпуса 1 представляет собой воздуховод 9 для забора холодного воздушного потока, смежный с боковой частью первого отсека 2, и располагается над вторым отсеком 4. Четвертый отсек корпуса 1 с помещенными в него направляющими элементами 11 нагретого воздушного потока

В четвертом отсеке корпуса, расположенном над первым отсеком 2 и представляющим собой короб 10, размещены два расходящихся в противоположные стороны выводящих канала нагретого воздуха, сформированных направляющими элементами 11. С боковых сторон короба 10 выполнены отверстия 12 для выхода воздушного потока через расположенные в них отрезки труб. Конфигурация направляющих элементов 11 в центральной части короба 10 имеет плавную изогнутую форму для изменения направления движения воздушного потока, а у выхода воздушного потока направляющие элементы 11 выполнены с возможностью его сужения. Площадь выводящих каналов нагретого воздуха в месте стыковки их с отрезками труб с боковых сторон короба 10 подчинена соотношению:

1.4S_o/S_тр1,7,

где S_o – площадь выводящих каналов нагретого воздуха,

S_тр – суммарная площадь отрезков труб.

Одними из основных элементов воздухоподогревателя являются два блока подачи и нагрева воздуха 3, включающие вентилятор 16 в виде электродвигателя 18, помещенного в обечайку 17, и вынесенной за нее крыльчатки 26, нагревательный элемент, собранный и уложенный в виде спиралеобразного элемента на опоре вдоль обечайки 17. Оба блока подачи и нагрева воздуха 3 помещены симметрично относительно друг друга, установлены на кронштейнах и держателе 20, закрепленных внутри корпуса 1, и ориентированы вертикально относительно дна корпуса таким образом, что крыльчатки 26 расположены в нижней части корпуса. Каждый из двух блоков подачи и нагрева воздуха 3 помещен в металлический цилиндрический разъемный кожух 19, установленный коаксиально каждый своей обечайке 17. Спиралеобразный нагревательный элемент каждого из блоков подачи и нагрева воздуха 3 образован из сориентированных параллельно друг другу между соседними пластинами и электрически соединенных последовательно отрезков спиралей 13, соединенных электрически последовательно, концы которых закреплены на паре керамических изоляторов 14, установленных в отверстиях 22 пластин, выполненных вдоль их протяженности. Радиально расходящиеся от осей симметрии блоков подачи и нагрева воздуха пластины 15 нагревательного элемента расположены между кожухом и обечайкой. При этом достигается наиболее компактное размещение данных отрезков спиралей 13, позволяющее достичь максимальной концентрации выделяемой тепловой мощности и предельной миниатюризации заявляемого воздухоподогревателя.

Отрезки спиралей 13 размещаются в наиболее интенсивно работающих частях воздушных потоков, создаваемых вентиляторами 16 блоков подачи и нагрева воздуха. Фиг.1-6 позволяют представить себе конфигурацию формируемого воздухоподогревателем воздушного потока. Основная часть воздуха должна проходить через кольцевое поперечное сечение, ограниченное с одной стороны обечайкой 17, являющейся защитным экраном электродвигателя 18 блока подачи и нагрева воздуха 3. Она предохраняет электродвигатель 18 от теплового потока, создаваемого спиральным нагревательным элементом, и от высокого потенциала при возможном разрыве отрезков спиралей 13 и касании их электродвигателя 18. С другой стороны воздушный поток ограничивается цилиндрическим металлическим разъемным кожухом 19 блока подачи и нагрева воздуха 3, состоящим из двух частей.

Для создания второго контура электрической изоляции, компактной и надежной сборки в единый конструктивный узел собранная конструкция фиксируется сверху с помощью держателя 20 блоков подачи и нагрева воздуха 3 в виде крепежной пластины с круглыми отверстиями 21 для прохода воздуха. Диаметры отверстий в пластине близки к диаметрам разъемных кожухов 19 нагревательных блоков. Снизу блоки подачи и нагрева воздуха устанавливаются на кронштейны. Для дополнительной изоляции конструкции от боковых стенок корпуса 1 воздухоподогревателя на последние устанавливаются изоляционные элементы корпуса в виде диэлектрических пластин. Размеры изоляционных элементов корпуса подчинены подобранным эмпирически соотношениям:

l1.07l₀,

b0.55d_k,

где l – длина изоляционных элементов вдоль корпуса, l₀ – длина кожуха, b – ширина изоляционных элементов, d_k – внутренний диаметр кожуха, что обеспечивает в любом промежутке внутри воздухонагревателя расстояние между нагревательным элементом и корпусом 1 не менее определяемой ГОСТом величины 16 мм. Данные соотношения позволяют минимизировать воздушные промежутки между разъемными кожухами 19 блоков подачи и нагрева воздуха 3 и корпусом 1 и существенно уменьшить все габариты воздухоподогревателя.

Важным элементом конструкции блоков подачи и нагрева воздуха 3, служащей для подачи и нагрева воздушного потока, является каркас, состоящий из цилиндрического разъемного кожуха 19, обечайки 17 и жестко закрепленных на ней (например, с помощью сварки) радиально расходящихся пластин 15 нагревательного элемента, вытянутых вдоль разъемного кожуха 19. Эти пластины 15 имеют неоднородную форму и представляют собой полосы с четырьмя металлическими прямоугольными выступами, два из которых соединены с обечайкой 17, а два других соединены с разъемным кожухом 19. Пластины 15 имеют отверстия 22 вдоль своей протяженности для установки керамических изоляторов 14. Выступы, с одной стороны, минимизированы по ширине с целью создания минимального аэродинамического сопротивления для азимутальной составляющей скорости воздушного потока, создаваемого вентилятором 16 блока подачи и нагрева воздуха и проходящего в образуемые между данными выступами зазоры. С другой стороны, они обеспечивают требуемую жесткость всей конструкции опоры и воздухоподогревателя в целом. По результатам экспериментов установлено, что ширина этих прямоугольных выступов должна быть примерно равна ширине пластины 15 нагревательного элемента. Выходящий из образованной крыльчаткой 26, кожухом 19 и формирователем воздушного потока 29 области воздушный поток, кроме аксиальной, имеет еще и большую по величине азимутальную составляющую скорости. Поэтому, если пластины 15 с отверстиями 22 будут выполнены в виде сплошных пластин прямоугольной формы, то они уже на очень небольшом расстоянии от вентилятора полностью погасят азимутальную составляющую скорости и уменьшат суммарную скорость прохода воздуха у поверхности отрезков спиралей 13 нагревательного элемента. Это приведет к уменьшению скорости теплопередачи от отрезков спиралей 13 к воздушному потоку, к ужесточению температурного режима нагревательного элемента и к снижению его надежности и долговечности при заданном уровне мощности.

Для избежания указанных негативных явлений выбрана и рассчитана форма пластин 15 с отверстиями 22 в виде полос с выступами для крепления на обечайке 17 и на кожухе 19. Размеры полосы и выступов каждой из пластин 15 подчинены соотношению:

0.12(d_k-d₀)h0.25(d_k-d₀),

где h – ширина полосы,

d₀ – внешний диаметр обечайки 17,

d_k – внутренний диаметр кожуха 19.

При минимальной ширине полосы и ширине выступов вдоль протяженности пластин 15 нагревательного элемента имеет место минимальное снижение величины азимутальной составляющей скорости воздушного потока и суммарной скорости прохода воздуха у поверхности отрезков спиралей 13. Для этого размеры полосы и выступов каждой из пластин 15 подчинены соотношению:

h0.25(d_k-d₀),

где h – ширина полосы и выступов пластин 5, d₀ – внешний диаметр обечайки 17, d_k – внутренний диаметр кожуха. Необходимость выполнения второй части соотношения:

h0.12(d_k-d₀)

связана с обеспечением механической прочности системы и возможности выполнения в полосе отверстий 22 для установки керамических изоляторов 14 нагревательного элемента.

Для крепления вентилятора 16 блока подачи и нагрева воздуха на торцы трех из шести вытянутых вдоль кожуха 19 пластин 15 каждого из блоков подачи и нагрева воздуха 3 устанавливаются соединительные элементы 23. На них крепятся выполненные со стороны крыльчатки прочно соединенные крепящий элемент 24 и заслонка 25 воздушного потока для установки и электрической изоляции электродвигателя 18 блока подачи и нагрева воздуха. Крепящий элемент 24 и заслонка 25 воздушного потока имеют соосные близкого размера центральные отверстия для прохода вала 27 электродвигателя при его торцевом креплении к ним. Крепящий элемент 24 и заслонка 25 воздушного потока установлены соосно кожуху 19 и обечайке 17 в поперечном сечении кожуха 19. При этом крепящий элемент 24 в виде треугольной пластины предназначен для установки электродвигателя 18 блока подачи и нагрева воздуха и электрической изоляции его от крыльчатки 26 блока подачи и нагрева воздуха и отрезков спиралей 13. Заслонка воздушного потока 25 в виде диэлектрической пластины формы уплощенного цилиндра предназначена для того, чтобы совместно с крепящим элементом 24 обеспечивать более жесткое крепление и электрическую изоляцию электродвигателя 18, а также для минимизации потока воздуха в зазоре между электродвигателем 18 и обечайкой 17. Заслонка 25 закреплена в торцевой части обечайки 17. Ее диаметр подчинен соотношению:

0.9d₃/d0.98,

где d₃ – внешний диаметр заслонки 25, d – внутренний диаметр обечайки 17. При наличии обеспечиваемого этим соотношением зазора между обечайкой 17 и заслонкой 25 большая часть холодного воздушного потока от вентилятора 16 попадет в кольцевой промежуток между электродвигателем 18 вентилятора и обечайкой 17 и будет защищать электродвигатель 18 от теплового потока, идущего от включенного нагревательного элемента, обеспечивая тем самым повышение его надежности и долговечности. Как удалось установить эмпирически, при выполнении соотношения 0,98d₃/d электродвигатель 18 начинает перегреваться, а при увеличении зазора (d₃/d0,98) температура электродвигателя 18 в рабочем режиме снижается. Однако при дальнейшем увеличении зазора и, соответственно, расхода воздуха, проходящего между электродвигателем 18 вентилятора и обечайкой 17, снижается расход воздуха, поступающего на нагревательный элемент, что приводит к ухудшению съема тепла с него и перегреву отрезков спиралей 13, а также к появлению струй холодного воздуха в центральной части сечения воздушного потока на выходе воздухоподогревателя. Это существенно снижает его эксплуатационные характеристики. Для избежания этого служит ограничение, описываемое второй частью соотношения: 0,9d_p/d, ограничивающее величину зазора (площадь кольцевого промежутка) между электродвигателем 18 и обечайкой 17 и расход проходящего через него воздушного потока.

Крыльчатка 26 установлена на валу электродвигателя 27 через диэлектрическую ступицу цилиндрической формы 28 с целью создания еще одного дополнительного контура электрической изоляции. Это позволяет обеспечить между крыльчаткой 26 и формирователем воздушного потока 29 принципиально малый воздушный зазор, достаточный для их электрической развязки, увеличение которого привело бы к уменьшению потока воздуха через нагревательный элемент.

Формирователь воздушного потока 29 в виде толстостенного кольца выполняет также функцию арматурного элемента, на котором крепятся части разъемного кожуха 19. Внешний диаметр формирователя воздушного потока 29 равен внутреннему диаметру разъемного цилиндрического кожуха 19. С противоположной от формирователя 29 воздушного потока стороны на верхней части разъемного кожуха 19 установлены два дублирующих друг друга термопредохранителя 30, обеспечивающих отключение питания нагревательного элемента при его перегреве выше заданной температуры.

Реализация описываемой конструкции позволяет максимально сконцентрировать воздушный поток в относительно небольшом по поперечному сечению объеме, существенно увеличив его скорость по сравнению со случаем, когда он не ограничен изнутри поперечными размерами электродвигателя 18, повысить теплосъем с нагревательного элемента, что позволяет увеличить концентрацию выделяемой тепловой мощности и максимально миниатюризировать конструкцию воздухоподогревателя.

В заявляемой конструкции используется электрическое соединение вводов питания электродвигателя 18 с концами одного-двух-трех последовательно соединенных отрезков спиралей 13, осуществляемое конструктивно в местах их крепления через керамические изоляторы 14 на пластинах 15, на которых собран спиральный нагревательный элемент. Это, с одной стороны, обеспечивает подачу на них требуемого напряжения питания при подаче высокого напряжения на нагревательный элемент и гарантированную работу при этом вентилятора 16 одновременно с нагревом отрезков спиралей 13 независимо от возможных ошибок внешнего электромонтажа при подключении воздухоподогревателя к электрическим цепям транспортного средства (троллейбуса, трамвая). С другой стороны, это обеспечивает постоянство температуры выходящего из воздухоподогревателя воздушного потока, поскольку напряжение питания электродвигателя 18 вентилятора (используемого двигателя постоянного тока), его обороты и величина обеспечиваемого им воздушного потока пропорциональны высокому напряжению, подаваемому на спиральный нагревательный элемент. В транспортных средствах это напряжение характеризуется очень высокой нестабильностью и может изменяться от 400 до 750 В.

В верхней части корпуса 1 на фиг.1 закреплен воздуховод 9 для забора холодного воздушного потока, который при установке в кабину трамвая или троллейбуса стыкуется с лицевой панелью кабины в месте расположения на ней решетки для забора наружного воздуха. Внутри него расположен шибер 31 для частичного или полного перекрытия потока воздуха через воздуховод 9.

В верхней части корпуса 1 расположен выполненный в виде единого элемента короб 10, предназначенный для формирования и распределения нагретого воздушного потока. На боковых стенках короба 10 выполнены отверстия 12 для выхода нагретого воздушного потока с расположенными в них патрубками в форме отрезков труб. Внутри короба 10 выполнены два направляющих элемента 11 для формирования и распределения нагретого воздушного потока.

В нижней части корпуса 1 воздухоподогревателя расположены кронштейны для установки его в кабине водителя электротранспорта.

Кроме вентиляторов 16, входящих в состав блоков подачи и нагрева воздуха 3, в конструкции воздухоподогревателя кабины водителя электротранспорта имеется еще и дополнительный третий вентилятор 6, обеспечивающий высокое давление воздуха на входе вентиляторов 16 блоков подачи и нагрева воздуха, а также забор воздуха из помещения кабины водителя и перемешивание его с холодным воздухом, поступающим из воздуховода 9.

Работа заявляемого воздухоподогревателя кабины водителя электротранспорта осуществляется следующим образом. При включении воздухоподогревателя в схему электропитания транспортного средства (трамвая, троллейбуса) на высоковольтные вводы питания воздухоподогревателя подается постоянное напряжение 550 В. Одновременно на вводы питания третьего вентилятора 5 подается регулируемое в диапазоне от 0 до 28 В стабилизированное постоянное напряжение. При вращении крыльчатки 6 этого вентилятора происходит забор воздуха из помещения кабины водителя и перемешивание его с холодным воздухом, поступающим из воздуховода 9, соединенного с решеткой на лицевой панели транспортного средства. В зависимости от положения шибера 31 в воздуховоде 9 и скорости вращения третьего вентилятора 5 на входе вентиляторов 16 блоков подачи и нагрева воздуха образуется больший или меньший уровень избыточного давления воздуха и возможно регулирование в относительно небольших пределах расхода и скорости воздуха в выходных трубах, служащих для раздачи нагретого воздуха.

При необходимости этот вентилятор 5 может быть использован в летнее время для автономного режима вентиляции кабины водителя – без подачи напряжения 550 В на высоковольтные вводы питания для нагрева воздуха.

В режиме нагрева воздуха – подачи на высоковольтные вводы питания воздухоподогревателя постоянного напряжения 550 В – с вводов питания электродвигателей 18 вентиляторов блоков подачи и нагрева воздуха, соединенных с концами одного-двух-трех последовательно соединенных отрезков спиралей 13 соответствующего блока подачи и нагрева воздуха 3, на обмотку якоря электродвигателя 18 подается напряжение, составляющее примерно 12÷14 В (при номинальном его напряжении 28 В). При допустимых колебаниях высокого напряжения от 400 до 750 В напряжение питания вентилятора 16 будет составлять от 10 до 20 В. При таких напряжениях снижаются обороты электродвигателя 18 относительно его номинального режима при напряжении 28 В, существенно повышается его ресурс и снижается уровень создаваемого им акустического давления.

Крыльчатки 26 вентиляторов блоков подачи и нагрева воздуха, электродвигатели 18 и формирователи воздушных потоков 29 обеспечивают создание необходимого расхода воздуха и требуемые параметры воздушных потоков. Воздушные потоки попадают в зазоры между обечайкой и кожухом соответствующих блоков подачи и нагрева воздуха 3 на их спиральные нагревательные элементы и снимают с последних выделяемую тепловую энергию.

При подаче на высоковольтные вводы питания воздухоподогревателя постоянного напряжения 550 В от сети транспортного средства отрезки спиралей 13 нагревательных элементов нагреваются и создаваемое ими тепло уносится из воздухоподогревателя воздушным потоком, создаваемым крыльчатками 26 и формирователями воздушных потоков 29.

С противоположной от формирователей воздушного потока 29 стороны на каждом из блоков подачи и нагрева воздуха 3 на их разъемных кожухах 19 установлены один-два последовательно включенных, дублирующих друг друга термопредохранителя 30 системы защиты, обеспечивающих отключение питания нагревательных элементов при их перегреве выше заданной температуры. Они включаются через высоковольтные вводы питания воздухоподогревателя в цепь пусковой обмотки контактора транспортного средства, подающего высокое напряжение на спиральный нагревательный элемент. При наличии воздушного потока температура термопредохранителей 30 не превышает критической, они находятся в нормально замкнутом состоянии и высокое напряжение поступает на спиральный нагревательный элемент. При отключении напряжения электродвигателя 18 либо при выходе его из строя температура термопредохранителей 30 поднимается выше критического значения, контакты термопредохранителей 30 размыкаются, цепь пусковой обмотки контактора размыкается и подача высокого напряжения на все нагревательные элементы прекращается.

В воздухоподогревателе установлены защитные устройства от переполюсовки в виде двух диодных мостов, вход которых соединен, по крайней мере, с одним делителем напряжения, а выход – с вводами питания электродвигателя каждого блока подачи и нагрева воздуха. В одном из вариантов предлагаемой конструкции на вводах напряжения питания 12÷14 В, снимаемого с одного-двух-трех последовательно соединенных отрезков спиралей 13 на обмотки якорей обоих электродвигателей 18 вентиляторов блоков подачи и нагрева воздуха устанавливаются диодные мосты. Включение в электрическую схему и в конструкцию воздухоподогревателя этих устройств обеспечивает защиту нагревательного элемента от возможности отсутствия потока охлаждающего его воздуха, что происходит при подаче на вращающие крыльчатку 26 электродвигатели 18 постоянного тока напряжения противоположной полярности. Последнее возможно при встречающихся ошибках внешнего электромонтажа – при подключении воздухоподогревателя к электрическим цепям транспортного средства (троллейбуса, трамвая), а также при переполюсовке на линиях движения троллейбусов.

Заявляемый воздухоподогреватель располагается во фронтальном отсеке кабины водителя, поток нагретого воздуха выходит в шесть труб, к которым подходят каналы отвода нагретого воздуха, подающие мощный поток теплого воздуха к окнам кабины и ногам водителя. Важным ее параметром является большая скорость выхода на требуемую температуру разогрева воздуха – не более 10 секунд. Данная конструкция характеризуется мощным, хорошо сформированным потоком теплого воздуха со скоростью воздушного потока 8÷12 м/сек, снижением времени оттаивания стекол кабины водителя в зимние месяцы, низким уровнем акустического давления, высокой надежностью и долговечностью.

Формула изобретения

1. Воздухоподогреватель кабины водителя электротранспорта, содержащий корпус с входом, выходом воздушного потока и крепящей арматурой, блок подачи и нагрева воздуха, включающий вентилятор в виде электродвигателя, помещенного в обечайку, и вынесенной за нее крыльчатки, нагревательный элемент, собранный и уложенный в виде спиралеобразного элемента на опоре вдоль обечайки, отличающийся тем, что он содержит второй блок подачи и нагрева воздуха, в котором идентично первому выполнены спиралеобразный нагревательный элемент, вентилятор с электродвигателем в своей обечайке и крыльчаткой, причем каждый из двух блоков подачи и нагрева воздуха помещен в металлический цилиндрический разъемный кожух, установленный коаксиально каждый своей обечайке, а спиралеобразный нагревательный элемент каждого из блоков подачи и нагрева воздуха образован из сориентированных параллельно друг другу между соседними пластинами и электрически соединенных последовательно отрезков спиралей, концы которых закреплены на паре изоляторов, установленных в отверстиях пластин, выполненных вдоль их протяженности, причем пластины расположены между кожухом и обечайкой; и дополнительно содержит третий вентилятор с электродвигателем и крыльчаткой; корпус выполнен разделенным на ряд отсеков, в первом из которых помещены симметрично относительно друг друга установленные на держателях, закрепленных внутри отсека, оба блока подачи и нагрева воздуха и электродвигатель третьего вентилятора, размещенный между кожухами блоков подачи и нагрева воздуха, при этом оба блока подачи и нагрева воздуха ориентированы вертикально относительно дна корпуса таким образом, что крыльчатки расположены в нижней части корпуса; во втором отсеке, смежном с боковой стороной первого отсека, расположена крыльчатка третьего вентилятора; третий отсек корпуса представляет собой воздуховод для забора холодного воздушного потока, смежный с боковой частью первого отсека и располагающийся над вторым отсеком, при этом второй и третий отсеки корпуса выполнены с возможностью входа воздушного потока; четвертый отсек корпуса расположен над первым отсеком, имеет отверстия в смежной с ним стенке и представляет собой короб с помещенными внутрь него направляющими элементами нагретого воздушного потока и с двумя рядами противолежащих отверстий в боковых сторонах короба, совмещенными с выходом воздушного потока в виде отрезков труб, выполненных выходящими наружу за пределы отсека.

2. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что в четвертом отсеке корпуса размещены два расходящихся в противоположные стороны выводящих канала нагретого воздуха, сформированных направляющими элементами, конфигурация которых в центральной части короба имеет плавную изогнутую форму для изменения направления движения воздушного потока, а у выхода воздушного потока выполнена с возможностью его сужения.

3. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что площадь выводящих каналов нагретого воздуха в месте стыковки их с отрезками труб с боковых сторон короба подчинена соотношению
1,4S_о/S_тр1,7,
где S_o – площадь выводящих каналов нагретого воздуха;
S_тр – суммарная площадь отрезков труб.

4. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что пластины с рядом отверстий имеют форму полосы с четырьмя выступами, два из которых соединены с обечайкой, а два других соединены с кожухом.

5. Воздухоподогреватель по п.4, отличающийся тем, что размеры полосы и выступов каждой из пластин подчинены соотношению
0,12(d_k-d₀)h0,25(d_k-d₀),
где h – ширина полосы;
d₀ – внешний диаметр обечайки;
d_k – внутренний диаметр кожуха.

6. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что один из держателей блоков подачи и нагрева воздуха выполнен в виде кронштейнов, на которых установлены блоки подачи и нагрева воздуха, другой держатель представляет собой пластину с отверстиями для выхода воздушного потока, фиксирующую сверху блоки подачи и нагрева воздуха, причем диаметры отверстий в пластине близки к диаметрам кожухов нагревательных блоков.

7. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что он имеет выполненные со стороны крыльчатки прочно соединенные крепящий элемент и заслонку воздушного потока, установленные соосно с кожухом и обечайкой в поперечном сечении кожуха; крепящий элемент закреплен в своей периферийной части на пластинах и имеет форму треугольника, заслонка закреплена в торцевой части обечайки и имеет форму уплощенного цилиндра, диаметр которого подчинен соотношению
0,9d₃/d0,98,
где d₃ – внешний диаметр заслонки,
d – внутренний диаметр обечайки.

8. Воздухоподогреватель по п.7, отличающийся тем, что крепящий элемент и заслонка воздушного потока имеют соосные близкого размера центральные отверстия для прохода вала электродвигателя при его торцевом креплении к ним.

9. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что он имеет со стороны крыльчатки толстостенное кольцо, служащее формирователем воздушного потока, внешний диаметр которого равен внутреннему диаметру разъемного цилиндрического кожуха, установленного на кольце.

10. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что крепление крыльчатки к валу электродвигателя выполнено с помощью диэлектрической ступицы цилиндрической формы.

11. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что он имеет, по крайней мере, на одной стенке с внутренней стороны изоляционные элементы корпуса, размеры которых подчинены соотношениям
11,07 l₀,
b0,55d_k,
где l – длина изоляционных элементов вдоль корпуса;
l₀ – длина кожуха;
b – ширина изоляционных элементов;
d_k – внутренний диаметр кожуха.

12. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что он имеет в каждом из блоков подачи и нагрева воздуха делители напряжения, выполненные в виде выводов, по крайней мере, одного отрезка спирали, электрически соединенного с вводами питания своего электродвигателя вентилятора.

13. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что он имеет защитные устройства от переполюсовки в виде двух диодных мостов, вход которых соединен, по крайней мере, с одним делителем напряжения, а выход – с вводами питания электродвигателя каждого блока подачи и нагрева воздуха.

14. Воздухоподогреватель по п.1, отличающийся тем, что воздуховод для забора холодного воздуха выполнен с шибером для регулирования потока холодного воздуха.

РИСУНКИ