ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение описывает конструкцию и принцип действия цифрового унифицированного модуля (кассеты) системы лучистого отопления/охлаждения, устанавливаемой на потолке и используемой для создания, поддержания и регулирования комфортного микроклимата в помещениях различного назначения (медицинских, образовательных, административных, производственных, жилых).

Аналоги изобретения

Известна серия устройств потолочной теплообменной кассеты, разработанной в группе компании Zehnder (патент WO2020183358 от 17.09.2020 года). В основе конструкции лежит протяженный тонкий листовой металл, излучающая поверхность которого формована под укладку циркуляционных средств, и двух боковых перпендикулярных излучающей поверхности стенок, служащих для объединения с аналогичными по конструкции кассетами. Предполагается, что циркуляционные средства имеют цилиндрическую форму и изготовлены из металла с высокой теплопроводностью, а формовка излучающей поверхности полностью повторяет форму циркуляционных средств и направлена выпуклой частью в сторону источника тепла. В предыдущих версиях этого устройства указано на дополнение конструкции продольным ребром жесткости (патент группы компаний Zehnder ЕР 1278019 от 22.01.2003 года), изготовленным методом гибки с двойной окантовкой и расположенным посередине между двумя боковыми перпендикулярными излучающей поверхностями кассеты. В другом патенте группы компаний Zehnder ЕР1278018 от 22.01.2003 года указано на наличие дополнительной формованной крышки, изготовленной из тонкого листового металла и полностью охватывающей излучающую поверхность устройства (от одной боковой стенки до другой). В 1970-х основатель компании Zehnder запатентовал конструкцию потолочной теплообменной кассеты, в которой внутри U-образных держателей закрепляется элемент объемной излучающей поверхности, выполненный из теплопроводящего наполнителя. Теплопроводящий наполнитель содержит в себе циркуляционные средства (металл с высокой теплопроводностью) и состоит из металлической стружки и связующего вещества (патент Oto Zehnder DE1943063 от 05.03.1970 года). Позднее группа компаний Zehnder дополнила патент возможностью изготовления теплопроводящего наполнителя из терморасширенного графита и структурного армирующего элемента на основе алкидных и/или акрилатных смол (патент группы компаний Zehnder HUE042147 от 28.06.2019 года). Подобного рода теплопроводящий наполнитель использовался и для создания потолочной кассеты системы отопления и охлаждения, описанной в патенте группы компаний Zehnder ЕР2295871 от 16.03.2011 года, в котором циркуляционные средства (металл с высокой теплопроводностью) укладывается непосредственно на поверхность теплопроводящего наполнителя с противоположной стороны от излучающей поверхности.

Известно устройство потолочной теплообменной системы с циркуляционными средствами в виде капиллярного мата, используемого в качестве системы отопления или охлаждения помещения с опорной конструкцией, подвешенной под базовым потолком (патент компании Века DE202013003763 от 13.06.2013 года). Капиллярный мат представляет собой совокупность полимерных трубок, расположенных в одной плоскости на расстоянии 2-3 см друг от друга и объединенных в общий трубчатый коллектор большего диаметра, через который протекает теплообменная жидкость. Согласно этому патенту над рабочей областью капиллярного мата расположен сплошной или пластинчатый теплоизоляционный материал, на контактной стороне которого находится адгезионный слой. Патент компании Века DE19726646 от 02.01.1998 года описывает конструкцию элемента системы лучистого отопления или охлаждения, которая содержит опорную пластину, выполненную из листового или перфорированного металла, имеющую профилированные участки жесткости и подвески. Согласно описанной конструкции капиллярный мат может иметь прямой контакт с опорной пластиной или через акустическую ткань. Коллекторы капиллярного мата, имеющие больший по сравнению с трубками капилляров диаметр, расположены выше уровня опорной пластины. Патент компании Века DE19720863 от 08.01.1998 года описывает конструкцию капиллярной кассеты, в которой входная и выходная коллекторные трубки расположены с одной стороны кассеты, упрощая технологию монтажа изделия.

Известно устройство элемента потолочной теплообменной системы компании Clina DE10032670 от 17.01.2002 года, в котором в базовое основание, выполненное из прочного материала с высокой теплопроводностью в виде гребенки, укладываются циркуляционные средства. Для данного устройства могут применяться циркуляционные средства различного диаметра, может регулироваться расстояние и высота взаимного расположения циркуляционных средств. В торцевой поверхности базового основания может быть выполнен технологический паз, совместно с Т-образным потолочным крепежом обеспечивающий быструю сборку всей системы.

Известно устройство потолочной теплообменной системы компании Rehau DE202011002988 от 22.05.2012 года, в основе которого лежит базовое основание из теплоизоляционного материала и циркуляционное средство в виде единого безколлекторного капилляра, концентрическими кругами стремящегося к центру базового основания. Базовое основание, выполненное из жесткого полого пластика, разделено на ячейки: выступ, образующий излучающую поверхность, и впадину, обеспечивающую направление и фиксацию циркуляционного средства. Подача и выход теплоносителя через циркуляционное средство локализовано в одном месте теплообменной системы, обеспечивая удобство монтажа с соседними теплообменными системами, имеющими аналогичную структуру.

Известно устройство потолочной теплообменной системы компании Uponor ЕР3361175 от 15.08.2018 года, содержащее помимо опорной конструкции (базового основания) и циркуляционного средства, прикрепленного к базовому основанию, «воздушный ящик» - канал для прохождения приточного воздуха в запотолочном пространстве. Базовое основание выполнено из тонкого листового материала, имеет плоскую излучающую поверхность. Циркуляционное средство трубчатой формы выполнено из металла с высокой теплопроводностью, имеет прямой контакт с базовой поверхностью. Циркулирующее средство контактирует с базовым основанием не только по линии прямого контакта, но и с помощью формованной крышки из тонкого листового материала, приваренной к базовому основанию.

Известны отечественные разработки в области создания унифицированного модуля (кассеты) системы лучистого отопления/охлаждения. К примеру, в патенте на изобретение RU2690247C1 от 17.10.2018 года (Шелихов Михаил Сергеевич) декларируется повышение эффективности теплообменного модуля. Заданная кривизна его излучающей поверхности позволяет формировать интенсивность теплового потока, т.е. концентрировать (фокусировать) или рассеивать излучаемую лучистую энергию, а также формировать необходимое направление излучения. Конструкция изобретения содержит нагревательную поверхность, выполненную из экструдированных металлических панелей с торцевыми замковыми элементами (выступ - паз) и выпуклыми/вогнутыми цилиндрическими поверхностями, оси которых перпендикулярны замковым элементам, и нагревательный элемент, уложенный в соответствующих креплениях, выполненных на внутренней поверхности экструдированных металлических панелей, образующих поверхность нагрева. Конструкция теплораспределяющей панели, описанной в патенте RU159427U1 от 06.07.2015 года (ЗАО «УНИХИМТЕК») содержит медную трубку-меандр, запрессованную в теплораспределяющей плите (две спрессованные пластины из терморасширенного графита) вместе с П-образными кронштейнами, которые в свою очередь закреплены в металлическом h-образным каркасе. Каркас нижней стороны обтянут полотном, приклеенным к нижней поверхности теплораспределяющей плиты и прикрепленным к каркасу по периметру, а с верхней стороны расположено покрытие из алюминиевой фольги.

Недостатки аналогов изобретения

К общим недостаткам описанных модулей (кассет) системы лучистого отопления/охлаждения относятся:

• низкая тепловая и энергетическая эффективность, обусловленные низкой плотностью распределения циркуляционных средств на единице поверхности и высокими тепловыми сопротивлениями на пути теплопередачи (расположение цилиндрических циркуляционных средств на плоской поверхности основания; наличие воздушных зазоров с низкой теплопроводностью в местах теплового контакта циркуляционных средств с излучающей поверхностью; применение органических полимерных материалов с наполнителем из крупных частиц теплопроводного материала с низкой степенью гомогенности распределения в объеме);

• отсутствие электронных компонентов, обеспечивающих удаленное микропроцессорное управление и контроль параметров унифицированного модуля (кассеты) и текучего теплоносителя, обнаружение протечки, засорения циркуляционных средств и предотвращение образования конденсата;

• отсутствие унифицированных средств механического быстроразъемного соединение с расположенным смежно модулем, имеющим идентичную или аналогичную конструкцию;

• отсутствие возможности фокусирования или рассеивания тепловой энергии за счет традиционного применения плоской теплообменной поверхности;

• высокая масса унифицированного модуля (кассеты) за счет применения металлов с высокой теплопроводностью в качестве циркуляционных средств;

• высокая хрупкость применяемых материалов;

• сложность укладки циркуляционного средства и высокая вероятность повреждения ячеистой структуры базового основания в случае, если теплообменная система имеет большие габаритные размеры;

• техническая и технологическая сложность конструкции, предусматривающая необходимость создания дополнительного канала для прохождения приточного воздуха и технических средств для организации его прохода.

Технические задачи изобретения

Технические задачи заявляемой полезной модели являются: • увеличение плотности распределения циркуляционных средств на единице поверхности унифицированного модуля (кассеты);

• снижение тепловых сопротивлений теплопередачи;

• эффективная локализация тепла (фокусировка) на цилиндрической поверхности полимерных циркуляционных средств;

• цифровизация унифицированного модуля (кассеты) за счет электронных компонентов - датчик протечки, термопара или терморезистор, беспроводного модуля связи и ARM-процессора с адресной идентификацией;

• адаптация средств механического соединения модулей к существующим потолочным конструкциям (Армстронг, Грильято),

Технические результаты изобретения

Техническими результатами изобретения являются повышение тепловой и энергетической эффективности и надежности эксплуатации, цифровизация устройства, упрощение технологии изготовления и монтажа.

Конструкция изобретения

В основе конструкции цифрового унифицированного модуля (кассеты) системы лучистого отопления/охлаждения лежит основание (фиг.1, поз.1), образованное нижней и верхней (находящейся в подпотолочном пространстве) теплообменными поверхностями. Основание служит для фиксации массива циркуляционных средств (фиг.1, поз.2) и интенсификации теплообменных процессов. Для этого теплообменные поверхности основания могут быть изготовлены из листового конструкционного материала с высокой теплопроводностью (алюминиевый сплав, медный сплав, тонколистовая конструкционная сталь) и могут иметь криволинейную (параболическую) поверхность, позволяющую эффективно распределять падающий и излучаемый тепловые потоки. Форма вершины криволинейной (параболической) теплообменной поверхности выполнена идентичной половине цилиндрической форме используемого циркуляционного средства с учетом слоя композиционного теплопроводного материала, таким образом, что при их соединении образуется безщелевой тепловой контакт. Теплообменные поверхности основания с установленным между ними массивом циркуляционных средств могут иметь прямой тепловой контакт и дополнительную жесткость конструкции, полученные путем последовательного вакуумирования и заполнения пустого пространства жидким композиционным теплопроводным материалом с его последующим затвердеванием (фиг.1, поз.З). Основание унифицированного модуля (кассеты) системы лучистого отопления/охлаждения может быть дополнено защитным чехлом (фиг.1 , поз.4) из плоского (сплошного или перфорированного) листового конструкционного материала с высокой теплопроводностью (алюминиевый сплав, медный сплав, тонколистовая конструкционная сталь). Над верхней (находящейся в подпотолочном пространстве) теплообменной поверхностью основания устанавливается теплоизоляционный защитный материал с экранирующим тепловой поток покрытием (фиг.1, поз.5).

Циркуляционные средства цифрового унифицированного модуля (кассеты) системы лучистого отопления/охлаждения служат для осуществления теплового обмена и устанавливаются в соответствующую по форме область теплообменной поверхности основания. Циркуляционные средства представляют собой массив трубок (0 _В неш. от 2 до 10 мм) (фиг.2, поз.1 и фиг.З, поз.2), вмонтированный в общий сток/исток (коллектор) из трубки (0внеш. от 16 до 50 мм) (фиг.2, поз.2 и фиг.З, поз.З), изготовленные из полимерного материала. Монтаж массива трубок в общий сток/исток (коллектор) проводится методом пайки в единой плоскости под прямым углом к базовой поверхности стока/истока (коллектора). При этом на поверхности стока/истока (коллектора) образуется оплавленный мениск, ограничивающий минимальное расстояние между соседними элементами циркуляционных средств (не менее 10 мм) и, соответственно, плотность распределения циркуляционных средств на единице поверхности унифицированного модуля (кассеты). Повышение плотности распределения циркуляционных средств на единицу площади в два раза в предложенном изобретении достигается за счет двухуровневого расположения мест пайки элементов циркуляционных средств на поверхности стока/истока (коллектора) с 45-градусным смещением друг от друга по цилиндрической составляющей стока/истока (коллектора) и (10...15)-градусным смещением плоскостей их расположения. Внутренняя и внешняя поверхность циркуляционных средств может быть модифицирована с целью снижения теплового сопротивления на пути распространения теплового потока. Модификация поверхности заключается в снижении шероховатости за счет локального подплавления и может быть достигнута за счет применения метода термической полировки поверхности, происходящей при обработке внутренней поверхности перегретыми водяными парами, внешней поверхности - направленным источником тепла (газовая горелка, электрический или инфракрасный нагреватель).

Предложенный цифровой унифицированный модуль (кассета) не имеет собственных элементов механического соединения с расположенным смежно модулем (кассетой), имеющим идентичную или аналогичную конструкцию. Вместо этого система механического соединения предложенного изобретения спроектирована с возможностью интеграции в популярные продуктовые линейки потолочных систем (Армстронг, Грильято). Элементы унифицированного гидравлического соединения общих стоков/истоков (коллекторов) имеют унифицированную быстроразъемную конструкцию и обеспечивают циркуляцию текучего теплоносителя под рабочим давлением 2-10 бар между расположенными смежно модулями, имеющими идентичную или аналогичную конструкцию.

Аппаратно-программный комплекс (фиг.З, поз.1) цифрового унифицированного модуля (кассеты) включает в себя:

• датчик температуры, реализованный на базе известного типа термопары с возможностью генерации напряжения и тока, при этом передача аналогового сигнала осуществляется через АЦП на микроконтроллер унифицированного модуля (кассеты) или с применением терморезистора в цепи делителя напряжения от стабилизированного источника питания. Установка термо датчика может производиться по центру модуля (кассеты) между теплообменной поверхностью и циркуляционными средствами. При увеличении геометрических размеров модуля (кассеты) или изменении ее формы датчики ставятся не только по центру, но и по периметру или в геометрическом месте, обеспечивающем релевантное измерение температуры. В качестве способа установки термодатчика может быть использована приклейка, прижим или заливка компаундом. Точность термодатчика не ниже 0,1 °C.

• датчик протечки и регистрации точки росы представляет собой два или более электродов или металлическую фольгу, наклеенную на диэлектрическое основание. Между электродами и контактами, вырезанными из металлической фольги, создаётся небольшое напряжение. Если кассета сухая, сопротивление велико, и ток будет незначительный или отсутствовать. Если кассета влажная — сопротивление будет уменьшаться, а ток — увеличиваться. Если кассета протекла - сопротивление будет стремиться к своим минимальным значениям, а ток будет максимально возможным. По итоговому аналоговому сигналу можно судить о степени влажности или протечке, отобразив значения для микропроцессора в 10-битном диапазоне. Установка электродов или металлической фольги может производиться между циркуляционными средствами и теплоизоляционным материалом основания по всей площади унифицированного модуля (кассеты) или в геометрическом месте, обеспечивающем равномерное покрытие зон модуля (кассеты).

• беспроводной модуль связи реализован на энергоэффективных модулях связи для интернет-вещей (IoT): LoRaWAN, SIGFOX, CIoT, 4G LTE, 5G, NB-IoT, Wi-Fi, 6L0WPAN, Thread, ZigBee IP, Z-Wave, ZigBee, BLE 4.2 (Bluetooth Mesh), WirelessHart, MiWi и других энергоэффективных протоколах. • микроконтроллер для обработки сигналов датчиков, хранения и передачи информации в цифровом виде на сервер выполнен на базе семейств AVR, ARM или ESP контроллеров, в зависимости от протокола связи, частоты опроса, количества датчиков и питания всей схемы. Установка может производиться в углу унифицированного модуля (кассеты) возле подводящего коллектора в герметичном корпусе с выведенной или внутренней антенной.

Питание электронной сборки может быть автономным, комбинированным или постоянным. Автономное питание реализуется элементом питания или аккумулятором подходящего напряжения и емкости. Комбинированное питание реализуется на базе электронной сборки аккумулятор подпитывающий, повышающий преобразователь, конденсаторная накопительная емкость и термогенератор на основе эффекта Зеебека. Постоянное питание может осуществляться от низковольтной 6-17 В. Установка электрической схемы и термогенератора может производиться между теплообменной поверхностью и циркуляционными средства, также методом заливки в компаунд.

Отличительные признаки изобретения

Заявляемое изобретение обладает новыми принципиальными отличительными признаками, которые заключаются в следующем:

• нижняя и верхняя теплообменные поверхности основания изготавливается из листового конструкционного материала с высокой теплопроводностью, криволинейная (параболическая) форма которой выполнена идентичной половине цилиндрической форме используемого циркуляционного средства, таким образом, что при их соединении образуется бесщелевой тепловой контакт с учетом теплопроводного композиционного материала;

• теплообменные поверхности имеют прямой тепловой контакт и дополнительную жесткость конструкции, полученные путем последовательного вакуумирования и заполнения пустого пространства жидким теплопроводным композиционным материалом с его последующим затвердеванием;

• повышена плотность распределения циркуляционных средств на единицу площади унифицированного модуля (кассеты) в два раза;

• предложен программно-аппаратный комплекс цифровизации унифицированного модуля (кассеты);

• проведена модификация внутренней и внешней поверхности циркуляционных средств, снижающая тепловое сопротивление на пути распространения теплового потока; предложено применение адаптированных элементов механического крепления к существующим потолочным системам.

Перечисленные отличительные особенности изобретения позволяют повысить тепловую и энергетическую эффективность устройства, перенести устройств на новый качественный уровень - цифровые устройства, повысить надежность эксплуатации, упростить технологии изготовления и монтажа.

Вывод о «новизне»

Заявленное Изобретение, содержащее вышеописанные отличительные признаки, неизвестно из текущего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».

Вывод о «промышленной применимости»

Заявляемое изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств и технологий, что позволяет судить о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Вывод об «изобретательском уровне»

Заявляемое изобретение существенно превышает существующий уровень техники, что позволяет судить о соответствии критерию патентоспособности «изобретательский уровень».