ВЕНТИЛЯЦИОННАЯ СИСТЕМА И СВЯЗАННЫЙ С НЕЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЙ ШКАФ
VENTILATION SYSTEM AND ASSOCIATED DISTRIBUTION CABINET

Изобретение касается вентиляционной системы с признаками ограничительной части независимого пункта 1 формулы изобретения. Оно касается, таким образом, вентиляционной системы с несколькими вентиляторами, расположенными параллельно друг другу и рассчитанными на создание воздушного потока вдоль общего направления основного потока, причем
• каждому вентилятору придан по меньшей мере один проточный канал,
• каждый проточный канал снабжен клапаном, который установлен с возможностью поворота между открытым положением и закрытым положением, и
• каждый клапан сконструирован и расположен в проточном канале таким образом, что он удерживается или поддерживается воздушным потоком в открытом положении, а в закрытое положение приводится посредством возвратного потока, направленного противоположно указанному воздушному потоку.
Изобретение касается далее распределительного шкафа с вентиляционной системой такого рода, а также системы клапанов вентиляционной системы.
Для отвода теряемой мощности от электронных блоков, которые обычно установлены в распределительных шкафах, используются воздуходувки. Воздуходувки называются также вентиляторами. Обычно для этого несколько воздуходувок работают параллельно друг другу или с резервированием. Если несколько воздуходувок установлены в одной плоскости, то в случае выхода из строя одной из воздуходувок может произойти гидродинамическое короткое замыкание.
Для разъяснения этого феномена можно обратиться к фиг.1. Там в верхней потолочной панели распределительного шкафа встроены три однотипные воздуходувки. В нормальном режиме, когда работают все три воздуходувки, они всасывают на своей всасывающей стороне воздух снизу и выдувают его на своей воздуховыпускной стороне вверх из распределительного шкафа. Тем самым, по поперечному сечению распределительного шкафа образуется в значительной мере равномерный воздушный поток снизу вверх (направление основного потока).
Теперь, например, выходит из строя средняя воздуходувка. Сопротивление APi потоку вследствие множества встроенных в распределительный шкаф (однако, не представленных на чертеже) блоков значительно больше, чем сопротивление AP2 потоку вышедшей из строя воздуходувки. Поэтому левая и правая воздуходувки не всасывают больше воздух снизу. Возникает гидродинамическое короткое замыкание. Левая и правая воздуходувки будут еще производить циркуляционный воздух между всасывающей стороной и воздуховыпускной стороной, как это показано стрелками-указателями направления потока на фиг.1. Блоки, таким образом, больше не будут охлаждаться воздушным потоком. В результате это приведет к сильному нагреву электронных компонентов в этих блоках. Это может привести к выходу блоков из строя, по меньшей мере, к уменьшению их срока службы.
Чтобы предотвратить это, в прошлом использовались связанные с отдельными воздуходувками клапаны или створки, которые могли препятствовать гидродинамическому короткому замыканию. В принципе, решение заключается в том, чтобы при выходе из строя одной отдельной воздуходувки запирать ее воздушный канал, соответственно, проточный канал.
Благодаря этому предотвращается, что еще работающие воздуходувки будут получать свой всасываемый воздух через этот воздушный канал. Таким образом, предотвращается гидродинамическое короткое замыкание. Гарантируется охлаждение блоков.
Недостатком таких клапанов, закрывающихся под действием силы тяжести или пониженного давления является то, что при прекращении работы всех воздуходувок, например, из-за отключения электроснабжения, больше невозможна естественная конвекция для поддержания аварийного охлаждения.
В вентиляционной системе согласно DD 253 722 A1, на которой основывается ограничительная часть независимого пункта 1 формулы изобретения, каждый клапан сконструирован и расположен в проточном канале таким образом, что они посредством созданного вентиляторами воздушного потока удерживается в открытом положении, а посредством возвратного потока, направленного противоположно указанному воздушному потоку, приводятся в закрытое положение. Если все вентиляторы одновременно прекратят работу, то клапаны останутся в своем открытом положении, в котором они (под углом α>90, см. Фиг.3) прилегают к соответствующим упорам.
Таким образом, естественная конвекция может осуществляться через эти проточные каналы. Однако, этот механизм не работает, если вентиляторы выходят из строя один за другим, или если клапаны во время отключения электроснабжения оказываются в закрытом положении из-за вибрации или т.п. Тогда они остаются закрытыми и препятствуют или мешают желательной естественной конвекции.
В основу данного изобретения положена задача создания вентиляционной системы рассмотренного рода, в которой, с одной стороны, надежно предотвращается гидродинамическое короткое замыкание при выходе из строя отдельных вентиляторов, соответственно, воздуходувок, и в которой, с другой стороны, гарантируется конвекция за счет естественной тяги при выходе из строя всех воздуходувок. Таким образом, должен обеспечиваться, в частности, надежный отвод избыточного тепла из распределительных шкафов во всех предвидимых рабочих ситуациях.
Указанная задача согласно изобретению решается посредством вентиляционной системы с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения.
Сообразно с этим существенным для изобретения является то, что каждый клапан сконструирован таким образом, что он в обесточенном состоянии под действием своего веса приводится в открытое положение, если перед этим был закрыт.
Это означает, что клапаны при выходе из строя всех вентиляторов, например, при отключении электроснабжения, надежным образом автоматически открываются и освобождают относящиеся к ним проточные каналы для естественной конвекции. Даже если один или несколько клапанов перед этим по условиям потока или из-за других причин были закрыты, они самостоятельно открываются в таких исключительных ситуациях и под активным действием силы собственного веса без внешнего воздействия. Известная из уровня техники функция закрывания в сценариях с гидродинамическим коротким замыканием под действием возникающих/устанавливаемых перепада давления или возвратного потока, а именно при выходе из строя отдельной воздуходувки, не нарушается.
Особенно предпочтительным является применение описанной вентиляционной системы в распределительном шкафу, содержащем, например, электрические и электронные компоненты или блоки технологической установки, металлообрабатывающей машины или технологического оборудования. Особый интерес в связи с этим представляют распределительные шкафы для средств систем управления атомной электростанции, в которых даже в случае так называемого обесточивания АЭС должно обеспечиваться остаточное аварийное охлаждение, соответственно, теплосъем путем конвекции за счет естественной тяги. Предлагаемая изобретением вентиляционная система установлена предпочтительно в донной или потолочной панели такого распределительного шкафа. Разумеется, ее можно использовать также для вентиляции и отвода избыточного тепла других помещений или зон помещений.
Для периодических испытаний может быть предусмотрен контроль клапанов. С помощью подходящей сенсорики в комбинации с соответствующим устройством предварительной обработки данных определяется, оценивается и при необходимости записывается текущее положение клапанов. Сенсоры предпочтительно должны работать бесконтактно, чтобы не вызывать дополнительного трения при движении клапанов. В устройстве предварительной обработки данных это определенное положение клапанов может соотноситься с определенным иными средствами (например, по электрическим параметрическим значениям) рабочим режимом соответствующего вентилятора, и при необходимости вырабатывается сообщение об аварийной ситуации.
Другие детали и преимущества данного изобретения явствуют из зависимых пунктов формулы изобретения, а также из нижеследующего детального описания примера осуществления. При этом на чертежах в упрощенном и схематичном представлении показано следующее:
фиг.1 - вентиляционная система в распределительном шкафу, причем стрелки-указатели направления потока показывают гидродинамическое короткое замыкание вследствие вышедшей из строя воздуходувки,
фиг.2 - вырез вентиляционной системы с соответствующим клапанным механизмом для предотвращения гидродинамических коротких замыканий, здесь в первом рабочем положении с открытыми клапанами,
фиг.3 - вентиляционная система по фиг.2 во втором рабочем положении с как раз закрывающимися клапанами,
фиг.4 - вентиляционная система по фиг.2 в третьем рабочем положении с закрытыми клапанами,
фиг.5 - вентиляционная система, подобная показанной на фиг.2, в первом рабочем режиме с открытыми клапанами,
фиг.6 - вентиляционная система по фиг.5 во втором рабочем режиме с закрытыми клапанами, и
фиг.7 - распределительный шкаф с вентиляционной системой.
Одинаковые или одинаково действующие детали на всех фигурах снабжены одинаковыми обозначениями. На фиг.3 и 4 показанные на фиг.2 вентиляторы были опущены ради простоты изображения. То же относится и к показанному на фиг.5 вентилятору, который был опущен на соответствующей фиг.6.
На фиг.2 показано сечение вентиляционной системы 2. Вентиляционная система 2 содержит множество расположенных рядом друг с другом в одной горизонтальной плоскости вентиляторов 4. Вентиляторы 4 могут быть установлены, например, в один ряд на одинаковом расстоянии друг от друга. Может быть предусмотрено несколько параллельных друг другу рядов, так что на виде сверху получается схема в виде шахматной доски или сетки. Возможно также и неравномерное расположение. Все вентиляторы 4 предпочтительно выполнены однотипными, и каждый из них приводится в действие электродвигателем. Вентиляторы 4 показаны здесь схематично как осевые воздуходувки; могут найти применение и другие варианты, как например, радиальные воздуходувки. В нормальном режиме роторные лопасти каждого из вентиляторов 4 создают направленный снизу вверх (= направление 6 основного потока) воздушный поток. Отдельные частичные потоки объединяются в общий поток, который служит, например, для вентиляции и отвода избыточного тепла из находящейся под вентиляторами 4 зоны помещения. В частности, вентиляционная система 2 по фиг.7 может быть интегрирована в потолочную панель распределительного шкафа 8, в котором размещены электронные блоки.
Каждому вентилятору 4 специально приданы один или несколько проточных каналов 10, а именно в том смысле, что производимый одним конкретным вентилятором 4 частичный поток по существу весь или по меньшей мере большей частью проходит только через точно конкретный проточный канал 10 или точно конкретные проточные каналы 10, но не идет через проточные каналы 10 других вентиляторов 4. На фиг.2 представлена возможная система с одним конкретным проточным каналом 10 на каждый вентилятор 4. Другой вариант, при котором каждому вентилятору 4 подчинено несколько проточных каналов 10, представлен на фиг.5. Здесь следует представить себе в одной плоскости рядом друг с другом несколько такого рода блоков, каждый из которых содержит по одному вентилятору 4 с соответствующими проточными каналами 10 (здесь из соображений компактности представлен лишь один такой блок).
Отдельные проточные каналы 10, которые соответственно предусмотренному направлению 6 основного потока ориентированы по существу вертикально, по меньшей мере частично отделены друг от друга подходящими направляющими элементами 12 или направляющими поверхностями. Такого рода направляющие элементы 12 обозначаются также как направляющие пластины, хотя они не обязательно должны быть выполнены из металла, а могут быть изготовлены, например, из пластика. Согласно изображению на фиг.2 проточные каналы 10 расположены предпочтительно над вентиляторами 4. В порядке альтернативы вентиляторы 4 расположены внутри соответствующих проточных каналов 10. В частности, соответствующий проточный канал 10 или его участок может быть реализован посредством корпуса, окружающего или обрамляющего роторные лопасти вентилятора 4. Целесообразно все проточные каналы 10 выполнить однотипными, и расположение соответствующих вентиляторов 4 тоже предпочтительно сделать одинаковым для всех отдельных блоков. Над проточными каналами 10 отдельные частичные потоки объединяются в один общий поток (вентиляционный поток).
Для предотвращения описанной вначале в связи с фиг.1 ситуации гидродинамического короткого замыкания при выходе из строя отдельной воздуходувки каждый проточный канал 10 снабжен клапаном 14 (называемым также обратным клапаном), посредством которого он при необходимости может закрываться - отдельно и независимо от других проточных каналов 10.
В представленном на фигурах примере осуществления указанный клапан 14 выполнен по типу откидного клапана. Он содержит запорный элемент 18 в виде крыла или створки, шарнирно установленный на горизонтально поворотной оси или оси 16 вращения. Ось 16 вращения находится здесь внутри проточного канала 10 на его нижнем конце. В закрытом положении запорный элемент 18 располагается горизонтально и запирает поперечное сечение соответствующего проточного канала 10 по существу полностью (фиг.4). В этом случае проход воздуха через этот проточный канал 10 блокируется. В открытом положении запорный элемент 18 в вертикальном положении заходит в проточный канал 10 и оказывает минимально возможное сопротивление воздушному потоку, протекающему через проточный канал 10, за счет своего узкого поперечного сечения (фиг.2). Благодаря этому производимый соответствующим вентилятором 4 воздушный поток при таком положении клапанов может по существу беспрепятственно течь сквозь этот проточный канал 10.
Срабатывание или «регулирование» каждого клапана 14 здесь происходит автоматически и чисто пассивным образом за счет использования внутренних, защищенных от отказов сил, а именно сила тяжести, с одной стороны, и вызываемой гидродинамическим давлением силы, с другой стороны. Для этого предусмотрен описываемый ниже клапанный механизм.
При этом существенным является то, что соединенный с запорным элементом 18 или интегрированный в него противовес 20 в обесточенном состоянии приводит клапан в открытое положение. Для этого массы и длины рычагов клапанных сегментов, находящихся на расстоянии по обе стороны от оси 16 вращения (плечи рычагов), выбраны подходящими. Противовес 20 может быть образован также посредством самого запорного элемента 18 за счет подходящего распределения веса по отношению к расположению оси 16 вращения. В результате это означает, что клапан 14 в обесточенном или почти обесточенном состоянии будет надежно открываться сам по себе под действием своего веса, если перед этим он мог быть закрыт, и затем оставаться в открытом положении. Также и при отклонениях от исходного положения (положения покоя), которые вызываются временными внешними помехами, клапан 14 всегда снова сам возвращается в открытое положение. Направленный снизу вверх, вдоль направления 6 основного потока воздушный поток, в нормальном режиме вентиляционной системы 2 сформированный посредством соответствующего вентилятора 4, поддерживает открытое положение клапана 14.
Закрытие каждого клапана 14 происходит лишь в ситуациях с такими характеристиками потока, соответственно, давления, которые вызывают возвратный поток через проточный канал 10, направленный противоположно нормальному потоку. Для этой цели ограничивающие соответствующий проточный канал 10 направляющие элементы 12 отогнуты относительно вертикали в месте перегиба или сгиба. За счет наклонной ориентации проточного канала 10 в его верхней зоне непосредственно используемый/возникающий возвратный поток приблизительно перпендикулярно или по меньшей мере одной перпендикулярной составляющей попадает на запорный элемент 18 и вызывает вращающий момент в направлении закрытого положения. Чем более наклонное положение верхнего участка канала, тем больше получается закрывающий момент, тем больше, однако, поворачивается течение. При подходящем выборе весовых соотношений небольшого закрывающего момента достаточно для того, чтобы преодолевать вызываемый собственным весом открывающий момент и перемещать клапан 14 в его закрытое положение (вращать/поворачивать в направлении стрелки на фиг.3). Пока давление Р1 воздуха над клапаном 14 превышает давление Р2 воздуха под ним, клапан 14 надежно остается в закрытом положении (фиг.4).
Таким образом, резюмируя, получаем следующий принцип действия.
В нормальном режиме вентиляционной системы 2 все вентиляторы 4 выдувают воздух снизу вверх. Все клапаны 14 открыты и удерживаются открытыми посредством воздушного потока.
Если теперь один отдельный вентилятор 4 выходит из строя, то воздушный поток, который устанавливается вследствие гидродинамического короткого замыкания, вызывает закрытие именно этого клапана 14. За счет работы еще находящихся в эксплуатации воздуходувок под закрытым клапаном 14 устанавливается меньшее давление, чем над ним. Благодаря этому клапан 14 надежно удерживается закрытым.
Если теперь отключатся или обесточатся все воздуходувки, то пропадают и упомянутые перепады давления. Собственный вес/противовес каждого клапана 14 за счет действия силы тяжести вызовет открытие клапана 14. Это относится ко всем клапанам 14. Теперь возможно прохождение воздуха по всем проточным каналам 10 за счет естественной конвекции. Направленный, как правило, снизу вверх конвекционный поток поддерживает открытое положение клапанов 14.
Как уже упоминалось, в одном возможном варианте реализации по фиг.2 одному вентилятору 4 может быть придан только один проточный канал 10 с клапаном 14. Но может быть также, как показано на фиг.5, что одному вентилятору 4 придано множество проточных каналов 10 с одним клапаном 14 в каждом. Связанные с одним определенным вентилятором 4 клапаны 14 в этом случае в принципе по своей функции не зависят друг от друга, однако, как правило, вместе находятся в открытом положении (фиг.5) или в закрытом положении (фиг.6), поскольку характеристики потока для них всех одинаковы. Этот вариант обладает тем преимуществом, что могут применяться меньшие и более легкие клапаны 14 с небольшой инерционностью.
На фиг.7 показана предлагаемая изобретением вентиляционная система 2 в потолочной панели распределительного шкафа 8. Однако, детали каждого клапанного механизма (проточные каналы и клапаны) на этом изображении опущены. Каждый клапанный механизм здесь интегрирован в корпуса вентиляторов 4. Однако, возможно также, что клапанные механизмы вместе образуют конструктивный узел, а именно систему 22 клапанов вентиляционной системы, которая может устанавливаться на один вентилятор 4 или на получающуюся систему воздуходувок (см. фиг.5).
Перечень ссылочных обозначений
2 вентиляционная система
4 вентилятор
6 направление основного потока
8 распределительный шкаф
10 проточный канал
12 направляющий элемент
14 клапан
16 ось вращения
18 запорный элемент
20 противовес
22 система клапанов вентиляционной системы.