РАДИАТОР КОНДЕНСАТОРА
RADIATOR OF CONDENSER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к усовершенствованиям характеристик холодильных агрегатов, работающих по абсорбционно-диффузионному циклу, в особенности, используемых вместе с корпусами, предназначенными для размещения температурочувствительного электрического и электронного оборудования, внутри которых обеспечивается регулирование температуры.
Уровень техники
Многие узлы электрического и электронного оборудования имеют повышенную опасность нарушения работы, отказа или, как правило, ускоренного ухудшения работы и сокращения срока службы, когда это оборудование подвержено воздействию значительных колебаний температуры, влажности и других параметров внешней среды. Эта проблема является особенно значительной для узлов оборудования, которые в течение продолжительных периодов времени должны находиться относительно незащищенными от влияние внешней атмосферы.
Одним таким примером являются узлы регулирующего оборудования, и, в частности, их аварийное или резервное батарейное питание. Такое регулирующее оборудование может быть использовано в системах распределения электрической энергии, телекоммуникации, транспорта или безопасности, и зачастую оно может быть размещено в изолированных или незащищенных местах внутри или вне помещений. Установка такого оборудования внутри корпуса с целью защиты от дождя или других осадков может во многих случаях увеличить колебания температуры, при этом воздействие солнечных лучей на корпус будет приводить к нагреванию содержимого корпуса до много более высоких температур, чем которые могли бы иметь место в противном случае. Кроме того, в некоторых случаях применения оборудование, выделяющее теплоту, размещенное вблизи температурочувствительного оборудования, может обуславливать наличие дополнительных термических напряжений. Поэтому существует требование, касающееся обеспечения охлаждения или воздушного термостатирования наиболее температурочувствительных единиц оборудования.
В частности, наблюдалось, что резервное батарейное питание для систем управления распределением энергии и телекоммуникационных систем, работающих в естественных условиях, имеет срок службы существенно менее продолжительный, чем ожидаемый, благодаря, главным образом, постепенному ухудшению работы вследствие колебаний температуры и/или влажности. Известные в уровне техники решения имеют корпуса с регулированием температуры, предназначенные для размещения чувствительного оборудования, начиная от простых вентилируемых корпусов и заканчивая совершенными системами с воздушным терморегулированием. Указанные решения и системы включают такие технологии, как термоэлектрические устройства, вынужденную конвекцию, тепловые трубы, материалы с изменением фазового состояния и парокомпрессионные циклы.
Задача, которую предстоит решить в отношении таких корпусов с регулируемой температурой, заключается в том, чтобы выполнить их по возможности с более эффективной теплоотдачей, и в то же время разработать устройства, которые не имеют подвижных элементов, что устраняет необходимость в регулярном и дорогостоящем техническом обслуживании, обусловленном возникающими неисправностями этих элементов в результате их механического истирания и изнашивания. Элементы, которые могут быть исключены, включают механические компоненты, например вентиляторы, насосы, компрессоры и такие расходные элементы, как фильтры.
К альтернативным холодильным циклам или средствам охлаждения по отношению к указанным выше, которые могут быть приспособлены для использования вместе с электрическим и электронным оборудованием, относится абсорбционно-диффузионный холодильный цикл. Этот цикл полностью исключает необходимость использования механической энергии. Вместо использования механической энергии этот цикл основан на непосредственном использовании тепловой энергии в качестве источника энергии. Такие циклы, кроме того, используют экологически благоприятные текучие среды, являются надежными, бесшумными, относительно экономичными для реализации и не имеют движущихся частей. Однако они характеризуются относительно низкой величиной холодильного коэффициента, которую необходимо увеличить с тем, чтобы можно было эффективно охлаждать электрическое и электронное оборудование, например промышленные резервные блоки питания.
Одна из главных причин неудовлетворительной рабочей характеристики существующих холодильных агрегатов, работающих по абсорбционно-диффузионному холодильному циклу, заключается в недостаточной передаче теплоты от имеющихся на конденсаторе теплоотводящих ребер во внешнюю, окружающую среду. При обычной геометрии теплоотводящих ребер часть ребер, удаленная от основания, играет меньшую роль в общей величине теплопередачи по сравнению с той частью, которая расположена ближе всего к основанию ребер и играет основную роль в эффективности передачи теплоты. В типичных традиционных холодильных агрегатах, работающих по абсорбционно-диффузионному циклу, взаимное расположение ребер конденсатора приводит к меньшему, по сравнению с оптимальным, отводу теплоты от конденсатора. Это означает, что такой цикл проводят при более высоких температурах и с меньшей эффективностью.
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении более эффективного холодильного агрегата, работающего по абсорбционно-диффузионному циклу, для использования вместе с корпусами, в которых обеспечивают регулирование температуры, предназначенными для размещения электрических и электронных элементов, таких, как промышленные резервные блоки питания.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предложен холодильный агрегат, работающий по абсорбционно-диффузионному циклу, содержащий трубку конденсатора, проходящую через теплоотводящий радиатор и охватываемую им снаружи, при этом радиатор снабжен герметичным кожухом, образующим внутреннюю полость, окружающую трубку конденсатора, служащую для размещения жидкого теплоносителя, причем трубка конденсатора расположена в пределах поперечного сечения радиатора, которое сужается до минимальной толщины в направлении верхнего конца радиатора, установленного на холодильном агрегате. Внутренняя полость герметичного кожуха может содержать в качестве жидкого теплоносителя смесь воды и гликоля. При этом радиатор может включать среднюю часть, герметизированную на противоположных концах с помощью первой и второй концевых частей, образующих указанное поперечное сечение радиатора и имеет форму крыла со скругленным нижним концом и сужающимся верхним концом в сечении, при этом указанная средняя часть охватывает трубку конденсатора. Радиатор может быть снабжен заливочным патрубком, предназначенным для ввода жидкого теплоносителя во внутреннюю полость радиатора и поперечное сечение радиатора по существу одинаково в направлении, параллельном трубке конденсатора.
Кроме этого изобретение относится к камере с регулируемой температурой, снабженной вышеописанным холодильным агрегатом, работающим по абсорбционно-диффузионному циклу.
Кроме этого изобретение относится к шкафу с оборудованием с регулируемой температурой, снабженному вышеописанным холодильным агрегатом, работающим по абсорбционно-диффузионному циклу, в котором трубка испарителя проходит через стенку шкафа и через вторую герметичную оболочку для размещения жидкого теплоносителя, при этом образует часть внутренней поверхности камеры так, что холодильный агрегат при его функционировании извлекает теплоту из внутреннего объема камеры и передает ее в окружающую среду. При этом стенка шкафа включает слой тепловой изоляции, через который проходит трубка испарителя; трубка испарителя проходит через углубление, выполненное в стенке; вторая герметичная оболочка выполнена по существу плоской по конструкции по всей внутренней поверхности стенки; трубка испарителя проходит в горизонтальном направлении через верхнюю часть второго герметичного кожуха, когда шкаф ориентирован для использования таким образом, что при использовании конвективный поток жидкого теплоносителя способствует передаче теплоты из внутреннего объема шкафа.
Использование усовершенствованных агрегатов, работающих по абсорбционно-диффузионному холодильному циклу, соответствующих настоящему изобретению, позволяет снизить затраты и повысить эффективность работы агрегатов в широком диапазоне температур окружающей среды по сравнению с известными решениями. Температура промышленных блоков питания может быть уменьшена с большей эффективностью, поскольку такие блоки питания могут быть легко отделены в тепловом отношении от других единиц оборудования за счет размещения в небольших корпусах, которые выделяют лишь небольшое количество теплоты при непрерывной подзарядке указанных блоков питания. При применении предложенного усовершенствования к описанным выше агрегатам, интенсивность охлаждения может быть повышена, и холодильный коэффициент агрегата увеличен.
Использование радиатора согласно изобретению в виде герметичного корпуса, заполненного жидкостью, приводит к различным улучшениям характеристики агрегата, работающего по абсорбционно-диффузионному холодильному циклу, включая увеличенную теплопередачу при рассеивании теплоты, отводимой от трубки конденсатора, в теплопередающую жидкость, находящуюся внутри корпуса. Теплопередающая жидкость предпочтительно представляет собой смесь воды и гликоля, используемую благодаря ее высокой теплоемкости.
Преимущества настоящего изобретения могут быть достигнуты при низких затратах за счет модифицирования типового агрегата, работающего по абсорбционно-диффузионному циклу, посредством снабжения его герметичным кожухом путем «обертывания» этого кожуха вокруг трубки конденсатора.
Герметичный кожух может быть образован из одного или ограниченного количества элементов, изготовленных из материала, который позволяет облегчить изготовление кожуха и его монтаж вокруг имеющейся трубки конденсатора.
При таком модифицировании не требуется никаких элементов с движущимися частями, таких, как вентилятор, который мог бы увеличить затраты на техническое обслуживание оборудования. Вместо этого, обеспечивают более эффективное рассеивание теплоты от трубки конденсатора при отсутствии необходимости в использовании вынужденной конвекции. По усмотрению, вентилятор может быть добавлен к агрегату для дополнительного повышения интенсивности охлаждения, но с затратами на усложнение конструкции.
Тестирование показало, что при использовании обычного агрегата мощностью 80 Вт, работающего по абсорбционно-диффузионному циклу, может быть достигнута разность температур (ΔT) порядка 15°С между температурой внутри корпуса с регулируемой температурой (предназначенного, например, для размещения промышленных блоков питания) и температурой внешней окружающей среды. Использование же модифицированного агрегата с радиатором, соответствующим настоящему изобретению, позволяет увеличить указанную разность температур, как правило, на 5°С. Это позволяет использовать агрегат при более высоких температурах, сохраняя еще в то же время находящиеся внутри корпуса единицы оборудования в пределах оптимального рабочего интервала температур. Указанный модифицированный агрегат, таким образом, способен, как правило, эффективно функционировать при окружающих температурах до 60°С, при сохранении находящегося внутри корпуса оборудования при температуре менее 45°С, и способен поддерживать оптимальную разность температур (ΔT) 15°C вплоть до комнатной температуры.
Подробное описание
Настоящее изобретение ниже будет раскрыто с помощью примера и со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 - агрегат, работающий по абсорбционно-диффузионному циклу, имеющий кожух, заполненный жидкостью, охватывающий трубку конденсатора, вид в перспективе.
Фиг.2 - поперечное сечение агрегата, работающего по абсорбционно-диффузионному циклу, показанного на фиг.1, прикрепленного к стенке корпуса с оборудованием.
Фиг.3 - типичный агрегат, работающий по абсорбционно-диффузионному циклу, имеющий радиатор, выполненный с металлическими ребрами на трубке конденсатора, вид в перспективе.
Фиг.4 - эскиз в изометрической проекции примера выполнения радиатора согласно изобретению.
Фиг.5 - эскиз в изометрической проекции обычного радиатора, выполненного с оребренной трубкой конденсатора.
На фиг.1 представлен пример выполнения агрегата 5, работающего по абсорбционно-диффузионному циклу, в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения. Агрегат 5 содержит трубку 4 испарителя, предназначенного для выделения извлечения теплоты от связанной с ним системы, описанной ниже со ссылкой на фиг.2, и трубку 16 конденсатора, предназначенную для отвода этой теплоты во внешнюю окружающую среду. Радиатор 11 смонтирован вокруг трубки 16 конденсатора, более подробно описанной ниже.
На фиг.2 показано поперечное сечение агрегата 5, работающего по диффузионно-абсорбционному циклу, показанного на фиг.1. Агрегат 5 прикреплен к стенке 9 шкафа с регулируемой температурой так, что внутренний объем 8 шкафа охлаждается с помощью испарительной трубки 4 агрегата 5, и теплота, отведенная от внутреннего объема 8, с помощью агрегата 5 перекачивается во внешнюю сторону 7 от этого корпуса. Стенка 9 включает слой 10 тепловой изоляции, который может образовать внешнюю поверхность стенки 9 или может быть дополнительно покрыт снаружи другим слоем материала, например металлическим листом или кожухом. Шкаф предпочтительно выполнен и используется для размещения температурочувствительного электрического или электронного оборудования так, чтобы поддерживать это оборудование в желательной области температур за счет работы холодильного агрегата. Типичной областью температур является температура, приблизительно равная комнатной (т.е. 20-25°С) или выше, при которой оборудование, такое, как батареи кислотно-свинцовых аккумуляторов, имеет тенденцию работать наиболее эффективно.
К внутренней поверхности 9 прикреплен кожух, заполненный жидкостью, или термосифон 3, с образованием герметичной емкости, окружающей испарительную трубку 4. Кожух 3 снабжен одним или большим числом мест его заполнения, предназначенных для ввода внутрь этого кожуха жидкости 12 после фиксации кожуха на месте вокруг испарительной трубки 4. Заполненный жидкостью кожух 3 может быть присоединен к несущей тепловой изоляции или к материалу, покрывающему эту изоляцию, с помощью сварки, приклеивания или другого способа механического соединения, например, в местах 2а, 2b соединения, находящихся на краях кожуха 3.
Кожух 3 может иметь одну или большее количество сторон или лицевых поверхностей наряду с несущей изоляцией 10 или материалом, покрывающим изоляцию, например, вдоль контактной поверхности 13 между внутренним объемом кожуха 6 и тепловой изоляцией 10. Внешняя поверхность 15 кожуха 3 может находиться в непосредственном контакте с оборудованием, размещенным внутри корпуса, выполненного с регулированием температуры, или она может действовать как охлаждающий элемент на всей внутренней стенке 15 для охлаждения воздуха внутри шкафа.
Размер термосифона предпочтительно оптимизируют для обеспечения баланса между эффективностью передачи теплоты, стоимостью изготовления, согласованием с холодильным циклом и массой текучей среды. Представленное воплощение иллюстрирует конкретное предпочтительное воплощение, в котором кожух 3 имеет по существу плоскую форму и проходит по внутренней поверхности стенки так, чтобы получить максимальный эффект охлаждения внутри шкафа и минимизировать необходимое количество жидкого теплоносителя.
Предпочтительно испарительная трубка 4 размещена ближе к верхнему концу кожуха 3, проходя через кожух по существу в горизонтальном направлении. Верхнее расположение трубки 4 позволяет оптимизировать действие конвекции, поскольку будет происходить отток от испарительной трубки 4 жидкого теплоносителя, находящегося внутри кожуха и контактирующего с испарительной трубкой. Когда жидкость поглощает теплоту из внутреннего объема 8 шкафа, она поднимается вверх и затем охлаждается с помощью испарительной трубки 4, совершая конвективную циркуляцию между испарительной трубкой 4 и нижней частью кожуха 3. Какой-либо объем жидкости, имеющийся выше испарительной трубки 4, однако, не способен вносить вклад в конвективный цикл, благодаря термоклину, созданному в жидкости 12 вблизи уровня расположения испарительной трубки 4. Поэтому испарительная трубка 4 предпочтительно проходит через верхнюю часть кожуха 3, и более предпочтительно настолько близко к верху кожуха, насколько это практически возможно с тем, чтобы получить максимальную эффективность функционирования термосифона. Испарительная трубка 4 проходит через углубление 14, выполненное в стенке.
Герметичный кожух 6, заполненный жидкостью, окружающей испарительную трубку 4, имеет преимущество в том, что предотвращается образование льда на испарительной трубке при функционировании агрегата, и возможно создание более равномерного распределения температуры по всему внутреннему объему шкафа. Использование первого герметичного кожуха в виде радиатора 11, расположенного вокруг трубки конденсатора вместе со вторым герметичным кожухом 6, размещенным вокруг трубки 4 испарителя, обеспечивает усовершенствованный холодильный агрегат, который работает более эффективно и требует меньше технического облуживания.
Радиатор 11 выполнен так, чтобы облегчить отвод теплоты от трубки 16 конденсатора, вокруг которой он смонтирован. Радиатор включает среднюю часть, герметизированную на противоположных концах с помощью первой и второй концевых частей, образующих указанное поперечное сечение радиатора, при этом указанная средняя часть охватывает трубку конденсатора. Предпочтительно радиатор 11 образован из металлического листа, обернутого вокруг трубки 16 конденсатора, запаянного по верхней кромке 21 и припаянного к противолежащим боковым частям 21а и 21b (фиг.1). В результате образуется камера для заполнения жидким теплоносителем 17. Радиатор снабжен заливочным патрубком 18, предназначенным для ввода жидкого теплоносителя, который может включать воду или другую подходящую жидкость, например смесь воды и гликоля. Тепловое расширение жидкого теплоносителя может быть компенсировано за счет гибкости боковых стенок 23 радиатора 11. Ввод жидкого теплоносителя может быть осуществлен после того, как радиатор 11 смонтирован на месте вокруг трубки 16 конденсатора. В воплощении, показанном на фиг.1, ребра конденсатора, обычно имеющиеся на трубке 16 конденсатора (см. фиг.3 и 5), из конструкции исключены, хотя это не является необходимым условием усовершенствования агрегата 5.
Радиатор 11 может быть присоединен к трубке 16 конденсатора с помощью сварки, приклеивания или других средств механического соединения с обеспечением герметичности по жидкости с целью предотвращения какой-либо утечки жидкости в окружающую среду. На фиг.1 боковые участки 21а, 21b показаны соединенными с трубкой 16 конденсатора вдоль сварного шва 7. Кожух радиатора 11 предпочтительно выполнен с наибольшей шириной в сечении, соответствующем месту, в котором радиатор 11 обернут вокруг трубки 16 конденсатора, с тем, чтобы создать конвективный поток жидкости 17, находящейся вокруг нагретой трубки 16 конденсатора.
Фиг.3 иллюстрирует для сравнения обычный агрегат 30, работающий по абсорбционно-диффузионному холодильному циклу, содержащий трубку 16 конденсатора, снабженную радиатором 31, выполненным в виде сплошных металлических ребер, предназначенных для увеличения располагаемой площади поверхности теплообмена с тем, чтобы улучшить отвод теплоты от трубки 16 конденсатора. Действие таких радиаторов основано, главным образом, на передаче теплоты за счет теплопроводности через металлические ребра для рассеивания и отвода теплоты от трубки 16 конденсатора. При сравнении радиатор 11 в виде кожуха, заполненного жидкостью, выполненный согласно настоящему изобретению, имеет преимущество за счет конвекции жидкости, обеспечивающей интенсификацию передачи теплоты от трубки 16 конденсатора. Для эскизов радиатора, представленных на фиг.4 и 5, возможна разность температур в радиаторе (поперек радиатора) 11, заполненном жидкостью, составляющая 40°С (от 95°С до 45°С для фиг.4), по сравнению с 30°С (от 95°С до 65°С для фиг.5) для обычного радиатора 30 со сплошными металлическими ребрами.
Предпочтительной формой радиатора 11 является, в основном, форма с поперечным сечением, имеющим скругленный нижний конец и сужающийся верхний конец. Поперечное сечение радиатора по существу одинаково в направлении, параллельном трубке конденсатора. Такая форма поперечного сечения обеспечивает дополнительное преимущество за счет улучшения конвекции воздуха, обтекающего кожух 2 снаружи, и тем самым повышения эффективности рассеивания теплоты, отводимой от трубки 16 конденсатора.
Размеры радиатора предпочтительно оптимизируют для обеспечения баланса между: i) теплоотдачей при рассеивании теплоты, ii) стоимостью изготовления, iii) соответствием условиям функционирования агрегата, реализующего холодильный цикл, в котором монтируют радиатор, и iv) массой жидкого теплоносителя. Например, для радиатора может быть необходимым, чтобы он соответствовал располагаемой зоне его размещения вблизи шкафа с оборудованием.
Радиатор, имеющий форму крыла, ориентированного вертикально, обеспечивает наибольшую эффективность и непрерывный восходящий поток нагретого воздуха, протекающего вдоль боковой стороны шкафа с оборудованием, от основания агрегата к внешней окружающей среде. Типичный радиатор будет иметь площадь поверхности достаточной величины для снижения температуры на конце трубки конденсатора на 20°С по сравнению с температурой, которую имеет эквивалентная поверхность оребренной трубки конденсатора.
Поскольку необходимо, чтобы шкаф с оборудованием, для присоединения к которому выполнен агрегат согласно изобретению, был теплоизолирован от внешней среды, этот шкаф может быть дополнительно снабжен вентиляционным отверстием для обеспечения рассеивания в окружающую среду токсичных или взрывоопасных газов (таких, как водород), предотвращая тем самым какое-либо взрывоопасное накапливание внутри шкафа газа, который мог бы выделяться при функционировании размещенного в шкафу оборудования.
В пределах объема настоящего изобретения, установленного приложенными пунктами формулы изобретения, предусмотрены и другие воплощения.