ОСУШИТЕЛЬ ВОЗДУХА НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ПЕЛЬТЬЕ ДЛЯ ВСТРАИВАНИЯ В РЕЗЕРВУАР
AIR DRYER BASED ON PELTIER EFFECT FOR INSTALLING INTO A TANK

Изобретение касается осушительного устройства для осушения воздуха в резервуаре, имеющего по меньшей мере один элемент Пельтье. Изобретение касается также резервуара, в частности контейнера для выпрямителя тока, имеющего такое осушительное устройство, а также транспортного средства, в частности рельсового транспортного средства, имеющего такое осушительное устройство. Также изобретение касается способа осушения воздуха внутри резервуара.
Осушение служит для защиты электронных или силовых электронных деталей конструкции и модулей конструкции. Чаще всего они расположены в резервуарах, называемых также контейнерами. В транспортных средствах, таких как, например, рельсовые транспортные средства, эти резервуары часть выполнены в виде подпольных, крышных контейнеров, шкафов выпрямителя тока локомотива класса защиты IP 54, для обеспечения определенной минимальной защиты от влияний окружающей среды для функционирования заключенных в них технических компонентов и всей системы. Однако это не предотвращает или недостаточно предотвращает проникновение в резервуар влаги воздуха.
Возможными последствиями действия влаги являются явления коррозии и миграции на полупроводниковых структурах и припое, в частности не капсулированных силовых полупроводников, при значительном потенциале ущерба и действии, сокращающем срок службы, даже значительно ниже названных в технических паспортах допустимых значений относительной влажности воздуха.
Совершенно воздухонепроницаемое исполнение резервуаров для защиты электронных компонентов конструкции от влияний окружающей среды, является дорогим и связано с большим весом соответствующего резервуара. Однако именно для транспортных средств рынок требует экономичных и легких решений.
Другая возможность уменьшения влажности воздуха внутри резервуаров заключается в том, чтобы вводить в эти резервуары осушители, такие как, например, гелевые осушители, которые отбирают у воздуха влагу. Однако существует тот недостаток, что при насыщении геля эти осушители должны регулярно меняться. Именно в регионах с высокой или сильно колеблющейся влажностью воздуха это приводит к сокращению интервалов технического обслуживания. Эта работа по техническому обслуживанию ограничивает доступность соответствующего устройства или транспортного средства и, помимо этого, повышает затраты на эксплуатацию. Внешняя регенерация осушителя или, соответственно, применение нового осушителя также повышает затраты при применении этих осушителей.
Обычные, имеющиеся в продаже устройства охлаждения распределительных шкафов, имеющие циркуляционный контур охлаждающего средства, которые иногда, при расширении посредством комплектующих частей, пригодны для осушения воздуха, как правило, эксплуатируются с двигателем переменного тока. Тогда они имеют недостаток относительно трудоемкой конструкции при сравнительно большой занимаемой площади.
Кроме того, на рынке предлагаются осушительные устройства на основе эффекта Пельтье для применений в распределительных шкафах и т.п. с возможностью монтажа в стене для температуры окружающей среды прибл. до 30°C. При этом горячая сторона осушительного устройства размещена в стене таким образом, что горячая сторона охлаждается воздухом вне распределительного шкафа, а на холодной стороне, например, выполненной в виде конденсационной панели, во внутреннем пространстве распределительного шкафа конденсируется влага. Стационарные установки и инсталляции в наружной области, напр., для телекоммуникационной техники, также оснащаются этой спланированной и подготовленной возможностью монтажа в стене, чтобы использовать потенциал более низких наружных температур, что является предпочтительным для функционирования устройства и низкого энергопотребления.
Чем сильнее переохлаждение холодной стороны (приблизительно от 0°C до температуры точки росы > 0°C), тем больше интенсивность конденсации, а также минимально достижимая относительная влажность воздуха при определенной температуре воздуха. Интенсивностью конденсации называется количество конденсируемой влаги в единицу времени.
Для повышения интенсивности охлаждения обычно несколько элементов Пельтье располагаются параллельно.
В некоторых случаях применения, как, например, при применении на транспортных средствах, выяснилось, что нежелательно предусматривать в наружных стенках распределительных шкафов или других резервуаров выемку, в которую может вводиться осушительное устройство для охлаждения его горячей стороны окружающим воздухом. Тогда эти резервуары располагают значительно пониженной стабильностью по сравнению с резервуарами, имеющими закрытую поверхность. Для достижения желаемой или требуемой механической стабильности резервуар должен, например, усиливаться путем введения дополнительных распорок. Это, в свою очередь, утяжеляет вес резервуара и вместе с тем оснащенного им транспортного средства.
В основе изобретения лежит задача, указать решение для осушения воздуха внутри резервуара.
Задача решается с помощью осушительного устройства для осушения воздуха в резервуаре, имеющего по меньшей мере один элемент Пельтье, причем этот элемент Пельтье выполнен в виде одноступенчатого элемента Пельтье, причем этот элемент Пельтье термически соединен с холодной стороной и с горячей стороной, при этом холодная сторона выполнена таким образом, что при эксплуатации осушительного устройства на холодной стороне конденсируется влага воздуха, при этом элемент Пельтье зажат между горячей стороной и холодной стороной посредством винтовой пружины и зажимного штифта.
Задача решается также с помощью резервуара, имеющего такое осушительное устройство, причем это осушительное устройство полностью расположено внутри резервуара.
Также задача решается с помощью транспортного средства, в частности рельсового транспортного средства, имеющего такой резервуар.
Далее, задача решается с помощью способа осушения воздуха во внутреннем пространстве резервуара посредством такого осушительного устройства, при этом осуществляется управление или регулирование интенсивности конденсации осушительного устройства в зависимости от температуры холодной стороны.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основе изобретения лежит тот обнаруженный факт, что осушительное устройство может полностью располагаться внутри резервуара, когда достижимая разность температуры между горячей стороной и холодной стороной соответственно велика. Это, в частности, имеет большое значение тогда, когда внутреннее пространство резервуара при эксплуатации нагревается. Чтобы разность температур между горячей стороной и холодной стороной могла принимать соответственно большие значения, горячая сторона и холодная сторона должны термически хорошо изолироваться друг от друга. Для этого элемент Пельтье зажимается между горячей стороной и холодной стороной посредством винтовой пружины и зажимного штифта. Этот зажимной штифт образует высокое термическое переходное сопротивление, так что горячая сторона и холодная сторона термически хорошо изолированы друг от друга.
Это расположение внутри резервуара требует тогда функционирования конденсации даже при температурах, которые лежат выше температуры окружающей среды, так как горячая сторона осушительного устройства отделена резервуаром, точнее, стенкой резервуара, от окружающего воздуха, и поэтому не находится в контакте с окружающим воздухом. Следует исходить из того, что внутри резервуар нагревается находящимися в нем устройствами и компонентами. Таким образом, требуется эффективное функционирование конденсации в диапазоне температуры прибл. от 8°C прибл. до 50°C. Причем эти пределы температуры не являются четкими, определяемыми техническими условиями краевыми условиями, а оказалось, что, скорее, достижимая за этими пределами температуры интенсивность конденсации является только лишь маргинальной и, таким образом, экономически спорной. Поэтому верхний предел температуры около 50°C должен достигаться при приемлемой к использованию интенсивности конденсации, так как наблюдались характерные температуры внутреннего пространства резервуаров, имеющих электрические и электронные детали конструкции, примерно около 45°C. В частности, в контейнере для выпрямителя тока это значение устанавливается вследствие зависящих от нагрузки потерь выпрямителя тока и температуры окружающей среды. Для применения внутри резервуара оказалось предпочтительным, путем хорошего термического разобщения горячей стороны и холодной стороны, то есть путем устранения паразитарной обратной теплопередачи к холодной стороне, выполнить осушительное устройство настолько производительным, чтобы как можно более высокая доля разности температур, создаваемой за счет эффекта Пельтье, эффективно на холодной стороне в виде переохлаждения по отношению к внутренней температуре корпуса имелась в распоряжении для цели конденсации влаги.
Контейнеры для выпрямителей тока, вследствие их инсталлированных компонентов, в особой мере зависимы от достаточно обезвоженного воздуха во внутреннем пространстве. Помимо этого, безукоризненное функционирование выпрямителя тока обязательно требуется для привода приводимого им в действие транспортного средства, в частности железнодорожного транспортного средства. Для обеспечения работоспособности транспортного средства необходима надежная эксплуатация выпрямителя тока. Помимо этого, транспортные средства, в частности рельсовые транспортные средства, часто должны выполнять специальные требования касательно противопожарной защиты. При этом должна иметься гарантия в отношении прогорания охватывающих поверхностей резервуара. Для выполнения этого требования оказалось целесообразным расположить осушительное устройство внутри резервуара и обойтись без охлаждения окружающим воздухом, который находится вне резервуара. Вследствие расположения внутри резервуара без отверстий в наружных поверхностях резервуара повышается устойчивость в отношении прогорания. Это облегчает процесс допуска с точки зрения выполнения технических требований противопожарной защиты. Часть можно обойтись без связанного с большими затратами индивидуального подтверждения.
Применение осушительного устройства в транспортном средстве тоже оказалось выгодным, так как вследствие зажима посредством зажимных штифтов осушительное устройство обладает лишь небольшой чувствительностью к колебательной нагрузке или ударам, которые часто нагружают компоненты внутри в транспортных средствах и рельсовых транспортных средствах.
Предлагаемые в настоящее время на рынке устройства в названном диапазоне температур воздуха примерно 40°C-50°C имеют лишь недостаточную интенсивность конденсации или полностью теряют способность к конденсации при возрастании температуры на холодной стороне. Оказалось, что возрастание температуры может уменьшаться с помощью термической изоляции между холодной стороной и горячей стороной. При этом на эксплуатацию осушительного устройства расходуется меньше электрической мощности, так что возникают также меньшие электрические потери. Вследствие меньших электрических потерь дополнительно уменьшается нагрев холодной стороны, и могут достигаться более высокие разности температур между горячей стороной и холодной стороной.
Предлагаемые на рынке устройства рассчитаны на номинальную рабочую точку, например, при температуре воздуха 30°C при относительной влажности воздуха 80%. У таких устройств было констатировано, что требуемое для конденсации на холодной стороне падение температуры ниже точки росы при продолжающей возрастать внутренней температуре корпуса уже не достигается. Основным объяснением для этого является слишком малая разность температур на самом элементе Пельтье.
Требуемое повышение создаваемой элементом Пельтье разности температур при одинаковой термической полезной нагрузке, в этом случае отводимое тепло конденсации влаги воздуха, может создаваться только путем повышения электрического тока через элемент Пельтье. Связанное с этим значительное увеличение тепловой энергии, отводимой в воздух внутреннего пространства, осуществляется только в недостаточной степени, так что возрастает весь уровень температуры активных деталей конструкции осушительного устройства на основе эффекта Пельтье. Сюда включено возрастание температуры на холодной стороне осушительного устройства на основе эффекта Пельтье и вместе с тем также уменьшение интенсивности конденсации или даже потеря способности к конденсации вследствие превышения температуры точки росы.
Эффект повышения температуры на холодной стороне еще усиливается, помимо этого, вследствие возрастания температуры во внутреннем пространстве резервуара. Удовлетворительные интенсивности конденсации у существующих до сих пор устройств почти невыполнимы или, соответственно, невыполнимы, так как для этого температура конденсационной панели (холодная сторона) должна лежать значительно ниже температуры точки росы.
Благодаря некоторым мерам, например, для улучшения отвода тепла на горячей стороне и для устранения паразитарной обратной теплопередачи от горячей стороны к холодной стороне на осушительном устройстве, получается то преимущество, что осушительное устройство для осушения воздуха рассчитано на температуру в диапазоне до 50°C и может длительно эксплуатироваться при этой температуре. Благодаря улучшенному термическому разобщению получается то преимущество, что осушительное устройство для осушения воздуха рассчитано и может эксплуатироваться при относительной влажности в диапазоне от 10% до 30% и/или при температуре в диапазоне от 40°C до 50°C. Для этого между горячей стороной и холодной стороной устанавливается разность температур по меньшей мере 40К. При встраивании осушительного устройства в резервуар горячая сторона осушительного устройства не может охлаждаться температурой окружающего воздуха, а только внутренней температурой. Вследствие расположенных в резервуаре электрических и/или электронных устройств и конструктивных элементов, таких как, например, полупроводниковые конструктивные элементы, внутреннее пространство резервуара нагревается, так что осушительное устройство эксплуатируется при температуре примерно 40°C-50°C. Вследствие возросшей температуры при одинаковой абсолютной влажности в воздухе относительная влажность воздуха уменьшается до значений, например, 20%-30% относительной влажности. Именно эти условия окружающей среды представляют собой высокие требования для осушительного устройства. В то время как предлагаемые на рынке осушители уже не обладают здесь удовлетворительными интенсивностями конденсации, в отличие от этого, предлагаемое осушительное устройство в особой мере, даже в названных условиях, пригодно к реализации удовлетворительных интенсивностей конденсации.
Выяснилось, что интенсивность конденсации может дополнительно повышаться тогда, когда горячая сторона и холодная сторона осушительного устройства термически еще лучше отделяются друг от друга, т.е. термически изолируются друг от друга во избежание паразитарно действующей обратной теплопередачи к холодной стороне. Для этого элемент Пельтье посредством одной или нескольких винтовых пружин и одного или нескольких зажимных штифтов зажимается между горячей стороной и холодной стороной. Таким путем возникают длинные передающие силы пути механического соединения между горячей стороной и холодной стороной для конструктивной связности осушительного устройства на основе эффекта Пельтье, но с возможностью, при соответствующем выборе материала и исполнении поперечного сечения повышать термическое сопротивление передающих силы деталей конструкции. Тем самым минимизируется паразитарно действующая обратная теплопередача к холодной стороне, вследствие чего температура на холодной стороне остается низкой, и поэтому интенсивность конденсации повышается. Одновременно уменьшение теплообмена позволяет дополнительно повысить разность температур за счет повышения тока через элемент Пельтье, при умеренном возрастании электрических потерь. Пока эффект более высокой разности температур преобладает над повышенными электрическими потерями, интенсивность конденсации может продолжать увеличиваться. Это позволяет эксплуатировать осушительное устройство, которое расположено внутри резервуара, даже тогда, когда температура внутри резервуара при эксплуатации компонентов резервуара возрастает.
С помощью винтовой пружины и зажимного штифта создается, кроме того, определенное прижатие элемента Пельтье к горячей стороне и холодной стороне. Благодаря этому получается оптимальная термическая связь элемента Пельтье как с горячей стороной, так и с холодной стороной осушительного устройства. Помимо этого, не нужно или по меньшей мере нужно только мало заполняющего зазор теплопередающего средства. Это упрощает изготовление осушительного устройства.
Помимо этого, эта конструкция посредством зажатия с помощью винтовой пружины и зажимного штифта позволяет получить прочное механическое крепление холодной стороны (конденсационная панель), в частности, с точки зрения ожидаемых колебательных нагрузок при применении в транспортном средстве или рельсовом транспортном средстве.
Помимо этого, предлагаемая изобретением конструкция позволяет получить термическое разобщение холодной конденсационной панели (холодная сторона) со сравнительно горячей или по меньшей мере теплой горячей стороной посредством длинных путей теплопередачи. Здесь, в частности, оказались выгодными длинные штифтовые соединения.
Другое преимущество предлагаемого изобретением исполнения заключается в упрощенном монтаже, без требования точного соблюдения очень низких моментов затяжки (напр., 0,5 Нм), связанного с большой неуверенностью в воспроизведении, которые требуются при применении обычных винтов размера М3 или М4.
Помимо этого, зажатие с применением винтовых пружин по сравнению с винтовым соединением холодной стороны и горячей стороны с помощью, напр., стержневых винтов, нечувствительно к колебаниям температуры и поэтому предпочтительно. Самим винтовым пружинам, по сравнению с часто рекомендуемыми тарельчатыми пружинами, из-за низкого коэффициента жесткости пружины для создания зажимной силы нужны существенно большие ходы пружины в несколько миллиметров. Это означает, что осуществляющиеся при больших колебаниях температуры изменения длины передающих зажимную силу деталей конструкции в несколько 1/10 мм остаются незначительными с точки зрения изменения зажимной силы системы. При эксплуатации в резервуаре разных электрических устройств, таких как, например, выпрямители тока, в резервуаре возникают колебания температуры. Это приводит к большой термической нагрузке зажимной системы. Благодаря винтовой пружине сила прижатия горячей стороны и холодной стороны к элементу Пельтье почти зависимы от температуры, так что срок службы этой системы может значительно увеличиваться.
Помимо этого, оказалось выгодным расположить винтовую пружину на горячей стороне осушительного устройства. Это расположение винтовых пружин на горячей стороне, в частности при применении радиатора охлаждения, у которого винтовые пружины предпочтительным образом располагаются между ребрами охлаждения, имеет то преимущество, что оно предоставляет экономящее пространство размещение по сравнению с расположением на стороне конденсационной панели.
Благодаря предлагаемому изобретением осушительному устройству получается имеющаяся в достаточной мере конденсация при 50°C в монтажном пространстве, а также высокая механическая виброустойчивость и прочность. Помимо этого, достижима компактная конструктивная форма осушительного устройства. Далее, при избегании термомеханически обусловленной нагрузки элементов Пельтье гарантируется высокая надежность предлагаемого изобретением осушительного устройства.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения горячая сторона на обращенной к элементу Пельтье стороне имеет сальниковое уплотнение, причем это сальниковое уплотнение выполнено в виде углубления на горячей стороне, имеющей введенную в нее резиновую втулку, причем эта резиновая втулка охватывает зажимной штифт по внутреннему диаметру. Оказалось предпочтительным защитить пространство между холодной стороной (конденсационная панель) и горячей стороной от доступа содержащего водяной пар воздуха. Для этого применяется резиновая втулка, которая размещена в углублении на горячей стороне. Она охватывает по внутреннему диаметру зажимной штифт. Углубление на горячей стороне, в частности на предпочтительным образом установленном там радиаторе охлаждения, по своей глубине и форме выполнена с такими параметрами, что сила винтовой пружины несколько сжимает резиновую втулку, и таким путем осуществляется уплотнение по периметру зажимного штифта и по периметру сверления в горячей стороне. Помимо этого, благодаря резиновой втулке достигается дополнительное термическое разобщение между горячей стороной и холодной стороной. Благодаря уплотнению от содержащего водяной пар воздуха надежно избегаются деструктивно действующие явления коррозии на элементах Пельтье, которые приводят к значительному сокращению срока службы.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения зажимной штифт имеет сужение поперечного сечения. Зажимные штифты, вследствие желаемого и требуемого силового замыкания, неизбежно образуют теплопередающую дорожку между холодной конденсационной панелью (холодная сторона) и сравнительно теплой горячей стороной. Возникающий при этом тепловой поток должен оставаться как можно более низким, так как речь идет о паразитарных потерях. Сужение поперечного сечения способствует повышению термического сопротивления в теплопередающей дорожке. Это позволяет получить высокую интенсивность конденсации.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения горячая сторона включает в себя теплообменник, в частности радиатор охлаждения, при этом между теплообменником и элементом Пельтье расположена деталь конструкции для создания теплового перепада. С помощью теплообменника уменьшается термическое сопротивление между горячей стороной и температурой окружения (температура внутреннего воздуха резервуара). Для минимизации термического сопротивления оказалось особенно выгодным, путем применения детали конструкции для создания теплового перепада наиболее эффективным возможным образом использовать лишь ограниченно имеющуюся, в связи с желательными компактными размерами, поверхность теплообмена теплообменника или, соответственно, радиатора охлаждения. Деталь конструкции для создания теплового перепада делает возможным распределение тепла горячей стороны равномерно и по большой поверхности на теплообменнике. При этом, в частности даже при небольшой разности между температурой окружения и температурой радиатора охлаждения, тепло может надежно отводиться в окружающую среду, так что конденсация может осуществляться даже при высоких температурах, которые, например, могут возникать внутри резервуара. Помимо этого, можно полностью обойтись без применения теплопередающих средств, так как деталь конструкции для создания теплового перепада уже гарантирует оптимальную термическую привязку к находящимся с ней в контакте поверхностям.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения осушительное устройство имеет по меньшей мере один вентилятор и средство для направления воздуха, причем этот вентилятор и средство для направления воздуха расположены так, чтоб создавать воздушный поток, причем этот воздушный поток распространяется через холодную сторону и горячую сторону осушительного устройства. При этом оказалось предпочтительным, только некоторую часть воздуха, который направляется через горячую сторону, сначала также направлять через холодную сторону. Другая часть воздуха направляется только через горячую сторону. Для этого на осушительном устройстве располагаются соответствующие средства для направления воздуха, такие как, например, воздухонаправляющие щитки. Для отвода запитываемой энергии электрического привода плюс количества тепла, возникающего при конденсации водяного пара, на желательно наиболее низком возможном уровне температуры горячей стороны предусмотрен вентилятор. С помощью этого вентилятора, который создает поток охлаждающего воздуха через горячую сторону, достигается низкое термическое сопротивление между горячей стороной и окружением (воздух внутреннего пространства резервуара). Оно особенно выгоден для получения высокой разности температур между горячей стороной и холодной стороной. Отвод тепла в этих условиях - высокая температура окружения при соответственно пониженной влажности воздуха - при одновременном требовании пониженной избыточной температуры на теплообменнике (радиатор охлаждения) может простым образом достигаться путем увеличения воздушного потока. Избыточная температура требуется, чтобы теплообменник мог отдавать энергию в виде тепла. Помимо этого, оказалось выгодным направлять воздушный поток таким образом, чтобы воздух перед проведением мимо горячей стороны направлялся по холодной стороне. Таким образом, вентилятор осуществляет как движение воздуха по холодной стороне, так и по горячей стороне. При этом можно обойтись без применения другого вентилятора. Так может гарантироваться достаточный подвод содержащего водяной пар воздуха внутреннего пространства на конденсационной панели. Благодаря воздушному потоку, который распространяется по холодной стороне и горячей стороне, нужен только один вентилятор, который осуществляет движение воздуха. Можно обойтись без отдельных вентиляторов для холодной стороны и горячей стороны соответственно. При этом получается экономия затрат и увеличение надежности вследствие отсутствия одного вентилятора. Благодаря применению только одного вентилятора может надежно гарантироваться как снабжение свежим воздухом конденсационной панели (холодная сторона), так и охлаждение горячей стороны.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения вентилятор имеет осевое направление выдувания, причем это осевое направление выдувания расположено перпендикулярно поверхности холодной стороны. Осевое выдувание позволяет уменьшить эффективно действующую конструктивную высоту устройства, так как не должны учитываться требуемые поперечные сечения для воздуха с целью определенного оттока воздуха. Они обладают высокой релевантностью для достижимого и технически требуемого охлаждающего действия осушительного устройства. Осевое выдувание позволяет также монтировать воздушный канал у выдувного отверстия указывающим внутрь резервуара образом, так чтобы могли относительно просто устраняться гидравлические короткие замыкания между свежим воздухом (предназначенным для осушения) и отходящим воздухом (осушенным воздухом), возникающие вследствие конструктивно имеющейся пространственной суженности.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения осушительное устройство включает в себя регулировочное устройство, которое рассчитано таким образом, чтобы регулировать поток через элемент Пельтье посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Во избежание образования льда при низких температурах оказалось предпочтительным, если регулируются температура холодной стороны и вместе с тем электрический ток через элемент Пельтье. В отличие от двухпозиционного регулятора, при необх. оснащенного функцией Гистерезиса, при широтно-импульсной модуляции преимущество заключается в том, чтобы уменьшались колебания температуры на холодной стороне. Частые термические циклы, вызванные высоким электрическим током через элемент Пельтье, при соответствующей усталостной нагрузке элементов Пельтье, которые возникают, например, при вышеназванном двухпозиционном регулировании, приводят к вероятности преждевременного выхода из строя осушительного устройства. С помощью широтно-импульсной модуляции, в отличие от этого, ток через элемент Пельтье может регулироваться точно так, чтобы на холодной стороне не возникали или возникали только небольшие колебания температуры. Вследствие низкой термической нагрузки на детали конструкции они приводят к значительно увеличенному сроку службы осушительного устройства.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения уплотнение между холодной стороной и уплотнительной рамкой выполнено посредством уплотнительного стыка из упругого или пластичного материала. Должно предотвращаться проникновение конденсированной влаги внутрь осушительного устройства. Недостаточное уплотнение элементов Пельтье относительно окружающей среды приводит на этих элементах к коррозии на холодной стороне (внутри на активных кристаллах элементов Пельтье) и, вследствие этого, к выходу из строя. Хорошо доступный во время процесса изготовления стык, благодаря положению и простой геометрии, создает хорошую предпосылку для изготовления высококачественного уплотнения. Уплотнение осуществляется с помощью уплотнительного стыка из упругого или пластичного материала. По сравнению с круглым кольцом, он имеет то преимущество, что для уплотнения не требуется прижимная сила, которая прижимает уплотнительную деталь конструкции. Оказалось выгодным для получения низкой теплопроводности выполнить уплотнительные стыки с небольшим теплопередающим поперечным сечением.
При этом в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения выполнена уплотнительная рамка из термореактивного материала. Оказалось выгодным применить материал, который имеет низкую теплопроводность, низкую проницаемость для водяного пара и сравнительно высокий модуль упругости.
При этом в другом предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере на некоторых частях уплотнительной рамки расположен затвор для водяного пара, обладающий теплоизолирующим свойством. При высоких значениях относительной влажности на деталях конструкции или участках деталей конструкции, имеющих температуры вблизи или, соответственно, ниже точки росы, образуется конденсат. Этот конденсат образуется на этих деталях конструкции нежелательным образом, так как целенаправленный отвод конденсата в этих местах конструктивно не предусмотрен. Конденсат стекает каплями неконтролируемым образом, что принципиально нежелательно. По этой причине доступ содержащего водяной пар воздуха к поверхностям этих деталей конструкции должен пресекаться.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения осушительное устройство имеет уже описанный выше вентилятор, при этом осушительное устройство расположено в резервуаре таким образом, что создаваемый вентилятором воздушный поток по меньшей мере на отдельных участках образуется вдоль наружной стенки резервуара. Оказалось особенно предпочтительным расположить осушительное устройство вблизи наружной стенки резервуара. Это предпочтительно, в частности, тогда, когда резервуар представляет собой подпольный или крышный контейнер, и температура стенки лежит ниже температуры внутреннего пространства. Всасываемый воздух имеет тогда сравнительно более низкую температуру, что является более благоприятными рабочими условиями для осушителя. Может ожидаться высокая интенсивность конденсации и вместе с тем осушительное действие. Особенно предпочтительно, помимо этого, когда выдувание вентилятора направлено в осевом направлении к внутренней области резервуара, а всасывание осуществляется в противоположном направлении от наружной стенки резервуара.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения резервуар выполнен для помещения электрических и/или электронных деталей конструкции. Электрические и электронные детали конструкции, а также частично и механические детали конструкции, при высокой влажности воздуха вследствие сопутствующей конденсации ей подвергаются коррозии. Она может приводить к неправильному действию или выходу из строя соответствующих компонентов. Помимо этого, это иногда значительно снижает срок службы этих компонентов.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения резервуар представляет собой контейнер для выпрямителя тока, и в этом контейнере для выпрямителя тока расположен выпрямитель тока. Выход из строя выпрямителя тока, если речь идет о транспортном средстве, может привести к выходу из строя всего привода. Возникают затраты на ликвидацию последствий аварии и ремонт. Помимо этого, например, в случае рельсового транспортного средства могут возникать претензии пользователя транспортного средства на возмещение ущерба. Помимо этого, полупроводники, которые находятся в выпрямителе тока, очень чувствительны к влаге. Выход из строя чаще всего бывает обусловлен не коррозией, так что сначала он также визуально не заметен. Поэтому для выпрямителя тока особое значение имеет высокая надежность.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения осуществляется управление или регулирование интенсивности конденсации осушительного устройства таким образом, что температура холодной стороны принимает значение в диапазоне от -5°C до 10°C. Управление или регулирование может осуществляться, например, путем варьирования электрического тока через элемент Пельтье. Чем ниже температура, тем эффективнее осушение. Вследствие высокой производительности осушительного устройства даже при высоких температурах окружающей среды могут устанавливаться низкие температуры на холодной стороне. Поэтому диапазон температуры, который может принимать холодная сторона, очень велик. Этот большой диапазон может предпочтительно использоваться таким образом, что осуществляется управление или регулирование температуры холодной стороны, при котором конденсация может выполняться с особенно высоким выходом. Это происходит в диапазоне температуры от -5°C до 10°C. Кратковременно сопутствующее этому обледенение при температурах ниже точки замерзания может быть при этом приемлемо. Для этого предусматриваются периоды времени эксплуатации с более высокими температурами, в которые лед тает и отводится в виде воды.
При необходимости избежать образования льда, оказалось предпочтительным регулировать температуру холодной стороны на значение в диапазоне от 0°C до 5°C. При этом образование льда предотвращается, так как температура не опускается ниже точки замерзания. Так как нет необходимости предусматривать периоды времени для таяния, оказалось выгодным устанавливать максимальную температуру диапазона регулирования/управления на 5°C.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения управление или регулирование интенсивности конденсации осушительного устройства осуществляется таким образом, что температура холодной стороны принимает значение по меньшей мере на 40 К ниже температуры горячей стороны. При эксплуатации осушительного устройства внутри резервуара вследствие действующих температур и значений относительной влажности воздуха оказалось выгодным эксплуатировать холодную сторону и горячую сторону при разности температур по меньшей мере 40°C. Вследствие термического разобщения это значение в осушительном устройстве реализуемо. Управление или регулирование этого значения может осуществляться посредством электрического тока через элемент Пельтье. Чтобы надежно выполнять осушение в резервуаре, который подвержен нагреву внутреннего пространства, осушительное устройство должно иметь возможность создавать разность температур между температурой внутреннего пространства и температурой точки росы. Для этого оказалось особенно выгодным рассчитывать устройство, в частности в отношении термического разобщения, так, чтобы могла устанавливаться разность температур между горячей стороной и холодной стороной по меньшей мере 40°C для надежного обеспечения высокой интенсивности конденсации.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения осушительное устройство имеет первое рабочее состояние и второе рабочее расстояние, при этом в первом рабочем состоянии влага из воздуха замерзает на холодной стороне в виде льда, а во втором рабочем состоянии находящийся на холодной стороне лед превращается в воду, при этом рабочее состояние устанавливается путем управления или регулирования тока через элемент Пельтье.
Можно констатировать, что по мере переохлаждения холодной стороны интенсивность конденсации возрастает. Если поставленной целью является высокая интенсивность конденсации, только небольшого понижения температуры ниже точки росы недостаточно. Расположение в резервуаре приводит к необходимости отбирать у конденсационной панели (холодная сторона) как можно больше энергии, что требует «холодопроизводительности» Пельтье. Эта требуемая «холодопроизводительность» Пельтье нуждается в «приводном потоке» вблизи оптимальной рабочей точки осушителя Пельтье.
При понижающейся нагрузке осушителя влажностью, а также при падающей температуре окружающей среды без уменьшения тока в электрической цепи Пельтье температура опускалась бы тогда ниже линии 0°C на холодной стороне (напр., при 30°C/40% отн. влажности). Образуется лед, и при этом не смог бы больше отводиться конденсат. Во избежание длительного замерзания на холодной стороне должно либо
a) устанавливаться номинальное значение температуры 0°C +X;
b) эффективнее: быть возможным осуществление раскачивание номинального значения температуры на несколько градусов ниже и выше 0°C с периодически возникающими фазами оттаивания. Раскачивание осуществляется в отрезки времени, напр., 15-20 мин., с амплитудой, напр., прибл. 5 К.
Для надежной установки рабочих состояний оказалось выгодным измерять температуру на холодной стороне и с помощью электрического тока через элемент Пельтье влиять на нее таким образом, чтобы в первом рабочем состоянии устанавливалась температура ниже точки замерзания воды, т.е. при нормальных условиях ниже 0°C, а во втором рабочем состоянии - выше точки замерзания воды, т.е. при нормальных условиях выше 0°C. При различных значениях давления воздуха, например, вследствие высоты эксплуатации над уровнем моря, названные значения могут изменяться.
Далее изобретение описывается и поясняется подробнее с помощью изображенных на фигурах примеров осуществления. Показано:
фиг.1: вид в перспективе осушительного устройства;
фиг.2: другой вид в перспективе осушительного устройства;
фиг.3-5: соответственно сечение осушительного устройства;
фиг.6: сальниковое уплотнение и
фиг.7: резервуар, имеющий расположенное в нем осушительное устройство.
На фиг.1 показан вид в перспективе осушительного устройства 1. При этом на переднем плане можно видеть вентилятор 3. Теплообменник 13 горячей стороны 12 выполнен в этом примере осуществления в виде радиатора охлаждения. Сбоку, на этом изображении видимый только с одной стороны, расположен направляющий щиток 8. В частности, для управления, регулирования, а также для энергоснабжения осушительного устройства 1 предусмотрен штекер 32, посредством которого осушительному устройству 1 могут передаваться соответствующие сигналы и энергия. Вентилятор 3 создает воздушный поток, который образуется вдоль холодной стороны 11 и горячей стороны 12 осушительного устройства. Подробнее это описывается с помощью фиг.2.
На фиг.2 показано осушительное устройство 1 на изображении в перспективе из другого направления. Во избежание повторов ссылаемся на описание к фиг.1, а также на приведенные там ссылочные обозначения. Направляющие щитки 8 осушительного устройства 1 расположены таким образом, что вентилятор 3 при создании воздушного потока 5 приводит в движение воздух таким образом, что понижающейся часть воздуха движется как по холодной стороне 11, так и по теплообменнику 13. Другая доля воздуха, в отличие от этого, движется только мимо теплообменника 13. Выяснилось, что особенно хорошая интенсивность конденсации устанавливается, когда только понижающейся часть воздушного потока 5 направляется мимо холодной стороны 11.
На фиг.3 показано сечение осушительного устройства 1, при этом холодная сторона 11 не изображена. Элементы 4 Пельтье находятся в термическом контакте на детали 26 конструкции для создания теплового перепада (см. в этой связи также фиг.5). Деталь конструкции для создания теплового перепада находится в контакте с горячей стороной 12. Элементы 4 Пельтье образуют вместе изображенную на фиг.5 систему 31 Пельтье. Для увеличения производительности осушительного устройства 1 в этой конструкции термически параллельно расположены несколько элементов 4 Пельтье. Для уплотнения осушительного устройства 1 относительно окружающего воздуха и не изображенной здесь холодной стороны 11, которая особенно уязвима для проникновения влаги, предусмотрена уплотнительная рамка 27. Эта уплотнительная рамка 27, предпочтительно изготовленная из неметаллического материала, предотвращает проникновение влаги к элементам 4 Пельтье, которые в присутствии влаги склонны к коррозии. Эта коррозия может приводить к выходу из строя осушительного устройства 1 в краткие сроки. При этом коррозия вызывает значительное сокращение срока службы осушительного устройства 1.
На фиг.4 показано сечение осушительного устройства с фиг.3. Между выполненным в виде радиатора охлаждения теплообменником 13 и элементами 4 Пельтье расположена деталь 26 конструкции для создания теплового перепада. Эта деталь конструкции распределяет тепловую энергию элемента 4 Пельтье по поверхности радиатора 13 охлаждения, так что имеется наименьшая возможная разность температур между радиатором 13 охлаждения и элементом 4 Пельтье. При этом достигается низкое термическое переходное сопротивление между радиатором 13 охлаждения и элементом 4 Пельтье, которое позволяет эксплуатировать элемент 4 Пельтье при относительно низкой температуре. При пренебрежении падением температуры на панели 26 для создания теплового перепада получается разность температуры на элементе Пельтье из температуры горячей стороны 12 и температуры, нужной для конденсации на холодной стороне 12. Чем ниже температура на горячей стороне 12, тем ниже, таким образом, создаваемая элементом Пельтье разность температур. При этом возможно эффективное осушение воздуха даже при относительно низкой разности температур на элементе Пельтье, благодаря чему минимизируется использование электрической энергии. Помимо этого, на фиг.4 показана уплотнительная рамка 27 осушительного устройства 1, которая надежно предотвращает проникновение влаги внутрь осушительного устройства 1.
На фиг.5 показано сечение, аналогичное фиг.4, однако в том месте, в котором элемент 4 Пельтье зажат между горячей стороной 12 и холодной стороной 11 посредством винтовой пружины 21 и зажимного штифта 22. Помимо этого, в противоположность фиг.4, на этой фигуре изображена также холодная сторона 11. Она присоединяется через уплотнительный стык 28 к уплотнительной рамке 27. Во избежание повтором ссылаемся на описание к предыдущим фигурам, а также на приведенные там ссылочные обозначения. Элементы 4 Пельтье расположены внутри системы 31 Пельтье и зафиксированы друг относительно друга. При этой конструкции холодная сторона 11 и горячая сторона 12 так хорошо термически изолированы друг от друга, что реализуема высокая разность температур между холодной стороной 11 и горячей стороной 12 с помощью элементов 4 Пельтье. С помощью сенсора 30 для регистрации температуры холодной стороны 11 может регулироваться температура холодной стороны 11, так что получается высокий выход интенсивности конденсации, и удается избежать замерзания конденсата при понижающейся температуре окружающей среды и/или нагрузке влажностью.
На фиг.6 показана конструкция одного из предпочтительных сальниковых уплотнений 23. В радиаторе 13 охлаждения предусмотрено углубление 24. В это углубление 24 вводится резиновая втулка 25, которая предотвращает проникновение влаги в направлении холодной стороны 11 или, соответственно, системы 31 Пельтье и расположенных в ней элементов 4 Пельтье. Для этого глубина и форма углубления 24 выполнена таким образом, что резиновая втулка 25 при фиксации винтовыми пружинами 21 и зажимными штифтами 22 сжимается. Неизбежный теплопереход между горячей стороной 12 и холодной стороной 11 через винтовую пружину 21 и зажимной штифт 22 может дополнительно уменьшаться за счет того, что зажимной штифт 22 имеет сужение. Причем это сужение представляет собой уменьшение поперечного сечения по длине. При этом поперечное сечение выбирается только именно такого размера, который требуется для передачи необходимой прижимной силы между горячей стороной 12 и холодной стороной 11.
На фиг.7 показан резервуар 2, в котором расположено осушительное устройство 1. Этот резервуар 2 может, например, быть частью транспортного средства или рельсового транспортного средства, в которой расположены компоненты электрического привода. К этим частям электрического привода относится, например, выпрямитель 7 тока. Для обеспечения надежной эксплуатации транспортного средства и для реализации долгого срока службы он должен эксплуатироваться в сухой окружающей среде. Для этого внутри резервуара 2 располагается осушительное устройство 1. Также в резервуаре 2 могут располагаться другие электрические или электронные компоненты 33, в частности компоненты, которые чувствительны к высокой влажности воздуха. Эти компоненты, включая выпрямитель 7 тока, нагревают воздух 10 внутреннего пространства резервуара 2 таким образом, что на осушительном устройстве 1 должна создаваться высокая разность температур между холодной стороной 11 и горячей стороной 12, чтобы можно было отбирать влагу у воздуха 10. Оказалось предпочтительным расположить осушительное устройство 1 вблизи наружной стенки резервуара 2 таким образом, чтобы всасываемый вентилятором 3 и направляемый мимо холодной стороны 11 воздух 10 по возможности, по меньшей мере на отдельных участках, направлялся по этой наружной стенке. Так как окружающая среда вне резервуара 2 часто имеет значительно более низкую температуру, чем воздух 10 внутри резервуара 2, при прохождении воздуха 10 мимо наружной стенки становится возможным понижение температуры воздуха 10. Оно приводит к тому, что осушительное устройство 1 может эксплуатироваться эффективнее и с меньшими потерями.
Резюмируя, изобретение касается осушительного устройства для осушения воздуха в резервуаре, имеющего по меньшей мере один элемент Пельтье. Чтобы осушительное устройство могло полностью располагаться внутри резервуара, предлагается выполнить элемент Пельтье в виде одноступенчатого элемента Пельтье и термически соединить этот элемент Пельтье с холодной стороной и с горячей стороной, при этом холодная сторона выполнена таким образом, что при эксплуатации осушительного устройства на холодной стороне конденсируется влага воздуха. Для гарантирования производительности после встраивания в резервуар элемент Пельтье зажимается между горячей стороной и холодной стороной посредством винтовой пружины и зажимного штифта. Изобретение касается также резервуара, имеющего такое осушительное устройство, причем это осушительное устройство полностью расположено внутри резервуара. Далее, изобретение касается транспортного средства, в частности рельсового транспортного средства, имеющего такой резервуар. Помимо этого, изобретение касается способа осушения воздуха во внутреннем пространстве резервуара посредством такого осушительного устройства, при этом осуществляется управление или регулирование интенсивности конденсации осушительного устройства в зависимости от температуры холодной стороны.