Обогреваемый термоконтейнер для электроаппаратуры

Полезная модель относится к области систем защиты электроаппаратуры от воздействия неблагоприятных условий окружающей среды и может найти применение при функционировании электроаппаратуры в экстремально низких температурных условиях эксплуатации.
В настоящее время большое значение приобретает проблема обеспечения допустимых рабочих условий функционирования различных видов электроаппаратуры при низких температурных диапазонах окружающей среды. Это обусловлено тем, что многие современные образцы аппаратуры зачастую не являются морозостойкими, что исключает возможность их использования в экстремальных температурных условиях (до минус 40°C).
Заявляемая полезная модель позволяет построить устройство, которое представляет собой обогреваемый термоконтейнер, обеспечивающий приемлемые условия эксплуатации малогабаритной электроаппаратуры.
Известна конструкция устройства «термобокс Т-ВОХ», предназначенного для защиты электронного оборудования от воздействия неблагоприятных условий окружающей среды, описанного в [1]. Устройство Т-ВОХ представляет собой всепогодный герметичный бокс небольших размеров (240×160×90 мм), внутри которого располагается плата термоконтроля и радиатор, который служит монтажной поверхностью для оборудования пользователя. Контроль температуры осуществляется с помощью термореле, автоматически поддерживая температуру внутри термобокса от 5 до 15°C.
Известна конструкция термобокса, описанного в [2]. Данная модель компактного термобокса (300×150×146 мм) является радиопрозрачной. Термобокс изготовлен из поликарбоната, устойчив к ультрафиолету и ударам, утеплен слоем пенополиуретана. Термобокс используется для установки на улице небольшого по размерам оборудования: 3G-модемы, датчики, радиопередатчики и т.п.
Основными недостатками устройств [1] и [2] являются слишком малогабаритные размеры, которые сильно ограничивают специфику применяемой в них электроаппаратуры для защиты от экстремальных условий.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой модели является принятое за прототип устройство для температурной стабилизации электронных блоков, описанное в [3].
Устройство относится к системам теплового контроля и автоматики и может быть использовано для поддержания рабочего режима в радиоэлектронных изделиях и приборах. Сущность устройства состоит в том, что в малогабаритном, не превышающем десятки кубических дециметров, корпусе с функциональными электронными блоками, находящемся в условиях внешней среды, помещают терморегулятор и термостат, два датчика контроля низких и высоких температур соответственно, программатор задания рабочих точек терморегулятора, термостата и включения электронных блоков, причем датчики присоединены к программатору, а управляющие выходы программатора присоединены к входам терморегулятора, термостата и включения электронных блоков по достижении в корпусе заданной температуры в начале нижнего диапазона работы полупроводниковых компонентов.
Основными недостатками устройства-прототипа являются сложный и избыточный состав радиоэлектронных компонентов для поддержания рабочей температуры используемой электроаппаратуры, а также отсутствие термоизолирующего слоя корпуса для удержания рабочей температуры внутри корпуса.
Задача, на решение которой направлена заявляемая модель, заключается в обеспечении защиты электроаппаратуры от внешних неблагоприятных воздействий окружающей среды (низкой температуры, пыли, осадков и т.п.).
Достигаемый технический результат - конструкция обогреваемого термоконтейнера, позволяющая повысить стабильность работы электроаппаратуры посредством обеспечения автоматического поддержания необходимой рабочей температуры в условиях воздействия низких температур.
Преимущества предлагаемого решения согласно полезной модели:
- возможность построения малогабаритного термоконтейнера для различных видов компактной электроаппаратуры за счет минимального состава размещаемых внутри контейнера технических средств защиты электроаппаратуры;
- минимальный состав технических средств для поддержания рабочей температуры внутри термоконтейнера (от 0 до 10°C при температуре внешней окружающей среды до минус 40°C) обеспечивают рабочие условия эксплуатации в процессе всего рабочего цикла, характерные для большинства разновидностей электроаппаратуры.
Для решения поставленной задачи и достижения указанных преимуществ патентуется модель обогреваемого термоконтейнера с автоматическим подогревом, сущность которой поясняется описанием конструктивного подхода к созданию термоконтейнера и графическими материалами, на которых представлены структурная схема (фиг. 1) и внешний вид (фиг. 2) термоконтейнера.
Заявляемая модель позволяет построить обогреваемый термоконтейнер, обеспечивающий работоспособность электроаппаратуры в условиях воздействия низких температур.
Функциональная схема обогреваемого термоконтейнера приведена на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:
1 - корпус термоконтейнера;
2, 3, 4 - установленные блоки из состава электроаппаратуры;
5 - терморегулятор;
6 - пульт управления термоконтейнером;
7, 8 - обогреватели;
9 - устройство диодной развязки;
10, 11 - аккумуляторные батареи.
Внешне (фиг. 2) термоконтейнер имеет легкий малогабаритный термоизоляционный корпус 1 объемом, достаточным для размещения в нем используемой электроаппаратуры, оборудованный транспортировочными ручками и плечевыми лямками с регулировкой длины.
Верхняя откидная крышка контейнера 12 может открываться на шарнирах полностью и фиксироваться в открытом и полуоткрытом положении. Крышка имеет боковые щитки 13, которые защищают верхнюю часть контейнера от бокового ветра при полуоткрытом положении, и обеспечивают, совместно с передней частью крышки, область теплого воздуха в зоне управления аппаратурой. Кроме того, крышка контейнера в полуоткрытом положении защищает электроаппаратуру от атмосферной влаги и осадков.
Внутри контейнер имеет несущий полочный каркас для размещения и крепления электроаппаратуры и технических компонентов защиты. Полки имеют специальные прорези для облегчения циркуляции воздуха внутри контейнера.
Под нижней полкой крепятся два обогревателя 7, 8 мощностью 40 Вт каждый и напряжением питания 12-16 В. При необходимости количество обогревателей может быть иным.
На нижней полке в наиболее теплой зоне размещаются две, соединенных параллельно аккумуляторные батареи (АКБ) 10, 11 с минимальной емкостью 15 а/ч каждая для электропитания аппаратуры и обогревателей. Установка АКБ в наиболее теплой зоне предотвращает потерю емкости из-за снижения температуры внутри контейнера. Применение литий-ионных АКБ является наиболее приемлемым из-за наличия у них высокой удельной энергии по массе и объему, отсутствия необходимости обслуживания, длительного срока службы и высокой надежности в эксплуатации [4]. При необходимости количество АКБ может быть иным.
Средние полки предусмотрены для установки блоков электроаппаратуры 2, 3. При установке блоков между каждым из них и стенками контейнера должен обеспечиваться просвет для циркуляции воздуха.
Под верхней полкой крепятся устройство диодной развязки (УДР) 9, соединенное с АКБ для предотвращения их взаимного разряда и защиты блоков электроаппаратуры от повышенного напряжения питания, а также терморегулятор 5, соединенный с обогревателями 7, 8 для автоматического поддерживания необходимой рабочей температуры внутри контейнера. Терморегулятор может быть сконструирован на основе биметаллического термостата [5] с диапазоном включения и выключения 0°C и 10°C соответственно. Данные условия являются подходящими для эксплуатации большинства видов неморозостойкой электроаппаратуры. При необходимости можно использовать программируемый терморегулятор.
На верхней полке располагается пульт управления термоконтейнером (ПУТ) 6, соединенный с УДР 9, терморегулятором 5 и установленными блоками электроаппаратуры 2, 3, 4 (в случае отсутствия в них встроенных АКБ) для подачи питания отдельно блоки и обогреватели (в холодное время года) с отображением соответствующей светодиодной индикации.
Верхняя полка может быть использована для размещения дополнительных составных частей электроаппаратуры 14 (например, устройства управления в виде управляющего ноутбука, планшетного компьютера и т.п.), а также иные составные части электроаппаратуры 2, 3, 4 в случае недостаточности места на средней полке. Верхняя полка, вместе с закрепленными к ней устройствами, может поворачиваться на 90° вокруг горизонтальной оси в сторону передней стенки 15 корпуса для обеспечения доступа к электроаппаратуре в целях осуществления ее контроля и обслуживания.
Кроме того, на верхней полке располагаются разъемы подзарядки АКБ 16 для осуществления удобного подключения зарядного устройства.
Мощность теплопотерь через стенки термоконтейнера составляет [6]:
где: k - коэффициент теплопроводности;
S - площадь поверхности корпуса термоконтейнера;
d - толщина термоизоляционного слоя;
ΔT - разница температур снаружи и внутри контейнера.
Таким образом, при толщине термоизоляционного материала 20 мм и коэффициенте теплопроводности 0,04 Вт/град м (пенополиуритан или пенополиэтилен), а также предельной температуре окружающей среды минус 40°C и температуре внутри контейнера 0°C, мощность теплопотерь составит 80 Вт. В этих условиях запаса энергии, полностью заряженных АКБ хватит на 8 часов непрерывной работы (с учетом электропитания составных частей электроаппаратуры) при разряде АКБ до 10% от номинальной емкости.
Также допускается эксплуатация термоконтейнера с одним ИП, емкости которого достаточно для вышеуказанных условий.
При необходимости, время непрерывной работы изделия в условиях низких температур может быть увеличено до 2 раз, а также допустимая температура окружающей среды может быть снижена путем увеличения толщины термоизоляционного слоя корпуса термоконтейнера.
Таким образом заявляемая полезная модель позволяет создать средство эффективного обеспечения рабочими условиями эксплуатации неморозостойкой электроаппаратуры.
Источники информации:
1. http://www.tfortis.ru/producty/shkafy/terrnoboks-t-b - продукция компании «Форт-Телеком».
2. http://termoskaf.ru - продукция компании «Электро Системы».
3. Патент РФ на изобретение №2341922 «Устройство для температурной стабилизации электронных блоков» / Вишневский В.М., Целикин Ю.В., Гузаков Н.Н., Лаконцев Д.В., - 2005.
4. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы / М.: Изумруд, 2003. - 224 с.
5. http://www.rizur.ru/products/termochehly_shkafy_obogrevateH_kip/termo staty/ - продукция группы компаний «РИЗУР».
6. Малявина Е.Г. Теплопотери здания: справочное пособие / Е.Г. Малявина. - М.:АВОК-ПРЕСС, 2007. - 144 с.