ВОЗДУШНЫЙ ФИЛЬТР
AIR FILTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к воздушным фильтрам, применяемым для вентиляции и регулирования температуры, например корпусов электрического оборудования.
Уровень техники
Для корпусов электрооборудования обычно требуется вентиляция для отвода тепла от оборудования во внешнюю среду и предотвращения перегрева. В случае удаленного использования электрооборудования, например для мобильной радиосвязи, оборудование обычно остается без присмотра в течение длительных периодов. Для поддержания температуры оборудования в пределах предпочтительного диапазона температур обычно требуется дополнительное оборудование охлаждения и вентиляции. Оборудование охлаждения потребляет энергию, которая является дорогостоящей и иногда подается в ограниченном количестве, а также требует проведения технического обслуживания для предотвращения условий возникновения дорогостоящих неисправностей.
В стандартной базовой радиостанции электрооборудование, работающее на радиочастотных (РЧ) сигналах, находится внутри вентилируемого корпуса, который, в свою очередь, находится внутри изолированного помещения для оборудования, обеспечивающего защиту от внешних условий. Часто вентиляторы в корпусе пропускают воздух через электрооборудование для его охлаждения, а температура воздуха внутри помещения для оборудования поддерживается с помощью установки кондиционирования воздуха, которая отводит создаваемое электрооборудованием тепло во внешнюю среду. Для обеспечения надежной работы оборудования установка кондиционирования воздуха должна поддерживать температуру в помещении в пределах требуемого диапазона. В результате в дополнение к энергии, необходимой для работы самого электрооборудования, потребляется дополнительное значительное количество энергии.
Часто при сбое подачи электропитания в помещение для оборудования требуется резервный источник питания в виде шкафа аккумуляторных батарей (обычно свинцово-кислотных). Для таких батарей также необходимо поддерживать необходимый температурный диапазон, который в основном более ограничен, чем диапазон для другого электрического оборудования. Таким образом, в стандартном помещении для оборудования часто работает установка кондиционирования воздуха для поддержания внутри помещения диапазона температур в соответствии с требованиями для батарей, а не для электрооборудования, которое в основном может работать и при более высоких температурах без возникновения каких-либо проблем. Это приводит к тому, что установка кондиционирования воздуха должна работать напряженнее, чем требуется для поддержания надлежащего функционирования всего оборудования в помещении.
В умеренном климате, например в Великобритании, отношение охлаждающей способности к мощности оборудования составляет примерно от 1 к 4. Таким образом, если электрооборудование потребляет мощность 4 кВт, то на систему охлаждения обычно требуется 1 кВт. В более жарком климате данное отношение может снижаться от 1 к 3 и даже от 1 к 2. Несомненно, что летом фактическое ежедневное потребление может быть намного выше, но такие нагрузки могут до некоторой степени компенсироваться зимой.
Таким образом, мощность, потребляемая установкой кондиционирования воздуха в стандартном помещении для оборудования, может составлять до 1 кВт по сравнению с рабочей мощностью, потребляемой другим электрооборудованием, составляющей до 4 кВт. Данное требование можно снизить отдельным охлаждением резервных батарей, позволяя температуре в помещении подниматься до более высокого максимального значения. Например, при поддержании температуры во всем помещении ниже 20°С для соблюдения требований для батарей расход мощности значительно выше, чем при возможности нагрева до максимальной температуры 35°С, при которой большинство электрических устройств все еще будет работать без проблем. Однако это не устраняет необходимость в воздушном кондиционировании таких помещений, так как некоторое охлаждение все же требуется для того, чтобы в определенных условиях не происходило превышения максимальной температуры.
Следующей проблемой применения установок кондиционирования воздуха в помещениях для оборудования, особенно если это удаленные помещения, является обслуживание и ремонт. При выходе из строя установки кондиционирования воздуха возникает риск сбоя электрооборудования, и для его устранения необходимо вызывать инженера (обычно отличающегося от инженера по электрооборудованию). В результате значительно увеличивается стоимость технического обслуживания таких помещений для оборудования. Можно также не знать причин возникновения сбоев, например, когда в помещении для оборудования имеется автоматическая индикация сбоев. Таким образом, вызов инженера по электрооборудованию может осуществляться тогда, когда требуется инженер по воздушному кондиционированию. Многочисленные визиты еще больше увеличивают расходы на проведение технического обслуживания.
Один стандартный альтернативный подход заключается в том, что вместо того, чтобы держать помещение для оборудования изолированным и охлаждаемым, поддерживают интенсивный воздушный поток, проходящий через помещение, большим вентилятором, устанавливаемым для нагнетания воздуха через отверстия, выполненные в помещении. Однако для поддержания требуемого диапазона температур и для минимизации разницы температур внутри и снаружи помещения требуется большой воздушный поток, для чего, в свою очередь, необходим большой и мощный вентилятор. Кроме того, пропускаемый через помещение воздух может приносить из внешней среды в помещение грязь и пыль, поэтому воздушный поток необходимо фильтровать. Добавление фильтров неизбежно приводит к необходимости проведения технического обслуживания для проверки и замены фильтров, чтобы обеспечить подачу достаточно сильного потока воздуха. Таким образом, простая замена воздушного кондиционирования на вентилятор полностью не решает проблему необходимости в отдельных ремонтно-профилактических работах, а также она не обязательно значительно снижает потребность данного помещения в электроэнергии, так как для больших вентиляторов требуется большое количество энергии. Также сильный поток воздуха может всасывать больше пыли и грязи, приводя в конечном итоге к забиванию фильтров.
Усовершенствованной альтернативой применению воздушного кондиционирования и больших вентиляторов является направление тепла, создаваемого электрооборудованием в пределах помещения, во внешнюю среду, например, с помощью вытяжных каналов, проходящих от корпусов оборудования до наружной стены помещения. Воздух, втягиваемый в корпус оборудования внутренним вентилятором, можно затем выпускать во внешнюю среду более прямым путем, снижая нагрев помещения теплом, создаваемым электрооборудованием. В результате в значительной степени снижается потребность в создании в помещении воздушного потока. Для удаления воздуха из помещения можно применять малогабаритные вентиляторы с намного более низкими требованиями к мощности, обеспечивая поступление воздуха в помещение через входные отверстия.
Однако такое решение не устраняет необходимость в ремонтно-профилактических работах, так как в отверстиях в помещении все же требуется установка воздушных фильтров, которые необходимо периодически менять.
Задачей изобретения является решение одной и нескольких вышеуказанных проблем.
Раскрытие изобретения
Указанная задача решена в воздушном фильтре, содержащем воздуховод, образующий между впускным и выпускным отверстиями воздушного фильтра канал, снабженный щетиной, которая выступает от стенки воздуховода поперек по меньшей мере части канала, для удаления захваченных частиц из проходящего через воздуховод воздуха.
Воздушный фильтр может представлять собой часть помещения для оборудования, в котором входной воздушный канал располагается так, чтобы воздух уходил вертикально вверх через входной воздушный канал, а щетина удаляла захваченные во входном канале частицы с выпадением их из входного канала под действием силы тяжести.
Предпочтительно площадь поперечного сечения впускного отверстия воздушного фильтра значительно больше площади выпускного отверстия, благодаря чему воздух втягивается через входной канал и проходит через щетину с малой скоростью, предотвращая проход захваченных частиц через щетину и обеспечивая их выход из воздушного фильтра под действием силы тяжести.
Предпочтительно входной канал окружает выходной канал.
Предпочтительно поперечное сечение воздуховода уменьшается от максимального во впускном отверстии до минимального в выпускном отверстии воздушного фильтра.
Предпочтительно площадь сечения входного канала по меньшей мере в два раза больше минимальной площади сечения выходного канала.
Предпочтительно щетина выступает вбок поперек канала.
Предпочтительно одна или несколько пластин расположены вдоль направления воздушного потока через воздуховод.
При осуществлении изобретения достигаются следующие преимущества:
1) в самом воздушном фильтре отсутствуют движущиеся части, что снижает потребность в проведении технического обслуживания;
2) воздушный фильтр имеет возможность самоочистки, что также снижает потребность в техническом обслуживании, так как не требуется менять фильтры;
3) для воздушного фильтра сильно снижается потребление электрической энергии на вентиляцию и охлаждение, что обеспечивает малую разницу температур внутри помещения для оборудования и за его пределами для заданного воздушного потока или снижение воздушного потока для той же разницы температур;
4) воздушный фильтр может быть соединен с существующими помещениями для оборудования, эффективно заменяя существующие установки кондиционирования воздуха (при условии выполнения некоторых других изменений).
Краткое описание чертежей
Далее описан пример осуществления изобретения со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг.1 показано помещение для оборудования, оснащенное воздушным охлаждением, вид в разрезе;
на фиг.2 - часть воздушного фильтра в одном из вариантов его выполнения, вид в перспективе;
на фиг.3 - сечение входного канала воздушного фильтра;
на фиг.4 - альтернативный вариант выполнения воздушного фильтра, вид в перспективе с разрезом;
на фиг.5 - вариант выполнения корпуса воздушного фильтра, вид в перспективе;
на фиг.6а - то же, вид в вертикальном разрезе;
на фиг.6b - то же, вид сбоку;
на фиг.7 - помещение для оборудования, оснащенное входной конструкцией воздушного фильтра;
на фиг.8 - то же, но в другом варианте выполнения.
Осуществление изобретения
Как схематично показано на фиг.1, помещение 110 для оборудования содержит воздушный фильтр 111. Воздушный фильтр 111 содержит корпус 112, установленный на стене помещения и имеющий выпускное отверстие 113 для воздуха, входящее во внутренний объем 115 помещения 110, и более широкое впускное отверстие 116, предназначенное для всасывания воздуха из внешней среды 117 через воздуховод, содержащий последовательно соединенные входной канал 118 и выходной канал 120, проходящие между впускным отверстием 116 и выпускным отверстием 113 воздушного фильтра 111 в направлении движения воздушного потока, указанном стрелками 119.
Предпочтительно воздушный фильтр 111 установлен таким образом, что воздушный поток 119 проходит через входной канал 118 вертикально вверх, а затем поступает к выпускному отверстию 113, проходя вертикально вниз через выходной канал 120. Предпочтительно выходной канал 120 расположен внутри входного канала 118, как более подробно описано далее, хотя возможны и другие варианты.
Во внутреннем объеме 115 помещения 110 расположен корпус 121 электрооборудования. Входное вентиляционное отверстие 122 обеспечивает поступление воздуха из внутреннего объема 115 в корпус 121. Воздушный поток показан стрелками 123. Другое вентиляционное отверстие 124 предназначено для отвода воздуха из корпуса 121 оборудования в выпускной воздуховод 125 через выпускной патрубок 126, расположенный на верхней части корпуса 121. Вытяжной вентилятор 127 принудительно выводит воздух из воздуховода 125 во внешнюю среду 117. Таким образом, вентилятор 127 создает движущую силу в виде частичного разряжения, создаваемого во внутреннем объеме 115, для втягивания воздуха из внешней среды 117 во внутренний объем 115 через воздушный фильтр 111. Если помещение 110 является достаточно герметичным, то только один вентилятор 127 может обеспечивать прохождение через помещение 110 всего воздушного потока, необходимого для охлаждения внутреннего объема 115 и оборудования, расположенного в корпусе 121. Так как воздух из корпуса 121 оборудования не может циркулировать во внутреннем объеме 115, требование охлаждения в помещения 110 снижается по сравнению с традиционными решениями, включающими воздушное кондиционирование всего внутреннего объема 115.
Внутри воздушного фильтра 111 имеется фильтрующий материал 128, расположенный поперек входного канала 118 и заполняющий по меньшей мере часть этого канала. Фильтрующий материал 128 представляет собой щетину, выступающую от стенки воздуховода и расположенную поперек по меньшей мере части входного канала 118, для удаления захваченных частиц из проходящего через воздуховод воздуха. Предпочтительные варианты выполнения щетины будут подробно описаны ниже.
Предпочтительно сечение выходного канала 120 меньше сечения входного канала 118, чтобы скорость, с которой воздух входит в воздушный фильтр, была достаточно низкой для предотвращения прохода загрязняющих и инородных частиц через выходной канал, и чтобы вместо этого они выпадали через впускное отверстие 116 или, по меньшей мере, оставались в фильтрующем материале. Предпочтительно поперечное сечение воздуховода уменьшается от максимального во впускном отверстии 116 до минимального в выпускном отверстии 113, что соответствует увеличению скорости воздуха через фильтр 111 от минимальной во впускном отверстии 116 до максимальной в выпускном отверстии 113.
На фиг.2 показан предпочтительный вариант выполнения входного канала 118 и выходного канала 120, которые вместе образуют воздуховод, проходящий между впускным отверстием 116 и выпускным отверстием 113 воздушного фильтра 111. Как показано на фиг.2, несколько выходных каналов 120 образованы несколькими расположенными параллельно трубчатыми секциями 211. Несколько выходных каналов 120 соединены между собой в направлении выпускного отверстия воздушного фильтра (не показано) посредством коллектора 210. Воздух поднимается вверх в направлении стрелок 119 через входной канал 118, проходит вокруг трубчатых секций 211 и между ними, а также через фильтрующий материал (не показан), и затем проходит вниз через несколько выходных каналов 120 и коллектор 210 к выпускному отверстию воздушного фильтра 111.
На фиг.3 схематично показано поперечное сечение входного канала 118 и выходного канала 120 воздушного фильтра 111, изображенных на фиг.2. Щетина 310 выступает от внутренней стенки корпуса 112 вокруг входного канала 118 и от наружных стенок каждой трубчатой секции 211а-211d, формирующих выходные каналы 120а-120d. Предпочтительно щетина 310 перекрывает весь входной канал 118, так что воздушный поток равномерно проходит через входной канал 118.
Термин «щетина» обозначает волокна из гибкого упругого материала, прикрепленные одним концом к основному материалу. Щетина, прикрепленная к такому основному материалу, предпочтительно образует ковер, так что она может свободно менять свое направление относительно основного материала. Ковер, предпочтительно выполненный в виде искусственного покрытия, сформированного из полимерных волокон, обычно составляет около нескольких сантиметров в длину, продевается через гибкий прорезиненный материал и прикрепляется к нему. Щетина может быть выполнена в виде единичных волосков, или может быть волокнистой, чтобы из каждой точки крепления щетины выходило несколько волосков, увеличивая тем самым способность фильтрации щетины.
Как показано на фиг.3, щетина 310 выступает в основном в радиальном направлении относительно стенок воздуховода на, по меньшей мере, части входного канала 118. Как показано на фиг.3, для пересечения входного канала 118 щетина выступает в радиальном направлении как от внутренней поверхности корпуса 112, так и от наружных поверхностей трубчатых секций 211а-211d. Возможны альтернативные варианты расположения, когда щетина выступает только от внутренней поверхности корпуса, например, при одном объединенном выходном канале, или от наружной (наружных) поверхности (поверхностей) трубчатой (трубчатых) секции (секций) в зависимости от размера воздушного фильтра 111.
Предпочтительно щетина ориентирована поперек основного направления воздушного потока, проходящего через входной канал, и предпочтительно под углом около 90° относительно направления воздушного потока. Так как воздух входит через входной канал 118 в фильтр 111 вертикально, загрязняющие и инородные частицы, идущие вместе с воздухом, оседают под действием сил тяжести, не проходя через весь входной канал 118. Скопившиеся загрязняющие частицы далее постепенно выпадают из фильтра 111 под действием силы тяжести против направления потока входящего воздуха. Таким образом, загрязняющие частицы могут полностью выходить из фильтра при нормальной его работе.
Габаритный размер воздушного фильтра 111 в значительной степени определяется ограничением скорости воздушного потока через входной канал 118, которая, в свою очередь, зависит от требований охлаждения помещения 110 для оборудованием. Для стандартного помещения для оборудования, например, применяемого на базовой радиостанции, входная скорость воздушного потока обычно не превышает 1 м/с. Это значительно меньше стандартной скорости, которая составляет 5 м/с и более для традиционного воздушного фильтра, применяемого, например, вместе с осевым вентилятором большой массы. Однако если более важны требования к размещению, то могут потребоваться более мощные воздушные потоки при условии, что фильтрация будет все еще возможна. В таких ситуациях воздушный фильтр согласно изобретению можно использовать в качестве фильтра предварительной очистки в комплексной системе, имеющей более высокие уровни последующей фильтрации, например, в системе, не имеющей направленного воздушного потока в корпусах 121 оборудования в помещении 110.
Несмотря на то, что предпочтительно воздушный фильтр 111 в нормальных условиях эффективно очищается самостоятельно, в качестве альтернативы могут применяться средства очистки фильтрующего материала во входном канале 118. Один такой вариант осуществления изобретения схематично показан на фиг.4. Воздушный фильтр 411 содержит систему отвода воды, в которой вода (например, дождевая) проходит через перфорированную наклонную крышу 420, попадая через входной канал 418 в выпускной патрубок 430. Водоотделитель 440 не дает воздуху проходить через выпускной патрубок 430.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.4, также показано альтернативное расположение фильтрующего материала во входном воздушном канале, который в данном случае имеет ковры из щетины (не показаны для ясности), прикрепленные к вертикальным панелям 450. Выходной воздушный канал 419 проходит по одной стороне корпуса 412. При нормальной работе воздух входит в фильтр 411 через крышу 420, проходя вертикально вниз через ковры щетины, прикрепленные между панелями 450 и вокруг них, а затем поднимается через выходной канал 419 и выходит через выпускное отверстие 413. Захваченные щетиной загрязняющие и инородные частицы, периодически смываются через входной канал 418 в выпускной патрубок 430.
Панели, поддерживающие ковры из щетины, как показано на фиг.4, можно альтернативно использовать вместе с вариантами выполнения воздушных фильтров, показанных на фиг.1-3, где воздух идет вертикально вверх через входной канал.
На фиг.5, 6а и 6b показан корпус воздушного фильтра согласно изобретению, соответственно, вид в перспективе, вид в вертикальном разрезе и вид сбоку. Корпус 50 фильтра выполнен в виде цельноформованного элемента, например, изготовленного вакуумным формованием полимерного материала, например, сополимера акрилонитрила бутадиена и стирола. Предпочтительно материал, из которого изготовлен корпус 50, является жаро- и огнестойким и может выдерживать экстремальные условия по температуре и окружающей среде.
Корпус 50 содержит фланец 52 для установки воздушного фильтра на наружную стену помещения для оборудования, например телекоммуникационной кабины, и имеет множество точек 54 крепления для установки во внутреннем объеме корпуса 50 панелей с расположенной на них щетиной для удерживания частиц, проходящих через фильтр.
Впускное отверстие 51 образовано угловым участком корпуса 50 фильтра, вдоль которого располагается ряд входных отверстий для поступления воздуха. Впускное отверстие расположено под углом, что увеличивает его сечение, снижая тем самым входную скорость и улучшая возможность фильтра захватывать частицы. Предпочтительный угол между плоскостью впускного отверстия 51 и задней поверхностью корпуса фильтра или направлением воздушного потока через основную часть корпуса воздушного фильтра составляет около 45°.
Для проверки внутреннего объема может быть выполнено смотровое окно 53, расположенное в верхней части корпуса. Через это окно можно видеть степень удаления частиц. Если щетинки, которые видно через смотровое окно, чистые, то фильтр все еще остается в рабочем состоянии, даже если щетина, расположенная ниже и видимая через впускное отверстие 51, не является чистой, конечно, при условии, что фильтр не засорен. С течением времени, когда сухой материал скапливается на нижних участках щетины, он имеет тенденцию выпадать, что не дает фильтру засоряться. Однако в некоторых случаях, например, в очень пыльных и грязных помещениях, время от времени требуется проводить очистку фильтра, которую можно выполнять, вынув фильтр из корпуса, в котором он установлен, и промыв части фильтра для удаления скопившегося материала.
На фиг.7 схематично показано альтернативное помещение 110 для оборудования, оснащенное воздушным фильтром 70, содержащим описанный выше корпус 50. Воздух входит в фильтр 70 через расположенное под углом впускное отверстие 51 в направлении, указанном стрелкой 75. Воздушный фильтр 70, установленный на наружной стенке корпуса, содержит несколько пластин 71, имеющих выступающую наружу щетину, причем пластины 71 установлены в корпусе 50 вертикально, т.е. в основном в направлении потока воздуха через фильтр 70. Выпускное отверстие 73 входит во внутренний объем 115 помещения 110, позволяя воздуху поступать в помещение вертикально вниз в направлении, указанном стрелкой 76.
Как и в случае с другими вариантами осуществления изобретения, сечение впускного отверстия 51 значительно больше сечения выпускного отверстия 73, что в результате приводит к снижению скорости воздуха во впускном отверстии, позволяя фильтру захватывать больше частиц из проходящего через него воздуха.
На наружной поверхности корпуса воздушного фильтра может быть установлена изоляционная панель 72, которая выполняет следующие две основные функции. Во-первых, толщина изоляционной панели 72 позволяет устанавливать разные типы фильтрующих материалов на панелях 71 фильтров. Во-вторых, изоляционная панель 72 ослабляет действие тепла внешней среды, особенно солнечного тепла, передаваемого воздухом, проходящим через фильтр. Изоляционная панель может быть выполнена из алюминиевой фольги, облицованной прочным листом из пенополистирола, как это обычно используется для изоляции зданий.
В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.7, воздух проходит через фильтр вертикально вверх и затем идет во внутренний объем 115 помещения 110 вертикально вниз. Это позволяет получить дополнительное пространство для подключения при необходимости добавления оборудования для охлаждения. Как показано на фиг.8, для дополнительного охлаждения входящего в помещение воздуха к выпускному отверстию 73 может быть подсоединен испарительный агрегат 81, расположенный между этим выпускным отверстием и полом помещения 110. Испарительный агрегат 81 соединен с установленным снаружи теплообменным блоком (не показан), который предпочтительно установлен далеко от впускного отверстия 51. Для повышения эффективности охлаждения площадь выходного отверстия 82 испарительного агрегата 81 больше площади выпускное отверстия 73 фильтра, так что воздух после прохода через фильтр и перед входом во внутренний объем 115 помещения 110 замедляется. В результате прохождения через испарительный агрегат 81 увеличивается время отвода тепла из воздуха. Чрезмерное охлаждение воздуха приводит к непроизводительным затратам энергии, поэтому предпочтительно испарительный агрегат 81 предназначен для работы только в случае превышения заданного предельного значения температуры в помещении 110.
При необходимости более высокой степени фильтрации, например для фильтрации частиц микронных размеров, которые не удаляются фильтром 70, к выпускному отверстию 73 можно также добавить дополнительные фильтрующие средства. Дополнительно в сочетании с испарительным агрегатом 82 на одной линии с выпускным отверстием может быть добавлен дополнительный воздушный фильтр.