ПОЖАРОБЕЗОПАСНЫЙ ВЕНТИЛИРУЕМЫЙ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК ДЛЯ ОБИТАЕМЫХ ГЕРМООТСЕКОВ С ИСКУССТВЕННОЙ АТМОСФЕРОЙ РАЗЛИЧНОГО ДАВЛЕНИЯ, ОБОГАЩЕННОЙ КИСЛОРОДОМ
FIRE SAFE VENTILATED RADIOELECTRONIC UNIT FOR INHABITED PRESSURISED COMPARTMENTS WITH ARTIFICIAL OXYGENATED ATMOSPHERE OF DIFFERENT PRESSURE

Изобретение относится к обеспечению пожарной безопасности изделий и объектов и может быть использовано при разработке вентилируемых радиоэлектронных блоков (далее - РЭБ) и электрошкафов различного назначения, пожаробезопасных при эксплуатации в условиях обитаемых герметичных отсеков (далее - гермоотсеки) с искусственной атмосферой, обогащенной кислородом, имеющей нормальное (земное) или отличающееся от него давление, при наличии ускорения силы тяжести Земли или другой планеты и в невесомости.
Повышенное внимание к обеспечению пожарной безопасности РЭБ и электрошкафов вызвано тем, что многочисленные пожары в обитаемых гермоотсеках с искусственной атмосферой различного давления, обогащенной кислородом, начинались, в основном (в 85% рассмотренных случаев), после пожароопасных отказов в элементах электрооборудования, задействованного в гермоотсеках (Накакуки А. / «Пожары и противопожарные мероприятия в камерах высокого давления и концентрации кислорода». / В журнале «Андзен Когаку». 1972, т.2, №5. - С.98-105; «Пожары в медицинских гипербарических бароаппаратах». Обзор с данными статьи Sheffield P.V., Desantels D.A. из журнала «Undersea and Hyperbaric Medicine». Vol.24 (3), 1997, pp.153-164. В журнале «Гипербарическая физиология и медицина», №1,1999. - С.24-32).
Обитаемые гермоотсеки с обогащенной кислородом атмосферой входят в состав различных объектов, относящихся, в соответствии с российским законодательством, к критически важным объектам. Это: космические летательные аппараты, жилые модули космических баз, разрабатываемых для размещения на Луне, Марсе и на других небесных телах, подводные лодки, глубоководные водолазные комплексы, медицинские барокамеры, декомпрессионные водолазные камеры, наземные тренажеры для отработки высотных полетов и др. По определению документа (ГОСТ Р 52551-2006. «Системы охраны и безопасности. Термины и определения», п.2.4.1) к критически важным объектам относятся объекты, нарушение или прекращение функционирования которых приводит к потере управления экономикой страны, существенному снижению безопасности жизнедеятельности населения, проживающего на этой территории. Нарушение функционирования критически важных объектов наносит ущерб национальным интересам страны в политической, экономической, социальной, военной, и других сферах.
Пожары в обитаемых гермоотсеках различного назначения с атмосферой, обогащенной кислородом, характеризуются тяжелыми последствиями, как правило, с гибелью людей, с разрушением и с прекращением функционирования объекта (см. работы Накакуки A., Sheffield P.V., Desantels D.A., приведенные выше). В связи с изложенным, обеспечение пожарной безопасности радиоэлектронной аппаратуры, предназначенной для применения в обитаемых гермоотсеках с искусственной атмосферой, является весьма актуальным.
ох
Атмосфера в гермоотсеках выше перечисленных объектов, в зависимости от их вида, может быть обогащена кислородом до концентрации (С), практически равной 100% (здесь и далее концентрация газовых компонентов в атмосфере дана в объемных процентах). Рабочее давление в гермоотсеках указанных объектов может находиться в диапазоне от 26 kPa до 0,5 МРа (абсолюных).
В таких условиях функционируют используемые в различных обитаемых гермоотсеках радиоэлектронные блоки и электрошкафы. Внутренние полости РЭБ и электрошкафов, как правило, сообщаются с рабочей атмосферой гермоотсеков, обогащенной кислородом. В то же время внутренние полости РЭБ и электрошкафов в высокой степени насыщены неметаллическими конструкционными, в основном, электроизоляционными материалами. Большинство из этих материалов являются высокогорючими в обогащенной кислородом атмосфере. При обогащении атмосферы кислородом и при повышении ее давления негорючие и трудногорючие неметаллические материалы (по классификации Федерального закона РФ №123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» от 22.07.2008 г.) становятся горючими (О способности тканей к горению при повышенных давлениях. / Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С., Потякин В.И. // В сб. «Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». Вып.4 - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1977. - С.14-18). Неметаллические материалы в этих условиях приобретают способность к загоранию от источников с малой энергией, возникающих при отказах в элементах, задействованных, в том числе, в слаботочных электроцепях. Это происходит из-за снижения минимальной энергии зажигания материалов при повышении концентрации кислорода в атмосфере и ее давления (Калинкин В.И., Мелихов А.С., Попов Б.Г. «О точности определения характеристик зажигания материалов электрическими разрядами». / В сб. «Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». Вып.4 // - М.: ВНИИПО МВД СССР. 1981. - С.29-35). Поэтому вероятность загорания аппаратуры в атмосфере, обогащенной кислородом, повышается (Калинкин В.И., Мелихов А.С. и др. / «О вероятности зажигания твердых материалов от электрических разрядов» // В сб. «Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». Вып.3 // - М.: ВНИИПО МВД СССР. 1979. - С.48-54), что приводит к отмеченному большому числу пожаров в обитаемых гермоотсеках.
lim
Наиболее надежен способ обеспечения пожарной безопасности различных изделий, который заключаются в использовании материалов, не горючих в рабочих атмосферах гермоотсеков названных выше объектов. В связи с необходимостью обеспечения пожарной безопасности обитаемых гермоотсеков объектов во многих странах были развернуты обширные программы по созданию материалов с пониженной горючестью в обогащенной кислородом атмосфере. Были достигнуты определенные успехи в этой области - созданы материалы с высокими пределами горения по концентрации кислорода (C): ткани «Аримид», «Терлон», «Фторлон», ряд искусственных кож (см. табл.1) (О влиянии состава полимерного материала на способность его к горению / Жевлаков А.Ф., Болодьян И.А., Мелихов А.С., Третьяков В.А. // Экспресс-информация: «Пожарная опасность веществ и материалов». Сер. 1, вып.85. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1976. - С.1-9) (см. табл.1). Однако эти разработки явились крайне дорогостоящими и не обеспечили многообразные потребности в конструкционных материалах с необходимыми физико-механическими свойствами.
3
Известен способ обеспечения пожарной безопасности за счет пожаротушения. Для тушения электрооборудования используют хладоны, углекислоту, шестифтористую серу и др. (Кузьменко К.П., Калинкин В.И., Блинов А.А. / «Тушение полимерных материалов газовыми огнетушащими веществами» // В сб. «Вопросы горения и тушения полимерных материалов». - М.: ВНИИПО МВД СССР. 1989. - С.74-83). Данный способ при применении в обитаемых гермоотсеках имеет много недостатков. С увеличением концентрации кислорода в атмосфере возрастает необходимый запас огнетушащего вещества, а следовательно, и масса оборудования для пожаротушения. Так, для тушения многих материалов при концентрации кислорода в среде, равной 40%, необходим 1 кг шестифтористой серы на 1 м объема гермоотсека. Применение воды и пенных средств тушения, как правило, приводит к выходу из строя электрооборудования, т.к. эти средства пожаротушения электропроводны и вызывают при применении короткие замыкания в электроцепях.
Для предотвращения выхода из строя радиоэлектронных элементов и для предотвращения возникновения загораний при наличии во внутренних полостях РЭБ и электрошкафов сильно токонагруженных электроцепей с сильно тепловыделяющими радиоэлектронными элементами применяют охлаждение элементов и внутренних полостей РЭБ различными способами.
Известны способы отвода тепла от размещенных на печатных платах сильно теплонагруженных радиоэлектронных элементов с помощью теплоотводящих пластин и радиаторов, установленных между металлическим основанием радиоэлектронного элемента и поверхностью печатной платы (авторское свидетельство СССР №1679666, Н05К 7/20, 1991). Такой способ требует выделения на поверхности печатной платы соответствующего места. При этом сокращается площадь, используемая на печатной плате для установки других радиоэлектронных элементов или увеличиваются размеры печатных плат и внутренней полости РЭБ. Тепловая энергия, с радиатора, установленного на печатной плате, рассеивается внутри самого блока, что снижает эффективность охлаждения теплонагруженных радиоэлектронных элементов, что может приводить к их перегреву, выходу их строя и возникновению в этой связи пожароопасных ситуаций во внутренней полости РЭБ, тем более в атмосфере, обогащенной кислородом. Кроме того, такой способ охлаждения элементов в РЭБ и внутренних полостей РЭБ не приемлем для условий невесомости (при ускорении силы тяжести, близком к 0), т.к. эффективность радиаторов в отсутствии естественно-конвективных потоков атмосферы снижается.
В связи с изложенными недостатками данного способа, в большинстве случаев, внутренние полости РЭБ и электрошкафов с сильно токонагруженными цепями охлаждают их вентилированием, например, окружающей атмосферой. Примером может служить поддержание необходимого и безопасного теплового режима во внутренней полости стационарных и персональных компьютеров, блоков размножения интерфейсов и многих других важных приборов для повышения надежности их работы за счет исключения перегрева радиоэлектронных элементов и предотвращения таким образом загораний в РЭБ. Как правило, в вентилируемом РЭБ используется несколько вентиляторов мощностью до 10 W - один примерно на 2 литра объема внутренней полости РЭБ. При этом во внутренней полости РЭБ создается скорость газовой среды, достигающая 1 м/с.
В этой связи при разработке настоящего технического решения в качестве прототипа взято устройство персонального компьютера (Леонтьев В.П. / «Новейшая энциклопедия персонального компьютера» // - М.: ОЛМА Медиа Групп, 2007. - 896 с. Л47. ISBN 978-5-373-00483-I).
Использование признаков устройства прототипа не приемлемо для создания пожаробезопасных вентилируемых радиоэлектронных блоков для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой различного давления, обогащенной кислородом по ряду причин, изложенных ниже.
На фиг.1 показана фотография фрагмента внутренней полости персонального (стационарного) компьютера. Из фотографии ясна структура заполнения его внутренней полости радиоэлектронными элементами, множество из которых изготовлено из неметаллических (полимерных и композиционных) электротехнических материалов. Компьютер имеет блок питания 1 со встроенным в него вентилятором. От блока питания отходят жгуты проводов 2 и кабелей 3 типа DVI, HDMI, VGA, USB, mini USB, mini HDMI и др. к различным элементам компьютера: дисководу, процессорам, вентиляторам 4, материнской плате 5 с размещенными на ней микроузлами и др. Изоляция проводов изготовлена из поливинилхлорида, полиэтилена, их производных и других полимерных материалов. Элементы вентиляторов 4 изготавливаются из поливинилхлорида и его производных. Элементы разъемных соединений 6 изготавливаются из полимерных смол: акриловой, фенолформальдегидной, из поликарбоната и др. материалов. Печатные платы изготавливаются из композиционных материалов: стеклотекстолитов, стеклопластиков с влагозащитным покрытием поверхности платы, радиоэлементов, микроузлов, как правило, горючими лаками.
В мировой практике для изготовления элементов РЭБ общепромышленного и общебытового применения используются, по возможности, неметаллические электротехнические материалы, которые являются негорючими, трудногорючими или трудновоспламеняющимися и в нормальных наземных условиях (в воздушной атмосфере с нормальной концентрацией кислорода, равной около 21%). При этом материалы, конструкция элементов и нагрузочные параметры электропроводящих элементов подбираются опытным путем (с помощью исключения технических решений, показавших со временем себя ненадежными, например создающими опасность пожара) таким образом, чтобы загорание этой аппаратуры в среде воздуха становилось бы маловероятным.
При повышении концентрации кислорода в атмосфере и ее давления материалы, которые в обычной (воздушной) атмосфере являются негорючими, могут приобретать способность к интенсивному горению. Для иллюстрации влияния концентрации кислорода в рабочей атмосфере на горючесть материалов и способность их к воспламенению от источников электрической природы приводятся следующие данные.
lim
lim
lim
ox..go
ox..go
lim
В табл.1 приведены значения предельных для горения различных материалов концентраций кислорода (C) при свободном состоянии материала и при разных давлениях атмосферы. Значение C представляет собой величину концентрации кислорода в рабочей атмосфере, ниже которого устойчивого и саморазвивающегося горения данного материала при данном давлении не происходит при оптимальной для горения материалов скорости газового потока, а выше которого горение происходит устойчиво. Наиболее надежным условием пожаробезопасности при применении материалов является: C≥C, где C - максимальная рабочая (или аварийная) концентрация кислорода в атмосфере данного обитаемого гермоотсека. Значение C, характеризующее горючесть материалов в обогащенных кислородом атмосферах, определялось по методикам, изложенным в работах («О способности тканей к горению при повышенных давлениях». / Болодьян И.А., Жевлаков А.Ф., Мелихов А.С., Потякин В.И. // В сб. «Вопросы горения и тушения полимерных материалов в обогащенных кислородом средах». Вып.4-М.: ВНИИПО МВД СССР, 1977. - С.14-18; «О влиянии состава полимерного материала на способность его к горению». / Жевлаков А.Ф., Болодьян И.А., Мелихов А.С., Третьяков В.А. // Экспресс-информация: «Пожарная опасность веществ и материалов». Сер. 1, вып.85. - М.: ВНИИПО МВД СССР, 1976. - С.1-9).
Таблица 1
Материал
Значение C<sub>lim</sub> материалов в %при давлении атмосферы, МРа (абс.)
0,05
0,1
0,2
0,3
0,4
Полиэтилен.
15,6
15,4
15,2
15,1
15
Поливинилхлорид пластифицированный.
23,0
21,0
20,8
20,3
20,1
Поликарбонат.
25,7
23,0
21,1
20,2
19,7
«Аримид»* (полиимид).
29,0
26,0
23,1
21,8
20,7
«Терлон»* (модифицированный полиимид).
29,5
25,0
23,1
22,3
20,4
Фторопласт-4 (политетрафторэтилен).
49,0
38,0
35,7
33,9
32,0
Стеклотекстолит марки FR с поверхностями в различной степени насыщенными радиоэлектронными элементами, микроузлами, медными токоведущими дорожками и монтажными площадками, пропаянными участками.
-
25,1-28,5
24
-
19,0
Стеклотекстолиты на основе фенолформальдегидной смолы, гетинакс, картон электротехнический, резины разного состава и назначения, капрон, лавсан, полистирол ударопрочный, полиамид блочный, клеи, эмали, органическое стекло и др.
-
15,0-23,0
-
-
14,0-19,0
Примечание *) - коммерческое наименование.
Из табл.1 видно следующее.
lim
ox..go
1. Большинство неметаллических электротехнических материалов общепромышленного и общебытового назначения являются горючими даже в нормальной воздушной атмосфере. Для них не выполняется общепринятое условие пожаробезопасности: C≥C.
lim
ох..go
ох.go
lim
ox..go
lim
ox..go
2. Немногие электротехнические материалы в нормальной воздушной атмосфере имеют значение C, превышающее С=21% (поливинилхлорид, поликарбонат, «Аримид», «Терлон», стеклотекстолит марки FR /специально предназначенный для изготовления печатных плат/). Для них в нормальных условиях (при С=21%) выполняется критерий пожаробезопасности C≥C, то есть они в атмосфере воздуха пожаробезо-пасны. Однако при повышенной концентрации кислорода в атмосфере обитаемого гермоотсека и ее повышенном давлении они становятся пожароопасными. Для них уже не выполняется критерий пожаробезопасности C≥C.
lim
В табл.2 иллюстрируется способность материалов к загоранию от источника электрической природы. Представлены предельно допустимые (пожаробезопасные) значения токов в цепи (I) при разных напряжениях, при которых и ниже которых надежно (за счет введения коэффициента безопасности, принятого в данной работе равным 1,5) предотвращается зажигание легковоспламеняющихся материалов (полиамида, резин, капрона, лавсана, полистирола, стеклотекстолитов разных марок, гетинакса, картона электротехнического, клеев, эмалей, органического стекла и других материалов) от электрического разряда (дуги), образовавшегося при обрыве цепи (провода, токоведущей дорожки на печатной плате и других элементов).
Таблица 2
С<sub>ох</sub>, %
Нормативные (пожаробезопасные) значения тока I<sub>lim</sub> (А) при действии разряда (дуги) в режиме «обрыв цепи» при напряжении, V
4
8
12
16
20
24
28
36
120
200
25
-
-
20,0
9,2
4,8
2,9
2,0
0,8
0,05
0,006
30
-
-
19,6
8,3
4,2
2,7
1,8
0,72
0,04
0,005
40
-
-
16,0
7,1
3,7
2,1
1,6
0,63
0,033
0,004
100
8,1
3,9
2,2
1,2
0,85
0,57
0,44
0,19
-
-
lim
Из табл.2 видно следующее. Данный аварийный режим в РЭБ является пожароопасным в условиях обитаемых гермоотсеков по следующей причине. Предельно допустимые значения токов в цепи при данном аварийном режиме сильно зависят от концентрации кислорода в атмосфере. Например, для органического стекла значение I при повышении концентрации кислорода в атмосфере с 25 до 100% в диапазоне напряжения от 12 до 36 V увеличивается в 4,2-9,1 раза. При этом, чем меньше напряжение цепи, тем больше повышается риск загорания в РЭБ в данном аварийном режиме при повышении концентрации кислорода в атмосфере.
lim
lim
На фиг.2 кривой 7 показано влияние концентрации кислорода в атмосфере на пожаробезопасное значение тока I при действии электрического разряда (дуги), образовавшегося при обрыве электрической цепи (проводника), на органическое стекло. При напряжении 36 V увеличение концентрации кислорода в атмосфере с 21 до 99% приводит к снижению значения I от 0,89 до 0,19 А.
При широко используемых значениях напряжения в цепях, равных 4,5-36 V, при Сох, близкой к 100%, электрический разряд (дуга), образовавшийся при обрыве цепи, может зажигать материалы при значениях тока в области 0,19-8,1 А, то есть при токах, характерных для штатного (без аварийных токовых перегрузок) режима работы радиоэлектронной техники.
ig
ed
ig
2
Не менее существенным является влияние на способность элементов из электротехнических материалов к загоранию от источников электрической природы скорости потока рабочей атмосферы обитаемых гермоотсеков, используемого для охлаждения элементов во внутренней полости РЭБ. На фиг.3 показана зависимость времени задержки зажигания материала (τ) бумаги плотностью, равной 80 г/м, от скорости потока атмосферы при концентрации кислорода, равной 30%, и постоянной мощности электрической дуги N, равной 12,3 Вт. Для обеспечения чистоты эксперимента опыты по определению τ материала проводились без влияния естественной конвекции, то есть в условиях, приближенных к невесомости. При этом использовалась экспериментальная установка, описанная в работе (Патент России №2116093. «Устройство по определению предела горения материалов по скорости потока для условий невесомости». Приоритет изобретения от 05.12.1995 г. Опубл. 27.07.98. Бюл. №21). Опыты по зажиганию материалов электрической дугой проводились в плоском канале при наличии регулируемой (от 0 до 1 м/с) скорости потока атмосферы. При разных скоростях потока производилось воздействие электрической дуги на образец материала, на разных расстояниях от его торца, обдуваемого потоком атмосферы, обогащенной кислородом.
ox
ig
ed
ig
Важным результатом экспериментов явилось то, что вдали от торца образца материала, обдуваемого потоком, где в невесомости отсутствуют газовые потоки, побуждаемые естественной конвекцией, очень значительно влияние скорости потока на способность материалов к зажиганию, которое иллюстрируется на фиг.3 при C=30%. Видно, что при зажигании образца материала с торца требуется энергия электрической дуги, равная E=N*τ=12,3*0,1=1,23 J (линия 8). На расстояниях от торца образца материала, равных 2,5; 5 и 10 мм, и более, минимальная энергия зажигания образца материала при изменении скорости газового потока от 6-13 до 70 см/с снижается с 10,5 до 1,23 J (линии 9, 10, 11), что эквивалентно повышению вероятности загорания материала от электрической дуги и возникновения пожара в обитаемом гермоотсеке примерно на 1,5 порядка (Иванов Б.А. Безопасность применения материалов в контакте с кислородом. - 2-е изд. - М.: «Химия». 1984. - 272 с).
Таким образом, вентилируемые радиоэлектронные блоки отличаются повышенной пожарной опасностью, в том числе в нормальной воздушной атмосфере. При эксплуатации в условиях обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой, обогащенной кислородом, имеющей повышенное давление, пожарная опасность РЭБ высока даже при штатном режиме работы радиоэлектронной техники, что делает частыми пожары в обитаемых гермоотсеках различных изделий, начинающихся с отказов электрических элементов. В этой связи необходима разработка специальных мер по обеспечению пожарной безопасности РЭБ с вентилируемой внутренней полостью.
Целью предлагаемого изобретения является разработка устройства вентилируемых радиоэлектронных блоков, которое обеспечивает пожарную безопасность их применения в условиях обитаемых гермоотсеков с атмосферой, обогащенной кислородом, имеющей нормальное или отличающееся от него давление, работающих при наличии ускорения свободного падения на Земле или на другой планете, а также в невесомости.
Поставленная цель достигается тем, что в радиоэлектронном блоке для обитаемых гермоотсеков с искусственной атмосферой различного давления, обогащенной кислородом, содержащем произвольно расположенные в корпусе радиоэлектронного блока группы печатных плат с размещенными на них микроузлами, источники электропитания, вентиляторы, создающие газовый поток во внутреннем пространстве радиоэлектронного блока для охлаждения элементов, предназначенном для работы на Земле или на другой планете, печатные платы, расположенные горизонтально, отстоят друг от друга, от горизонтально расположенных стенок корпуса радиоэлектронного блока и от горизонтально расположенных плоских стенок всех встроенных в корпус радиоэлектронного блока элементов на расстояниях, не превышающих величины, определенной из соотношения:
lim.p.h
pl
ox
en.n
en
2
3
3
где d - расстояния между горизонтально расположенными печатными платами, при которых и меньше которых между печатными платами горение элементов из любых конструкционных неметаллических материалов без вентиляционного потока не происходит, мм; g-ускорение свободного падения на планете, на которой используется радиоэлектронный блок, см/с; ρ - плотность кислорода в газовой атмосфере обитаемого гермоотсека, в котором используется радиоэлектронный блок, г/см; ρ и - ρ - плотности газовой атмосферы при нормальном давлении и при заданном давлении в обитаемом гермоотсеке, г/см, печатные платы, расположенные вертикально, отстоят друг от друга, от вертикально расположенных стенок корпуса радиоэлектронного блока и от вертикально расположенных плоских стенок всех встроенных в корпус радиоэлектронного блока элементов на расстояниях, не превышающих величины, определенной из соотношения:
lim.p.v
где d - расстояния между вертикально расположенными печатными платами, при которых и меньше которых, между печатными платами горение элементов из любых конструкционных неметаллических материалов без вентиляционного потока не происходит, мм;
при этом два противоположных торца печатных плат, примыкающих к стенкам корпуса радиоэлектронного блока, у каждой группы печатных плат отстоят от стенок корпуса радиоэлектронного блока на расстояниях, не превышающих величины, определенной из соотношения:
а в плоскостях двух свободных торцов печатных плат, не примыкающим к стенкам корпуса радиоэлектронного блока, установлены сетки без отверстий в них, образующие со стенкам корпуса радиоэлектронного блока его внутреннюю вентилируемую пожарозащищенную полость, а на выходе из нее охлаждающего вентиляционного потока устроен воздуховод, в котором размещен вытяжной вентилятор, а за ним далее по потоку газовой атмосферы размещены пожарные извещатели, подключенные к системе экстренного отключения электрического питания радиоэлектронного блока, в том числе системы принудительной вентиляции,
в радиоэлектронном блоке, предназначенном для работы только в невесомости, печатные платы и другие встроенные в корпус радиоэлектронного блока элементы расположены во внутренней полости радиоэлектронного блока произвольно - без ограничений их ориентации и расстояний между ними,
при создании вентиляционного потока посредством наддува атмосферы извне во внутреннюю полость радиоэлектронного блока пожарный извещатель размещен в воздуховоде, через который охлаждающая атмосфера выходит из блока.
Данное устройство пожаробезопасного вентилируемого радиоэлектронного блока для обитаемых гермоотсеков поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 показана фотография внутренней полости стационарного компьютера, характеризующая вид его горючей загрузки. На фиг.2 показано влияние концентрации кислорода в атмосфере на пожаробезопасное значение зажигающего тока при действии электрического разряда (дуги), образовавшейся при обрыве электрической цепи (проводника), на горючий материал (органическое стекло). На фиг.3 показана зависимость времени задержки зажигания бумаги от скорости потока атмосферы при действии электрического разряда (дуги) при повышенной концентрации в ней кислорода. На фиг.4 показан вертикальный разрез одного из вариантов пожаробезопасного вентилируемого РЭБ с отделенным вентилируемым блоком электропитания. На фиг.5 показан вертикальный разрез одного из вариантов исполнения блока электропитания РЭБ с наддувом охлаждающей газовой атмосферы извне во внутреннюю полость блока.
На фиг.4 показан вертикальный разрез одного из вариантов вентилируемого РЭБ, пожаробезопасность которого обеспечивается следующим его устройством. РЭБ включает в себя металлический корпус 12 с размещенными в нем горизонтальными печатными платами 13 и различными радиоэлектронными элементами 14, 15, 16, расположенными на платах и в занимаемом платами пространстве. Зазоры между поверхностями этих элементов и краями плат в отверстиях не превышают величины, определенной из соотношения (3).
Внутренняя полость РЭБ вентилируется для охлаждения с помощью всасывающего вентилятора 17 через перфорированную стенку 18 и сетки 19 без отверстий.
После вентилятора 17 далее по потоку газовой атмосферы размещены пожарные извещатели 21. Для исключения возможности горения элементов системы обнаружения загорания (извещателей 21 и др.), а также вентилятора 17, они размещены между сетками 20.
Электросоединители 22 и другие элементы 23, размещенные в пожаронезащищенных полостях имеют негорючие (например, металлические) корпусы, либо, если они горючие, для них должны созданы пожарозащищенные полости типа той, которая создана для обеспечения пожарной безопасности блока электропитания.
На фиг.4 показан вариант вентилируемого РЭБ с отделенным вентилируемым блоком электропитания 24. Охлаждение блока электропитания производится вентилятором 25, загорание обнаруживается с помощью пожарных извещателей 26. Окружающая газовая среда всасывается вентилятором 25 через перфорированную стенку 27 и подается через сетки 28, 29 без отверстий к пожарным извещателям 26.
Пожарная безопасность блока электропитания обеспечивается отдельно от РЭБ с применением представляемых технических решений следующим образом. Предотвращение возможности горения элементов системы обнаружения загораний (извещателей 26 и др.), а также вентилятора 25 обеспечивается сетками 28, 29, 30. Для исключения возможности горения горючих в свободном состоянии элементов 31 (трансформаторов и др.) используется набор вертикально расположенных пламегасящих пластин 32, занимающий все горизонтальное сечение блока электропитания, и отстоящих друг от друга на расстояниях, соответствующих соотношению (2). Снизу и сверху набора пламегасящих пластин в плоскостях их торцов расположены сетки 33 и 34, исключающие естественно-конвективное движение окислительной среды между пластинами, и, следовательно, горение элементов 31.
Подвод электрического питания 35 к радиоэлектронного блока производится через элемент отключения 36, управляемый системой экстренного отключения электрического питания РЭБ, в том числе вентиляторов 17 и 25. Система экстренного отключения электрического питания РЭБ работает следующим образом. При срабатывании двух пожарных извещателей - 21 или 26 элементом 37 формируется сигнал «Загорание», который подается на элемент 38, формирующий сигнал на отключение электрического питания РЭБ (и вентиляторов) с помощью элемента 36. Элемент 38 формирует сигнал на отключение электрического питания РЭБ также при заданной перегрузке цепи питания РЭБ по сигналу от элемента токовой защиты 39.
На фиг.5 показан вертикальный разрез одного из вариантов исполнения элемента пожаробезопасного вентилируемого РЭБ - блока электропитания 40 - с наддувом охлаждающей газовой атмосферы извне во внутреннюю полость блока. Вентилирование блока производится вентилятором 41, обнаружение загораний - с помощью пожарных извещателей 42, размещенных в воздуховоде, через который охлаждающая атмосфера выходит из блока.
Горение элементов 43 блока электропитания предотвращается использованием набора вертикально расположенных пламегасящих пластин 44. Снизу и сверху набора пламегасящих пластин в плоскостях их торцов расположены сетки 45 и 46, исключающие естественно-конвективное движение окислительной среды между пластин, и, следовательно, горение элементов 43 после принудительного или самопроизвольного отключения вентилятора 41. Горение вентилятора 41 и элементов системы обнаружения загораний (извещателей 42 и др.) предотвращается сетками 45, 47, 48, 49.
Сетки 20, 29, 49, кроме предотвращения возможности горения элементов, стабилизируют газовый поток после вентиляторов, обеспечивая необходимое направление газового потока к пожарным извещателям и, соответственно, минимальное время обнаружения возникшего загорания.
Система отключения блока электропитания устроена так, как показано на фиг.4.
Все элементы управления отключением РЭБ при отказах в нем находятся в пожарозащищенных полостях РЭБ, например, на печатных платах.
Блок электропитания может быть размещен внутри вентилируемого РЭБ с обеспечением пожарной безопасности его элементов представленными выше средствами.
lim
lim
lim
lim
Данное техническое решение основано на факте существования значений V материалов, установленном в результате проведения исследований процесса горения материалов, в том числе, на борту космической станции «Мир» в орбитальном полете (Болодьян И.А., Иванов А.В., Мелихов А.С. / Горение твердых неметаллических материалов в условиях микрогравитации. // Материалы 5-го симпозиума «Азия-Океания» по науке и технике пожара, г.Ньюкасл, Австралия, 3-6 декабря 2001. - С.195-204). Значение V является предельной для горения данного материала скоростью газового потока при данной концентрация кислорода в газовой среде. При скорости газового потока, превышающей значение V, возможно горения данного материала, при скорости газового потока, меньшей значения V, горение материала не происходит.
Согласно положениям работы (Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: «Энергия». 1977. - 344 с.) параметры процесса естественно-конвективного движения жидкой и газовой сред в каналах с ограниченными определяющими размерами определяется соотношением:
k
ekv
0
ekv
v0
cp
p
a
a
2
2
3
где ε=λ/λv - коэффициент конвекции, характеризующий степень влияния естественной конвекции на процесс теплопередачи через слой газа в канале; λ - коэффициент теплопроводности в канале при наличии естественно-конвективного движения среды, Вт/см·К; λ - коэффициент теплопроводности среды в канале, находящейся в покоящемся состоянии, Вт/см·К; Pr=ν/ - число Прандтля; ν - кинематический коэффициент вязкости среды, см/с; =λ/ρ - коэффициент температуропроводности среды, см/с; ρ - плотность среды, г/см; c - удельная теплоемкость среды при постоянном давлении, Дж/г К.
Природа движения газовой среды в пространстве объясняется выражением для числа Грасгофа, определяющего относительную эффективность подъемной силы, вызывающей естественное конвективное движение среды при наличии ускорения силы тяжести планеты:
lim
0
lim
lim
lim
0
t
lim.p.h
en
lim
0
где ΔT=T-T - перепад температур в зоне нагрева (горения), К; T - температура пламени на пределах горения материалов (при условиях, близких к V и C), К; T - максимальная температура элементов радиоэлектронного блока при штатной работе блока, К; l - характерный линейный размер области нагретой газовой среды в направлении действия ускорения силы тяжести (например, d при горении материала между горизонтально расположенными печатными платами), см; T=0,5*(T+Т) осредненная температура газовой среды в месте загорания, К.
lim
0
t
Значение T по данным работы (Мелихов А.С., Потякин В.И., Фланкин Е.В. / «Предельные условия горения полимеров при пониженных давлениях» // В журнале «Физика горения и взрыва». 1983, №4. - С.27-30) равно 1500 К. Значение Т при штатной работе РЭБ равно примерно 340 К. Видно, что число Грасгофа тем ниже, чем меньше ускорение силы тяжести; температура газовой среды, например, около аварийного радиоэлектронного элемента, характерный размер нагретой зоны газовой среды l. К снижению интенсивности естественной конвекции приводит повышение кинематической вязкости газовой среды вследствие ее нагрева.
en
en
k
en
en
lim
При вычислении критериев подобия Gr и Pr для слоя газовой среды в ограниченном пространстве, независимо от его формы, за определяющий (характерный) линейный размер должна приниматься его толщина, а за определяющую температуру - средняя температура газа. Если ε=1, то теплопередача в прослойках от горячей поверхности к холодной осуществляется только за счет теплопроводности среды. Это явление наблюдается при Gr*Pr<1000. По этому соотношению можно оценивать толщину слоя газовой среды в ограниченном пространстве, при которой влияние естественной конвекции на тепломассопередачу в системе «газовая среда - пламя» сведено к минимуму за счет уменьшения толщины слоя газовой среды и горение неметаллических материалов в ограниченном пространстве без вынужденного (вентиляционного) газового потока не происходит вследствие уменьшения скорости естественной - конвективное движения газовой среды до величины, меньшей значения V. Т.е. после отключения вентиляции горение материалов в таких ограниченных пространствах прекращается.
lim.p.h
lim.p.v
lim.z
При горении материалов в ограниченных пространствах имеет место многомерный процесс тепломассообмена. Из-за отсутствия корректных расчетных формул для такой модели тепломассообмена не представилось возможным определить расчетным методом пожаробезопасные расстояния d, d, d между элементами РЭБ и характеристики сеток, при использовании которых не происходит горение материалов в ограниченных пространствах после прекращения их принудительного вентилирования.
lim.p.h
lim.p.v
lim.z
Поэтому соотношения (1-3) для определения значений d, d, d были получены следующим полуэмпирическим методом.
lim.p.h.ea
lim.p.v.ea
lim.z.ea
На экспериментальной установке с герметичной камерой сгорания, описанной в работе (Мелихов А.С., Потякин В.И., Фланкин Е.В. / «Предельные условия горения полимеров при пониженных давлениях» // В журнале «Физика горения и взрыва». 1983, №4. - С.27-30), на моделях типовых узлов РЭБ были получены зависимости значений d, d, d от давления газовой среды и концентрации в ней кислорода при наличии ускорения силы тяжести Земли. В результате обработки полученных данных были составлены соотношения для расчета указанных значений при наличии ускорения силы тяжести Земли. Соотношения для расчета характерных линейных размеров пожарозащищенных ограниченных пространств между горизонтально и вертикально расположенных плат (или пламягасящих пластин), а также огнетушащих зазоров между торцами печатных плат и стенками корпуса РЭБ и стенками других элементов выглядят следующим образом:
lim.z.ea
en
en.n
d=3-1,03*(ρ/ρ), /мм/.
Далее, основываясь на том, что на предельных режимах горения материалов значение максимальной температуры в зоне пламени практически постоянно, независимо от вида материала, давления среды и концентрации в ней кислорода (Мелихов А.С., Потякин В.И., Фланкин Е.В. / «Предельные условия горения полимеров при пониженных давлениях» // В журнале «Физика горения и взрыва». 1983, №4. - С.27-30), определено условие, при котором в ограниченных пространствах естественная конвекция не может побуждать газового потока, способного поддерживать горение материалов.
en
en
en
en
p
en
p
en
en
p
en
lim
lim.p.h
lim.p.v
lim.z
pl
Число Прандтля (Pr=ν/a=µc/λ=µc/λ) в соотношении (4) зависит только от физических параметров µ, c, λ, которые на предельных режимах горения материалов (при T=const, равной 1500 К) постоянны. Таким образом, предельные режимы горения материалов в ограниченных пространствах при различных сочетаниях параметров этих пожарозащищенных пространств РЭБ (d, d, d) и внешних условий (g и параметров газовой среды) определяются значением числа Грасгофа (5), предельным для горения материалов.
То есть предельные для горения материалов значения числа Грасгофа (5) для разных условий (на Земле и на любой планете) равны (Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. - М.: «Наука», 1987. - 432 с.). Поэтому можно записать соотношение:
ea
lim.ea
lim.pl
2
где g - ускорение силы тяжести на Земле м/с; d - предельный для горения материалов характерный линейный размер ограниченного пространства на Земле; d - предельный для горения материалов характерный линейный размер ограниченного пространства на любой планете.
en
en
2
При постоянной максимальной температуре в зоне пламени на предельных режимах горения значения ΔT, T, ν для разных условий (на Земле и на любой планете) равны, поэтому члены ΔT, T, ν в соотношении (8) могут быть сокращены.
После преобразований равенства (8) получим следующее соотношение:
lim.p.h
lim.p.v
Подставив в соотношение (9) правые части соотношений (6) и (7), получим формулы (1) и (2) для определения расстояний между горизонтально и вертикально расположенными печатными платами и пламегасящими пластинами (d и d), при которых и меньше которых, между ними горение элементов из любых конструкционных неметаллических материалов без вентиляционного потока не происходит.
Таким образом, в вентилируемом радиоэлектронном блоке, выполненном с представленными здесь требованиями, после принудительного или самопроизвольного (в результате отказа в блоке) отключения средств вентиляции в РЭБ горение элементов из неметаллических материалов в пожарозащищенных конструкциях РЭБ прекратится. Этим обеспечивается пожарная безопасность вентилируемых радиоэлектронных блоков.
При этом для выполнения представленнх требований должны выполняться следующие условия.
Для изготовления элементов крепления печатных плат, пламегасящих пластин, сеток, и всех элементов с токонагружаемыми цепями должны использоваться только неплавящиеся неметаллические материалы.
Эксперименты показали, что горение материалов в ограниченных пространствах без вынужденного газового потока не происходит, если проходы в эти пространства закрыты металлическими сетками, исключающими естественно-конвективное движение окислительной среды в ограниченном пространстве. Опыты показали, что в данном случае должна применяться сетка с квадратными ячейками по ГОСТ 3826-82 №07 с размером ячейки в свету 0,7 мм из нержавеющей или латунной проволоки диаметром 0,22-0,32 мм. В работе (Ханжонков В.И. / Сопротивление сеток. / «Промышленная аэродинамика». М.: ЦАГИ. 1944, №3. - С.83-90) показано, что такие сетки наилучшим образом выравнивают профиль газового потока, т.к. они имеют величину коэффициента просвета, находящуюся в оптимальном для этого диапазоне: от 0,48 до 0,55.
В качестве примера в табл.3 и 4 приведены расстояния между горизонтально расположенными печатными платами и пламегасящими пластинами, при которых и меньше которых между ними горение элементов из неметаллических материалов без вентиляционного потока не происходит при разных концентрациях кислорода в среде и ускорениях силы тяжести на планете.
Таблица 3
Концентрация кислорода в среде, %
21
30
40
60
100
Значение d<sub>lim.p.h</sub>, мм
20,6
13,9
10,2
6,6
3,8
Таблица 4
Планета
Ускорения силы тяжести, см/с
Значение d<sub>lim.p.h</sub>, мм
Луна
162
25,3
Марс
376
19,1
Земля
981
13,9
Юпитер
2350
4,9
В табл.5 приведены предельно допустимые (пожаробезопасные) расстояния между горизонтально расположенными печатными платами и пламегасящими пластинами в зависимости от давления азотно-кислородной атмосферы при концентрации кислорода в ней, равной 21%.
Таблица 5
Давление атмосферы, МРа
0,1
0,2
0,3
0,4
Значение d<sub>lim.p.h</sub>, мм
20,6
14,7
12,0
10,3
Предельно допустимые расстояния между вертикально расположенными печатными платами и пламегасящими пластинами существенно меньше приведенных в табл.3-5. В зависимости от параметров азотно-кислородной атмосферы они находятся в пределах от 3 до 5 мм.
Учитывая, что при разработке радиоэлектронного оборудования для обитаемых гермоотсеков проявляется тенденция к миниатюризации и к уплотнению компоновки, РЭБ с такими предельно допустимыми (пожаробезопасными) ограниченными пространствами выполнимы.
В качестве пожарных извещателей в РЭБ могут быть использованы дымовые извещатели типа ИП 212-89, ИП 212-ЗСМ, ИП 212-41М и др. (Каталог группы компаний «Щит» технологии безопасности; г.Москва, см. в Интернете термин «Пожарный извещатель»),
При ограничении массы РЭБ в качестве пожарных извещателей могут быть применены извещатели на основе газовых сенсоров, способные обнаруживать пожароопасные ситуации на ранних стадиях их развития. Работа газовых сенсоров основана на обнаружении окиси углерода и водорода, которые выделяются при нагревании и горении неметаллических материалов (Васильев А.А. Физико-химические принципы конструирования газовых сенсоров на основе оксидов металлов и структур металл - твердый электролит-полупроводник. Автореферат дисс. д-ра техн. наук. - М.: 2004).
Для противопожарных целей наиболее пригодны полупроводниковые газовые сенсоры. Размеры чувствительного элемента газовых сенсоров из керамических слоев составляет 0,2×0,5×2,0 мм. Конструкция устойчива к нагреванию. Газовые сенсоры выпускаются под маркой SGS-21XX из серии «Сенсис-2000». В число полупроводниковых сенсоров входят НИИТ2, SGS-2140 из серии «Сенсиг-2000» и ДТЭ-1 российского производства.
Предложено техническое решение по обеспечению пожарной безопасности вентилируемых радиоэлектронных блоков, предназначенных для применения в обитаемых гермоотсеках с искусственной атмосферой, обогащенной кислородом.
Пожарная безопасность вентилируемых радиоэлектронных блоков обеспечивается специально разработанными техническими решениями, представляющими пассивную и активную противопожарную защиту этого оборудования.
Сущность данного изобретения состоит в том, что, за счет целенаправленной компоновки внутренней полости РЭБ, создают условия, при которых после принудительного или самопроизвольного (в результате срабатывания системы обнаружения пожароопасной ситуации в РЭБ) отключения вентиляции исключается возможность горения конструкционных неметаллических материалов, примененных в РЭБ.
Литература
Леонтьев В.П. / «Новейшая энциклопедия персонального компьютера» // - М.: ОЛМА Медиа Групп, 2007. - 896 с.Л47. ISBN 978-5-373-00483-1.