СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ И ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КОЖУХЕ
SYSTEM FOR TEMPERATURE CONTROL AND FOR CREATING AN AIR FLOW IN AN ELECTRIC CASING

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к системе для управления температурой и для создания воздушного потока в электрическом кожухе. Изобретение также относится к электрическому кожуху, включающему упомянутую систему.
Уровень техники
В настоящее время затруднительно найти одно единственное решение для управления температурой внутри электрического шкафа. Фактически, ситуация может оказаться различной в зависимости от типа электрических или электронных устройств, которые размещаются в электрическом шкафу, в зависимости от окружающей среды, в которой помещен электрический шкаф, поскольку он может быть размещен в выделенном помещении, на открытом воздухе, в горячей среде, в холодной среде или в среде с изменяющейся температурой.
Например, если электрический шкаф используется на открытом воздухе, может быть полезным управлять температурой внутри шкафа, независимо от того, требуется ли охлаждать устройства в случае высокой температуры окружающей среды или же нагревать внутренность электрического шкафа, чтобы удалить влагу.
Чтобы адаптировать шкаф к условиям окружающей его среды, хорошо известно, что в него вводится система вентиляции, включающая в себя один или более вентиляторов, система охлаждения, включающая в себя кондиционер воздуха, и/или система обогрева, которая может использовать нагревательный элемент или кондиционер воздуха в реверсивном режиме.
Тем не менее, за исключением того факта, что необходимо знать условия, в которых будет размещен электрический шкаф, некоторые из этих систем зачастую подвержены отказам. В электрических шкафах отказы зачастую возникают в одной из вышеуказанных систем. В качестве примера, длительное прерывание системы вентиляции может приводить к рискам перегрева внутри электрического шкафа и, в силу этого, к риску повреждения электрических или электронных устройств, которые установлены в электрическом шкафу.
Задача изобретения заключается в том, чтобы предложить решение, позволяющее обходиться без вышеуказанных классических систем вентиляции, охлаждения и/или обогрева, чтобы ограничивать риски отказов и в силу этого предотвращать возможное повреждение электрических или электронных устройств, заключенных в электрическом шкафу.
Сущность изобретения
Вышеуказанная задача решается системой для управления температурой и для создания воздушного потока в электрическом кожухе, включающей в себя:
– воздуховод, содержащий по меньшей мере первое отверстие, второе отверстие и расположенный между упомянутым первым отверстием и упомянутым вторым отверстием канал с тем, чтобы обеспечивать возможность упомянутому воздушному потоку проходить между двумя отверстиями,
– решетку из множества независимых термоэлектрических модулей,
причем упомянутая решетка содержит по меньшей мере одно выровненное подмножество множества термоэлектрических модулей, которое расположено в направлении, называемом основным направлением, причем каждый термоэлектрический модуль решетки имеет две противоположных стороны и адресуется индивидуализированным образом, чтобы создавать эффект Пельтье между двумя своими сторонами,
причем упомянутая решетка модулей позиционирована так, чтобы ориентировать свое выровненное подмножество множества термоэлектрических модулей вдоль упомянутого канала, а каждый модуль решетки имеет одну сторону внутри воздуховода и одну сторону снаружи упомянутого воздуховода,
– блок управления, выполненный с возможностью управлять каждым термоэлектрическим модулем решетки индивидуализированным образом.
Согласно одному конкретному признаку, все термоэлектрические модули являются идентичными.
Согласно одному конкретному варианту реализации, решетка модулей включает в себя множество термоэлектрических модулей, организованных во множество рядов и в по меньшей мере один столбец, причем каждый ряд термоэлектрических модулей задан рангом i, где i составляет от 1 до n, и n больше или равно 2, а каждый столбец термоэлектрических модулей задан рангом j, где j составляет от 1 до m, и m больше или равно 1.
Согласно другому конкретному признаку, блок управления выполнен с возможностью адресации каждого модуля решетки по его координатам i, j в решетке.
Согласно другому конкретному признаку, термоэлектрические модули расположены в решетке таким образом, чтобы образовывать квазинепрерывную поверхность.
Согласно другому конкретному признаку, упомянутая поверхность является плоской.
Согласно другому конкретному варианту реализации, воздуховод образован трубкой, имеющей по меньшей мере одну стенку, ограничивающую упомянутый канал, и упомянутая стенка трубки образует опору упомянутой решетки.
Согласно одному конкретному признаку, блок управления включает в себя модуль для определения тех термоэлектрических модулей, которыми следует управлять по температуре в зависимости от направления и важности воздушного потока, создаваемого в воздуховоде.
Согласно другому конкретному признаку, блок управления включает в себя модуль для определения температуры каждого термоэлектрического модуля с учетом ориентации воздушного потока и интенсивности создаваемого воздушного потока.
Согласно другому конкретному признаку, воздуховод включает в себя по меньшей мере одну стенку, образованную стенкой электрического кожуха.
Согласно другому конкретному признаку, система включает в себя клапан, которому может быть отдана команда частично или полностью блокировать каждое отверстие.
Изобретение также относится к электрическому кожуху, включающему в себя множество стенок, ограничивающих внутренний объем, предназначенный для приема электрических или электронных устройств, причем упомянутый кожух включает в себя охарактеризованную выше систему для управления температурой и для создания воздушного потока.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества станут очевидными из нижеприведенного подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 является схематическим представлением принципа конструкции системы согласно изобретению, предназначенной для применения в электрическом шкафу;
Фиг. 2A и 2B являются видами сбоку термоэлектрического модуля, который может использоваться в системе согласно изобретению;
Фиг. 3A–3F показывают первый вариант реализации системы согласно изобретению и принцип ее работы;
Фиг. 4A и 4B показывают другой вариант реализации системы согласно изобретению соответственно в перспективе и в поперечном сечении;
Фиг. 5A и 5B показывают два других варианта реализации системы по изобретению.
Подробное описание по меньшей мере одного варианта реализации
Ссылаясь на фиг. 1, в качестве варианта применения взят электрический кожух 1 в виде электрического шкафа, имеющего форму параллелепипеда, содержащего верхнюю стенку 10, нижнюю стенку 11 и четыре боковых стенки 12, расположенных попарно напротив друг друга. Конечно, система согласно изобретению может быть адаптирована ко всем типам, всем формам и всем размерам электрического кожуха.
Электрический шкаф 1 предназначен для того, чтобы заключать в себе электрические и/или электронные устройства 6, закрепленные на направляющих 7, например, и может включать в себя впуск воздуха (не показан), через который воздух вводится вовнутрь электрического шкафа 1, и выпуск воздуха (не показан) для откачивания горячего воздуха за пределы электрического шкафа 1. Тем не менее, изобретение будет идеально подходить для электрического шкафа, который называется воздухонепроницаемым (герметичным), другими словами, без впуска воздуха и без выпуска воздуха.
Система согласно изобретению может позволять:
– создавать по меньшей мере один воздушный поток в электрическом шкафу 1 в заданном направлении;
– локализованным образом охлаждать или нагревать определенные зоны внутри электрического шкафа 1.
За счет создания воздушного потока воздух может поэтому циркулировать в электрическом шкафу, в частности, обеспечивая возможность:
– гомогенизации температуры в шкафу;
– входа воздуха в шкаф и/или его отвода наружу;
– исключения «горячей точки» (места локального перегрева) или «холодной точки» (места локального недогрева) посредством направления воздушного потока надлежащим образом на «горячую точку» или «холодную точку».
Система согласно изобретению включает в себя решетку (матрицу) 20, содержащую множество термоэлектрических модулей (модулей на эффекте Пельтье). Решетка 20 может включать в себя опору 200, на которой собраны и организованы термоэлектрические модули M.
Термоэлектрические модули M могут быть идентичными.
Внутри решетки термоэлектрические модули M могут быть позиционированы смежным и прилегающим образом, образуя квазинепрерывную поверхность. Поверхность может быть плоской или изогнутой в зависимости от формы и компоновки модулей. Поверхности двух смежных модулей решетки будут в идеале отделены друг от друга теплоизоляционным элементом, чтобы предотвращать теплопередачу от одного модуля к другому.
Ссылаясь на фиг. 2A и 2B, каждый термоэлектрический модуль M имеет классическую внутреннюю конструкцию 30, содержащую полупроводниковые кристаллы, изготовленные из материалов на основе теллурида висмута типа N и типа P. С каждой стороны эту конструкцию покрывают две керамические пластины 31 и 32, имеющие высокую теплопроводность. Последовательность кристаллов электрически соединена последовательно, но расположена термически параллельно, чтобы оптимизировать теплопередачу между горячими и холодными керамическими поверхностями модуля. В модулях, показанных на прилагаемых фигурах, светло–серый цвет представляет так называемую холодную пластину, а темно–серый цвет представляет так называемую горячую пластину. Подача тока в модуль M обеспечивает возможность поглощения или выделения тепла. При приложении напряжения постоянного тока посредством генератора 33 носители положительного и отрицательного заряда поглощают тепло из поверхности подложки и переносят его и высвобождают его на подложку на противоположной стороне. Следовательно, та поверхность, на которой поглощается энергия, становится холодной, а противоположная ей поверхность, на которой энергия высвобождается, становится горячей. Также можно модифицировать направление потока тепла внутри модуля просто изменением направления тока на противоположное. Этот последний принцип показан на фиг. 2A и 2B, на которых можно видеть, что изменение направления тока на противоположное обеспечивает изменение на противоположное направления потока тепла между двумя пластинами 31, 32.
Две керамические пластины 31, 32 могут иметь прямоугольный формат, идентичный и наложенный на соответствующие противоположные стороны внутренней конструкции 30 модуля, ограничивая внешний контур модуля. Может быть предусмотрена любая другая форма.
Система включает в себя блок управления UC, предназначенный для того, чтобы управлять каждым термоэлектрическим модулем M независимым и индивидуализированным образом.
Каждым термоэлектрическим модулем M можно управлять непосредственно посредством блока UC управления с использованием соединения "точка с точкой" (показано каждой стрелкой на фиг. 1), подводя к нему соответствующий электрический ток и прикладывая соответствующее электрическое напряжение. Электрические соединения обеспечивают возможность подсоединения каждого модуля M к блоку управления UC. Конечно, следует понимать, что может предполагаться любое другое решение по связи и управлению (шина, беспроводное соединение и т.д.).
Блок управления UC может включать в себя модуль для управления температурой каждого модуля в зависимости от подводимой электрической мощности.
Внутри и снаружи электрического шкафа 1 могут быть размещены температурные датчики T, каждый из которых соединен с блоком управления UC для того, чтобы подавать ему данные измерений температуры. Данные измерений температуры могут обрабатываться блоком управления UC с тем, чтобы управлять каждым модулем решетки надлежащим образом.
Электрический ток электропитания каждого термоэлектрического модуля M характеризуется его направлением и его силой. Это направление фактически позволяет осуществлять ориентацию направления потока тепла между двумя пластинами 31, 32 модуля M, а значит, и задание холодной стороны и горячей стороны модуля. Сила тока обеспечивает управление уровнем температуры каждой стороны модуля, причем эти температуры обозначаются как TA и TB для сторон A и B модуля M соответственно.
Система согласно изобретению включает в себя воздуховод 40, 400, образующий канал 41, 401, через который может циркулировать создаваемый системой воздушный поток F10, F20, F30, F100. Воздуховод включает в себя по меньшей мере два отверстия 42, 43; 402, 403, между которым упомянутый канал образован и ограничен по меньшей мере одной боковой стенкой 44, 404, содержащей внутреннюю сторону, расположенную внутри воздуховода 40, 400, и наружную сторону, расположенную снаружи воздуховода. Эти два отверстия, например, расположены на двух противоположных концах решетки. В равной степени можно предусмотреть другие отверстия, в частности, боковые отверстия, проходящие сквозь упомянутую боковую стенку. Эти боковые отверстия 46, 48 могут быть получены на двух концах поперечного выровненного подмножества модулей решетки, как можно видеть на фиг. 3B, или же сквозь опору решетки и непосредственно между двумя модулями решетки, как можно видеть на фиг. 3E.
Согласно одному конкретному аспекту изобретения, опора 200 решетки 20 может быть позиционирована таким образом, чтобы по меньшей мере частично образовывать упомянутую боковую стенку воздуховода, причем по меньшей мере одно выровненное подмножество термоэлектрических модулей M решетки 20 поэтому ориентировано вдоль канала 41, 401. Поэтому одна из двух сторон решетки 20 находится на внутренней стороне стенки воздуховода, а другая сторона решетки – на наружной стороне стенки воздуховода.
Поскольку каждый термоэлектрический модуль M имеет две стороны, предназначенные иметь различные температуры, ему назначены две разные температуры: первая температура TA_i,j, соответствующая температуре его внутренней стороны, предназначенной располагаться внутри воздуховода, и вторая температура TB_i,j, соответствующая температуре его наружной стороны, предназначенной располагаться снаружи воздуховода.
Не накладывая ограничений на изобретение, упомянутый воздуховод может быть выполнен внутри электрического шкафа 1. Он может быть выполнен в виде единого (цельного) узла, установленного непосредственно в пространстве электрического шкафа 1 (как показано на фиг. 3A–3D), или может использовать одну или более существующих стенок электрического шкафа, чтобы завершить стенку, несущую решетку термоэлектрических модулей. Решетка может в равной степени заменять стенку 10, 11, 12 электрического шкафа, ориентируясь одной из своих сторон наружу электрического шкафа, а другой – внутрь электрического шкафа. Тогда воздуховод формируется комплементарной частью, расположенной в электрическом шкафу 1. Поэтому фиг. 5A и 5B показывают два возможных варианта реализации системы согласно изобретению. На фиг. 5A воздуховод использует стенку 12 электрического шкафа для образования части своей боковой стенки. На фиг. 5B решетка 20 и ее опора 200 заменяют боковую стенку 12 электрического шкафа, имея одну сторону модулей внутри электрического шкафа и другую сторону модулей снаружи электрического шкафа. Комплементарная стенка 50 размещена внутри электрического шкафа, завершая боковую стенку воздуховода.
Согласно одному конкретному признаку, каждое отверстие можно регулировать клапаном 47, 407, которым можно управлять посредством блока управления, открывая его или закрывая его. Положением каждого клапана также можно управлять посредством блока управления UC таким образом, чтобы регулировать скорость созданного воздушного потока.
Если точнее, в силу этого можно различать два разных варианта реализации системы согласно изобретению.
В первом варианте реализации, показанном на фиг. 3A–3F, решетка 20 термоэлектрических модулей принимает форму стенки, которая является плоской на двух своих сторонах, каждая из которых образована квазисопряженным выстраиванием (упорядочением) множества термоэлектрических модулей. Эта стенка модулей выполнена образующей одну из стенок воздуховода, тем самым обеспечивая формирование внутренней стороны стенки воздуховода и наружной стороны стенки воздуховода. По меньшей мере один воздушный поток F10 создается вдоль выровненного подмножества модулей по принципу естественной конвекции, от модуля с самой холодной внутренней стороной к модулю с самой горячей внутренней стороной. Этот принцип проиллюстрирован на фиг. 3A и 3B. Второй воздушный поток F20 также может создаваться между вторым выровненным подмножеством модулей решетки, между двумя боковыми отверстиями 46 воздуховода. Тогда два отверстия 42, 43 могут быть закрыты клапанами 47. Этот принцип проиллюстрирован на фиг. 3C и 3D. Аналогично, фиг. 3E и 3F показывают создание воздушного потока F30 между одним из отверстий 42 и отверстием 48, выполненным прямо сквозь опору 200 решетки модулей. Последнее решение должно быть полезным для того, чтобы справиться с «горячей точкой» в шкафу. Тогда все другие отверстия могут блокироваться управляемым надлежащим образом клапаном. Могут быть предусмотрены другие отверстия этого типа сквозь опору 200 решетки и даже через всю боковую стенку устройства для улучшенной адаптации направления воздушного потока в электрическом шкафу.
Не накладывая ограничений на изобретение, если решетка 20 является прямоугольной и включает в себя множество выровненных подмножеств термоэлектрических модулей в рядах и в столбцах, каждый термоэлектрический модуль может быть идентифицирован по координатам i,j, где i соответствует номеру ряда, причем i составляет от 1 до n (n больше или равно 2), и где j соответствует номеру столбца, причем j составляет от 1 до m (m больше или равно 1). Поэтому на фиг. 3B и 3D модули обозначены как M_i,j. Конечно, ряды и столбцы могут меняться местами в зависимости от ориентации решетки.
Следует отметить, что модуль решетки, который не нужен для создания требуемого воздушного потока, может быть отсоединен для того, чтобы избежать отклонения создаваемого воздушного потока. На фигурах отсоединенные модули M представлены, например, в белом цвете.
Во втором варианте реализации, показанном на фиг. 4A и 4B, воздуховод 400 выполнен в виде трубки, имеющей цилиндрическую форму, предпочтительно круглого сечения, и задающей канал 401, открытый на двух своих концах 402, 403. Трубка включает в себя по меньшей мере одну стенку 404, которая образована решеткой термоэлектрических модулей. В этом варианте реализации несущая модули стенка 404 не обязательно является плоской, а значит, соответствует сечению трубки. Аналогично первому варианту реализации, как можно видеть в сечении B–B трубки на фиг. 4B, одна сторона каждого модуля ориентирована к внутренности трубки, а другая сторона каждого модуля ориентирована наружу трубки. Ссылаясь на фиг. 2A и 2B, каждый модуль M поэтому выполнен с тремя концентрическими слоями, соответственно образованными, в порядке изнутри наружу, из первой пластины 31, конструкции 30 и второй пластины 32. Поэтому трубка может быть получена сборкой множества термоэлектрических модулей, размещенных торец к торцу от одного конца трубки до другого. Несущий элемент 405 обеспечивает соединение одного модуля с другим и служит в качестве опоры для решетки. Созданный воздушный поток F100 проходит через образованный трубкой канал 401 по принципу естественной конвекции, от модуля с самой холодной внутренней стороной к модулю с самой горячей внутренней стороной. Аналогичным образом, могут быть предусмотрены клапаны 407 для того, чтобы частично или полностью блокировать каждое отверстие трубки. Аналогично, каждый термоэлектрический модуль трубки может адресоваться индивидуализированным образом посредством блока управления UC. На фиг. 4A каждый модуль идентифицирован различным рангом вдоль упомянутой трубки и обозначен как M_k, где k составляет от 1 до n. Могут быть предусмотрены одно или более промежуточных отверстий сквозь боковую стенку 404 трубки, например, на уровне каждого несущего элемента 405, чтобы создавать другие воздушные потоки.
Тот же электрический шкаф 1 может включать множество трубок этого типа, например, размещенных параллельно или в соответствии с рядом конфигураций для того, чтобы адаптировать к внутренней архитектуре шкафа. Трубки могут быть присоединены к опорам и направляющим 7 электрических устройств 6.
При работе, индивидуализированное управление каждым термоэлектрическим модулем позволяет предполагать различные варианты применения.
Первый вариант применения касается создания воздушного потока в воздуховоде посредством создания температурного градиента на внутренней стороне воздуховода. Градиент создают путем соответствующего управления модулями решетки 20, которые присутствуют в подмножестве, выровненном по направлению создаваемого воздушного потока, посредством адаптации температуры той стороны A матрицы, которая соответствует внутренней стороне. Поток воздуха фактически создается за счет естественной конвекции в направлении от холодного к горячему.
Соответственно, рассматривая описанный выше первый вариант реализации, выровненное подмножество вдоль столбца j, содержащего n модулей, и создаваемый воздушный поток, который соответствует увеличивающемуся рангу i:
– модулем с координатами M_1,j управляют посредством блока управления UC так, чтобы довести его внутреннюю сторону до первой температуры TA_1,j;
– модулем с координатами M_2,j управляют посредством блока управления UC так, чтобы довести его внутреннюю сторону до второй температуры TA_2,j, превышающей первую температуру TA_1,j;
– модулем с координатами M_i,j управляют посредством блока управления UC так, чтобы довести его внутреннюю сторону до температуры TA_i,j, превышающей температуру TA_i–1,j;
– модулем с координатами M_n,j управляют посредством блока управления UC так, чтобы довести его внутреннюю сторону до температуры TA_n,j, превышающей температуру TA_n–1,j.
Этот принцип проиллюстрирован на фиг. 3A и 3B созданием воздушного потока F10 посредством вертикального выровненного подмножества модулей вдоль второго столбца решетки (j=2). Идентичный принцип может применяться вдоль ряда решетки, как показано на фиг. 3C и 3D, посредством использования боковых отверстий воздуховода. На фиг. 3C и 3D поток F20 создается посредством выровненного подмножества модулей вдоль третьего ряда решетки 20 (i=3). Этот принцип был бы точно таким же для создания воздушного потока F30 или даже воздушного потока F100 внутри трубки.
В таком случае, принцип работы может быть следующим:
– блок управления UC непрерывно принимает данные о температуре, поступающие от температурных датчиков T;
– в зависимости от принятых данных о температуре, блок управления UC определяет, требуется ли или нет создание одного или более воздушных потоков, и если да, то определяет направление каждого подлежащего созданию воздушного потока и его интенсивность;
– после того, как определены характеристики каждого подлежащего созданию воздушного потока, блок управления UC определяет модули M решетки 20, участвующие в создании воздушного потока, и определяет температуру, назначаемую каждому модулю для создания температурного градиента, достаточного для того, чтобы создать воздушный поток;
– блок управления UC отправляет индивидуализированную температурную команду в каждый термоэлектрический модуль, заставляя его приобрести требуемую температуру;
– за счет естественной конвекции создается воздушный поток между выбранными модулями решетки; отверстиям системы, которые пригодны для прохождения создаваемого воздушного потока, дают команду открыться, чтобы обеспечивать возможность циркуляции воздушного потока;
– в любое время блок UC управления может прерывать воздушный поток посредством отключения одного или более выбранных термоэлектрических модулей и задания новой последовательности команд для создания нового воздушного потока.
Конечно, созданный температурный градиент должен быть достаточным и соответствующим создаваемому воздушному потоку. Блок управления UC может использовать алгоритм, сконфигурированный с возможностью определять температуру, назначаемую каждому термоэлектрическому модулю, учитывая направление и важность создаваемого воздушного потока и его интенсивность.
Кроме того, следует понимать, что двум смежным модулям в выровненном подмножестве может быть подана команда дать одинаковую температуру.
Второй вариант применения связан с получением локализованного охлаждения или нагрева в электрическом шкафу. С этой целью, в зависимости от принимаемых данных о температуре, блок управления может выдать команду одному или более термоэлектрическим модулям решетки понизить температуру (в случае присутствия «горячей точки») или повысить температуру (например, чтобы удалить присутствующую влагу).
Воздуховод может включать в себя более чем два отверстия для того, чтобы иметь возможность создавать воздушные потоки различных типов. Каждое отверстие может регулироваться клапаном, которому может быть подана команда на открытие или закрытие.
Согласно одному конкретному аспекту изобретения, чтобы воздействовать на скорость воздушного потока, каждому клапану может быть выдана команда отрегулировать размер соответствующего ему отверстия. Поэтому может оказаться возможным создавать ускорение воздушного потока посредством управления размером отверстий.
Очевидно, что решение согласно изобретению имеет многочисленные преимущества, включая:
– решение, которое легко реализовывать;
– решение, которое является надежным и не очень подверженным неисправностям, в отличие от классических решений с вентиляцией;
– решение, которое требует ограниченного техобслуживания, при этом термоэлектрические модули не имеют механических частей и являются особенно простыми в замене;
– решение, обеспечивающее создание воздушных потоков во множественных направлениях, по команде, без вмешательства.