PL226942B1 - Układ zapewnienia stałych parametrów temperatury szaf dostepowych - Google Patents

Abstract

Układ zapewnienia stałych parametrów temperatury szaf dostępowych, w tym teleinformatycznych zawiera dwa połączone ze sobą wymienniki ciepła, co najmniej dwa wentylatory, sprężarkę, zawór rozprężny, bajpas sprężarki. Układ charakteryzuje się tym, że posiada jeden obieg cieczy, w ramach którego znajdują się dwa połączone wymienniki ciepła. Co najmniej jeden wentylator (7) oraz co najmniej jeden wymiennik ciepła (9) znajdują się w wydzielonej i izolowanej termicznie komorze (8), wymienniki ciepła (9, 13) mają taką samą wydajność, a układ wyposażony jest w zawór czterodrogowy (4) oraz zawór odcinający (1) umieszczony na bajpasie (2) sprężarki (5B).

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ zapewnienia stałych parametrów temperatury przeznaczony do stosowania w szafach dostępowych, działający zwłaszcza w warunkach zasilania awaryjnego. Układ według wynalazku jest przeznaczony w szczególności do stosowania w zewnętrznych szafach i obudowach rackowych, teleinformatycznych, energetycznych, sieciowych oraz serwerowych. Szafy dostępowe stosowane są na etapie tak zwanej, ostatniej mili przed klientem, w ramach zewnętrznej infrastruktury teleinformatycznej; przykładowo światłowodowej lub energetycznej. W tego rodzaju szafach są instalowane urządzenia elektroniczne lub elektryczne generujące podczas swojej pracy energię cieplną. Najczęściej w szafach dostępowych instalowane są wzmacniacze sygnału, filtry elektroniczne, splitery, multipleksery, urządzenia dostępowe, siłownie i akumulatory zasilające, zabezpieczenia przeciwprzepięciowe, procesory, macierze itp.

Zewnętrzne szafy dostępowe wraz z instalowanymi w nich urządzeniami elektronicznymi montowane są poza budynkami często z dala od fachowego personelu. W związku z tym pożądana jest autonomiczność działania tego rodzaju urządzeń oraz możliwość zdalnego sterowania ich pracą w tym zapewnienia zainstalowanemu w nich osprzętowi elektronicznemu optymalnych warunków temperaturowych. Szafy dostępowe narażone są na oddziaływanie czynników środowiska naturalnego. Szczególnie istotnymi czynnikami środowiskowymi wpływającymi negatywnie na działanie urządzeń elektronicznych zainstalowanych we wnętrzu szafy dostępowej są kurz, woda oraz wysoka temperatura. W związku z tymi problemami technicznymi wymagającymi rozwiązania przy tego rodzaju konstrukcjach są szczelność konstrukcji szafy oraz zapewnienie stabilnej temperatury przestrzeni sprzętowej znajdującej się wewnątrz szafy. Szczególnie istotnymi i łączącymi się sobą problemami wymagającymi rozwiązania, jest zachowanie szczelność i wzrastająca poza dopuszczalne normy temperatura. Z jednej strony, w celu zapewnienia ochrony przed kurzem, należy zapewnić szczelność wnętrza szafy dostępowej, aby chronić wrażliwy sprzęt elektroniczny - z drugiej strony uszczelnienie konstrukcji powoduje szybszy wzrost temperatury we wnętrzu szafy wskutek braku przewietrzania i emisji energii cieplnej przez elektronikę zainstalowaną w szafie dostępowej.

Zagadnienie kontroli temperatury w szafach teleinformatycznych jest szczególnie istotne dla instalacji zewnętrznych. Związane jest to nie tylko z wydajnością zainstalowanych w nich komponentów, ale też z wpływem zmiennych klimatycznych warunków zewnętrznych takich jak temperatura i wilgotność. Czynniki te są podatne na zmiany w zależności od pory roku oraz cyklu dzieńnoc. Dotychczasowe rozwiązania oparte na wykorzystywaniu rozwiązań w postaci zastosowania podwójnych ścian, zwiększania zewnętrznej powierzchni czynnej dla odprowadzenia energii cieplnej z wnętrza obudów, stosowania elektro-mechanicznych systemów przewietrzania i nawiewu generowały wiele problemów takich jak:

- niska wydajność chłodnicza w skrajnych temperaturach zewnętrznego otoczenia, przykładowo w czasie lata;

- utrata hermetyczności szafy i przedostawanie się do przestrzeni sprzętowej zewnętrznego powietrza niosącego zanieczyszczenia środowiskowe takie jak kurz, pył i woda;

- uciążliwe stosowanie filtrów, wymagających periodycznej wymiany lub czyszczenia;

- głośna praca współpracujących wentylatorów oraz limit hałasu określony w normach;

- brak kontroli nad pracą układu w sytuacji zaniku zasilania;

- niewspółmiernie duże gabaryty w stosunku do generowanych mocy;

- brak funkcji grzewczej lub niska efektywność grzewcza.

Stan techniki

Z istniejącego stanu techniki znane są rozwiązania polegające na zastosowaniu standard owych klimatyzatorów do chłodzenia wnętrza szafy dostępowej. Jednocześnie w celu podwyższenia temperatury stosowane są standardowe grzałki elektryczne. Stosowane rozwiązania są energochłonne i wymagają stałego dostępu do źródła napięcia podstawowego oraz ciągłego, osobistego nadzoru serwisowego.

Powszechnienie znane i stosowane w szafach serwerowych i teleinformatycznych są rozwiązania polegające na wykorzystaniu konwekcji swobodnej lub wymuszonej. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest obieg powietrza i wentylacja przestrzeni (komory) szafy dostępowej poprzez nawiew powietrza z zewnątrz i wyrzut nagrzanego od urządzeń elektronicznych, powietrza na zewnętrz.

PL 226 942 B1

Z opisu patentowego US6788535 znany jest podział szafy dostępowej na dwie komory z których jedna, górna, jest przeznaczona dla elektroniki generującej ciepło, a druga umieszczona od dołu, jest przeznaczona na instalację układu chłodzącego. Chłodzona komora górna jest połączona z chłodzącą komorą dolną dwoma kanałami, z których jeden jest przeznaczony do nadmuchiwania schłodzonego powietrza, a drugi służy do odprowadzania nagrzanego powietrza z komory górnej do dolnej komory w celu schłodzenia.

Z opisu patentowego US6834715 znane jest także wykorzystanie układu chłodzącego do obniżania temperatury płyty stykającej się z bateriami służącymi do zasilania urządzeń umieszczonych w górnej komorze sprzętowej. Wynalazek ten ujawnia również zastosowanie grzałek do podgrzewania powietrza z otoczenia w celu utrzymania stabilnej temperatury we wnętrzu szafy oraz wykorzystanie wymiennika ciepła do schładzania nagrzanego powietrza w szafie dostępowej. Przedmiotowej rozwiązanie opisuje także wykorzystanie wentylatora i kompresora do wymuszenia obiegu powietrza we wnętrzu szafy i jej chłodzenia.

Opis patentowy US7974094 ujawnia wykorzystanie wentylatorów i membran filtrujących oraz elementów kształtowych do zapewnienia optymalnego obiegu oczyszczonego powietrza we wnętrzu szafy telekomunikacyjnej.

Z opisu patentowego US20130087320 znane jest wykorzystanie układu wentylatorów, obrotowych kierownic do zmiany kierunku przepływu powietrza oraz termometru do zapewnienia optymalnej temperatury we wnętrzu szafy dostępowej.

Z opisu patentowego DE4330923 znane jest urządzenie chłodzące przeznaczone dla szaf rozdzielczych z urządzeniami elektronicznymi, posiadające dwa wymienniki ciepła, z których jeden pełni funkcję skraplacza a drugi parownika. Nadto, patent ten ujawnia zastosowanie w ramach układu chłodzenia sprężarki, zaworu rozprężnego oraz układu czujników wykrywających różnicę temperatur i sterującego na tej podstawie pracą całego układu.

Z opisu patentowego US20150296665 znane jest rozwiązanie polegające na zastosowaniu w ramach urządzenia do chłodzenia szaf dwóch niezależnych, zamkniętych obiegów chłodzących, odseparowanych przepływowo, przy czym na obu obiegach zainstalowane są wymienniki ciepła. W każdym z obiegów zastosowano wentylator.

Niedogodnością znanych rozwiązań jest kłopot z zachowaniem szczelności całej szafy dostępowej w sytuacji, w której powietrze pobierane z otoczenia przepływa przez przestrzeń, w której znajdują się wrażliwe na zanieczyszczenia urządzenia elektroniczne, a także mała wydajność układów chłodząco-wentylacyjnych. Problem związany z zapobieganiem przedostawania się zanieczyszczeń do wnętrza szafy jest neutralizowany w znanych rozwiązaniach poprzez stosowanie różnorakich membran i filtrów co jednak powoduje zwiększenie stopnia komplikacji, zawodności oraz podwyższa koszty produkcji i utrzymania całego urządzenia z uwagi na konieczność okresowego czyszczenia i wymiany tego rodzaju elementów. Z kolei wydajność systemów wentylacji jest w istotnej mierze zależna od temperatury otoczenia i ulega znaczącemu obniżeniu w sytuacji wysokiej temperatury otoczenia i zewnętrznego powietrza, co ma miejsce zwłaszcza w miesiącach letnich. Trzecim istotnym problemem technicznym występującym w znanych rozwiązaniach jest wysoka energochłonność znanych układów grzewczych, które wykorzystują grzałki oporowe do zwiększenia temperatury we wnętrzu szafy dostępowej. Czwartym istotnym problemem jest uzyskanie w ramach jednego urządzenia zarówno funkcji chłodzenia jak i grzania. Piątym zagadnieniem jest podtrzymanie działania urządzenia klimatyzacyjnego w sytuacji braku zasilania podstawowego.

Cel rozwiązania

Głównym celem układu, według wynalazku, jest utrzymanie stałej, zadanej temperatury we wnętrzu szafy teleinformatycznej, przy jednoczesnym zapewnieniu szczelności przestrzeni sprzętowej szafy teleinformatycznej, zarówno w warunkach normalnego zasilania jak i zasilania awaryjnego lub całkowitego braku zasilania.

Istota rozwiązania

Konstrukcja układu według wynalazku zapewnia stałe, zadane parametry temperatury w szafach dostępowych. Wynalazek eliminuje wyżej opisane niedogodności umożliwiając, uzyskanie hermetyczności szafy dostępowej, zapewniając ochronę przed pyłem i przedostawaniem się innych niepożądanych elementów otoczenia do przestrzeni sprzętowej. Nadto, efektywność energetyczna układu, według wynalazku, stanowi znaczące ulepszenie względem znanych rozwiązań.

PL 226 942 B1

Co więcej układ ma zdolność do działania także w warunkach zasilania awaryjnego prądem o niższym napięciu, a nawet może działać bez jakiegokolwiek zasilania wykorzystując metodę konwekcji energii wewnętrznej do wysokości temperatury otoczenia ośrodka wymiany.

Układ zapewnia utrzymanie stałych parametrów temperatury wewnątrz szaf dostępowych. Według wynalazku urządzenie zawiera dwa wymienniki ciepła o tych samych parametrach wydajnościowych pracujących w trybie symetrycznym. Układ stanowi system podwójnej pompy ciepła w układzie dwóch symetrycznych wymienników ciepła oraz hydrauliki obiegu czynnika niosącego. Wymienniki ciepła połączone są jednym obiegiem hydraulicznym. Układ umożliwia zarówno chłodzenie jak i grzanie wnętrza szafy dostępowej. Jeden z wymienników ciepła pełni funkcję parownika a drugi skraplacza, przy czym funkcje te wymienniki mogą pełnić zamiennie. Jednocześnie co najmniej jeden z wymienników ciepła zainstalowany jest w wydzielonej, szczelnej i izolowanej termicznie komorze przez którą przepływa powietrze pochodzące z przestrzeni sprzętowej. W procesie pracy pasywnej, wyizolowana komora, pełni rolę izolowanej komory cieplnej dla podniesienia energii wewnętrznej a co za tym idzie ciśnienia po stronie parowania dla zmiany fazy czynnika. W skład układu wchodzą także co najmniej dwa wentylatory z których jeden znajduje się w komorze pierwszego wymiennika ciepła. Pozostałymi elementami składowymi układu jest kompresor a także zespół przewodów, zaworów i czujników regulujących obieg czynnika termodynamicznego w instalacji. Korzystnym jest umieszczenie całego układu według wynalazku nad przestrzenią (szafą) sprzętową co umożliwia wykorzystanie konwekcji swobodnej do kierowania unoszącego się naturalnie ciepłego powietrza z znajdującej się poniżej układu przestrzeni sprzętowej i jego przepływ do znajdującej się powyżej komory wymiennika ciepła. Możliwe jest także mocowanie układu na pozostałych ściankach lub podłodze szafy. Praca wentylatorów reguluje parametry układu, odpowiadając przede wszystkim za procesy zmiany faz gazu w ustalonych parametrach oraz przewietrzanie i obniżenie temperatury panującej we wnętrzu szafy dostępowej, poniżej temperatury otoczenia. Wymienniki ciepła działające w układzie według wynalazku cechuje ta sama długość elementów hydraulicznych i powierzchnia lameli.

Cały układ według wynalazku zamknięty jest w oddzielnej obudowie połączonej z szafą dostępową dwoma kanałami z których jeden stanowi kanał wlotowy a drugi kanał wylotowy. Wentylator zainstalowany w izolowanej termicznie komorze zasysa powietrze z przestrzeni sprzętowej szafy i przeciąga zassany strumień powietrza przez wymiennik ciepła i wdmuchuje powietrze, o zadanej temperaturze i wilgotności, do wnętrza szafy. Strumień powietrza z przestrzeni sprzętowej jest kierunkowany do kanału wlotowego przez odpowiednio wyprofilowane kierownice umieszczone w przestrzeni sprzętowej szafy dostępowej. Wentylator komory termicznej, korzystnie jest umocowany za wymiennikiem, zasysając powietrze i przeciągając jego strumień przez wymiennik ciepła, co charakteryzuje się po zastosowaniu diafragmy, lepszym współczynnikiem wykorzystania powierzchni czynnej wymiennika. Natomiast obudowa komory termicznej jest wyprofilowana w taki sposób, aby strumień powietrza po przejściu przez wymiennik ciepła i wentylator był wtłaczany przez kanał wylotowy do przestrzeni sprzętowej szafy dostępowej.

Rozwiązanie wykorzystane w układzie zawiera także zawór czterodrożny do sterowania kierunkiem przepływu medium i zamiany funkcji wymienników ciepła z parownika na skraplacz, co w konsekwencji powoduje zmianę funkcji układu z chłodzenia na grzanie. Nadto, zawory dwudrożne a także zawory rozprężne połączone z czujnikami temperatury medium hydraulicznego umieszczone są przed wymiennikami ciepła, a mieszki kompensacyjne zaworów zlokalizowane są w strumieniu powietrza, a nie na rurociągach ssawnych. Rozwiązanie takie zapewnia szybszą reakcję układu regulacji w czasie pracy pasywnej, dla szybszej kompensacji ciśnienia w układzie w przypadku pasywnej (bez napędu) pracy układu. Układ jest wyposażony także w zawór elektromagnetyczny na pętli bajpasu sprężarki. Bajpas służy do obejścia sprężarki, jako elementu o dużym oporze przepływu medium, w warunkach obniżonego zasilania awaryjnego lub braku zasilania w ogóle. Odcinający zawór elektromagnetyczny na pętli bajpasu znajduje się w położeniu zamkniętym w warunkach pracy w trybie standardowym przy nominalnym zasilaniu, kierując strumień czynnika do sprężarki. Otwarcie zaworu następuje w warunkach pracy układu w trybie awaryjnym i przy jednoczesnym wyłączeniu sprężarki.

Układ według wynalazku może pracować także w trybie pasywnym, to jest bez zewnętrznego zasilania lub w warunkach przejścia na obniżone zasilanie awaryjne. W tym trybie w układzie wykorzystywane jest obejście (bajpas) pozwalające ominąć sprężarkę, która w trybie awaryjnym jest wyłączona. Ominięcie przez czynnik sprężarki jest konieczne z uwagi na duży hydrauliczny

PL 226 942 B1 opór przepływu jaki stawia ten element. W trybie awaryjnym pracują wyłącznie wentylatory wspomagając naturalną konwekcję zachodzącą poprzez przemianę fazową czynnika zachodzącą pod wpływem różnicy temperatur pomiędzy temperaturą powietrza z przestrzeni sprzętowej oraz temperaturą powietrza z otoczenia.

Umieszczenie sprężarki oraz za nią, drugiego wymiennika ciepła w przestrzeni przewietrzanej powietrzem z otoczenia zabezpiecza ten wymiennik przed oblodzeniem w okresie zimowym, a nadto zapewnia odzysk dodatkowego ciepła z napędu (sprężarki) w procesie grzania w okresie zimowym.

Układ ma tym większą sprawność im większa jest różnica temperatur pomiędzy otoczeniem, a temperaturą kondensatu czynnika hydrauliczno - niosącego, która w znacznym stopniu zależy od powierzchni czynnej specjalnie zaprojektowanych wymienników.

W funkcji chłodzenia kierunek obiegu czynnika jest od pierwszego wymiennika ciepła umieszczonego w izolowanej termicznie komorze pełniącego funkcję parownika do drugiego wymiennika będącego skraplaczem, znajdującego się przy wylocie z obudowy. W funkcji grzewczej, kierunek obiegu medium ulega odwróceniu i przebiega od wymiennika drugiego zlokalizowanego przy wyrzucie powietrza na zewnątrz do wymiennika pierwszego zlokalizowanego w termoizolowanej komorze.

Ilustracje

Układ zapewnienia stałych parametrów temperatury szaf dostępowych według wynalazku został przedstawiony na rysunku, na którym: Fig. 1a przedstawia wygląd urządzenia inkorporującego układ w rzucie przestrzennym ze zdemontowaną obudową komory termicznej; Fig. 1b przedstawia wygląd urządzenia inkorporującego układ w rzucie przestrzennym z zamontowaną obudową komory termicznej; Fig. 2 przedstawia schemat działania układu w funkcji chłodzenia w warunkach zasilania nominalnego; Fig. 3 przedstawia schemat działania układu w funkcji chłodzenia w warunkach zasilania awaryjnego (pół-pasywnego); Fig. 4 przedstawia schemat działania układu w funkcji grzania w warunkach zasilania nominalnego. Kierunki przepływu czynnika hydraulicznego zostały oznaczone strzałkami na poszczególnych figurach przedstawiających trzy tryby działania układu.

Przykład wykonania

W standardowym trybie pracy, to jest w warunkach zasilania prądem elektrycznym o nominalnym napięciu i działaniu układu w obiegu chłodzącym, elektromagnetyczny zawór odcinający 1 znajduje się w pozycji zamkniętej, uniemożliwiając przepływ czynnika przez obwód bajpasu 2. Pomiar ciśnienia czynnika hydraulicznego ma miejsce w czujniku 3A umieszczonym pomiędzy zaworem czterodrogowym 4, a zbiornikiem osuszacza sprężarki 5 oraz przez drugi czujnik 3B umieszczony za sprężarką 5B.

P r z y k ł a d 1

W pierwszym przykładzie wykonania, zilustrowanym na Fig. 2 układ zapewnienia stałych parametrów temperatury szaf dostępowych według wynalazku, działa w trybie standardowym w warunkach normalnego zasilania prądem elektrycznym, o znamionowym napięciu 230V realizując funkcję chłodzenia. Układ jest zamknięty w szczelnej, izolowanej termicznie i niezależnej od szafy dostępowej, obudowie 6. Maksymalna temperatura we wnętrzu szafy dostępowej, jest z ależna od rodzaju zainstalowanego w niej sprzętu, jednak z reguły nie powinna ona przekraczać 45-48°C. Natomiast dolny zakres temperatur powinien zawierać się w przedziale 5-10°C. Optymalny zakres temperatury przestrzeni sprzętowej w szafie dostępowej to 25-40°C. W prezentowanym przykładzie strumień nagrzanego, ciepłego powietrza z przestrzeni sprzętowej szafy dostępowej unosi się w górę wskutek efektu konwekcji i dodatkowo jest zasysany w wyniku pracy pierwszego wentylatora 7 do komory termicznej 8. Strumień ciepłego powietrza jest kierunkowany na pierwszy wymiennik ciepła 9 także dzięki odpowiednio wyprofilowanym kierownicom umieszczonym w przestrzeni sprzętowej szafy. Strumień powietrza przepływa przez kanał wlotowy 10A do wydzielonej, szczelnej i izolowanej termicznie komory 8. Pierwszy wentylator 7 zasysając strumień ciepłego powietrza z wnętrza szafy, przeciąga je przez pierwszy lamelowy wymiennik ciepła 9, pełniący w obiegu chłodzącym, rolę parownika. Czynnik płynący wewnątrz obiegu h ydraulicznego, który przykładowo stanowi freon 44, wskutek ogrzania ciepłym powietrzem pochodzącym z wnętrza szafy przechodzi w parowniku 9 przemianę fazową z postaci ciekłej w postać gazową. Następnie czynnik w postaci gazowej przepływa przez zawór kulowy 11 i po przejściu

PL 226 942 B1 przez zawór czterodrogowy 4 oraz osuszacz 5A jest zasysany przez króciec ssawny sprężarki 5B, która zwiększa jego ciśnienie do ok. 25 bar. W normalnym trybie pracy elektromagnetyczny zawór odcinający 1 jest w pozycji zamkniętej uniemożliwiając przepływ czynnika przez obwód bajpasu 2. W postaci sprężonego gazu czynnik po wyjściu ze sprężarki 5 jest kierowany najpierw przez zawór czterodrogowy 4 potem poprzez drugi zawór kulowy 12 do drugiego lamelowego wymiennika ciepła 13, pełniącego w funkcji chłodzenia rolę skraplacza. Przez skraplacz 13 przepływa strumień powietrza zasysanego z otoczenia przez drugi wentylator 14. Powietrze z otoczenia po przejściu przez skraplacz 13 i odebraniu ciepła, którego nośnikiem jest czynnik hydrauliczny, powoduje skroplenie i przejście czynnika w fazę płynną na wyjściu ze skraplacza 13. Strumień nagrzanego po przejściu przez skraplacz 13 powietrza zostaje wydmuchany przez drugi wentylator 14 na zewnątrz, poza układ i szafę dostępową. Czynnik po oddaniu energii cieplnej w skraplaczu 13 przepływa przez zawór zwrotny 15, następnie przez filtr 16 oraz wziernik 17 i termostatyczny zawór rozprężny mieszkowy 18A dostaje się do parownika 9. Zmiana fazy czynnika ze stanu ciekłego w stan lotny (gaz) następuje po przejściu czynnika przez termostatyczny zawór rozprężny 18A wyposażony w czujnik temperatury 19. Gorące powietrze z wnętrza szafy dostępowej po przejściu przez parownik 9 i oddaniu ciepła jest, już jako powietrze schłodzone, z powrotem wdmuchiwane przez kanał wylotowy 10B do przestrzeni sprzętowej.

W podanym przykładzie wykonania wydajność mocowa w [kW], powierzchnia czynna [m 2] oraz rezerwa powierzchni [%] dla obu wymienników jest taka sama. Zastosowanie symetrii w konstrukcji tych elementów prowadzi do zrównoważenia procesu termodynamicznego, który w procesie zmiany fazy na zaworach rozprężnych prowadzi do szybszej wymiany ciepła dostarczonego i umożliwia transport energii wewnętrznej metodą konwekcji do skraplacza. Symetria rozwiązania zachodzi w ten sam sposób dla procesu chłodzenia jak i grzania.

Dla zapewnienia pełnej symetrii termodynamicznej ważnym elementem jest taka sama wydajność każdego z wentylatorów 7 FanC [m3] = 14 FanE [m3] przy oporach ciśnienia 40 Pa.

P r z y k ł a d 2

W drugim przykładzie wykonania z ilustrowanym na Fig. 3 układ zapewnienia stałych parametrów temperatury szaf dostępowych według wynalazku, działa w trybie awaryjnym (pół-pasywnym) w warunkach obniżonego zasilania prądem elektrycznym pochodzącym z zasilacza awaryjnego typu UPS o napięciu 48V, realizując funkcję chłodzenia. W trakcie pracy w trybie awaryjnym odcięta od zasilania zostaje sprężarka 5B oraz następuje otwarcie elektromagnetycznego zaworu odcinającego 1 umieszczonego na bajpasie 2. Aktywne pozostają natomiast oba wentylatory 7 i 14 wymienników ciepła 9 i 13. Obieg czynnika w trybie awaryjnym prezentuje się następująco: wskutek większego oporu stawianego przez zawór czterodrogowy 4 czynnik w fazie gazowej przepływa przez otwarty elektromagnetyczny zawór odcinający 1 a następnie poprzez zawór zwrotny 20 i zawór kulowy 12 wpływa do skraplacza 13. Dalszy obieg czynnika i przebieg jego zmian fazowych jest taki sam jak w przykładzie pierwszym. Kierunek przepływu czynnika hydraulicznego jest taki sam jak w przykładzie 1 opisanym powyżej.

W trybie awaryjnym, funkcja chłodzenia może być realizowana nawet w sposób zupełnie pasywny to jest bez pracy wentylatorów. W takich warunkach pracy układ może schłodzić powietrze we wnętrzu szafy do poziomu temperatury otoczenia.

PL 226 942 B1

P r z y k ł a d 3

W trzecim przykładzie wykonaniem zilustrowanym na Fig. 4, układ zapewnienia stałych parametrów temperatury szaf dostępowych według wynalazku, działa w warunkach normalnego zasilania prądem elektrycznym, realizując funkcję grzania. W obiegu grzewczym zamianie podlegają funkcje realizowane przez wymienniki ciepła 9 i 13. Wymiennik pierwszy 9 będący parownikiem w obiegu chłodzącym, działa jako skraplacz w obiegu grzewczym a wymiennik drugi 13 będący skraplaczem w obiegu chłodzącym działa, jako parownik w obiegu grzewczym. Jednocześnie zmienia się na przeciwny kierunek obiegu czynnika w instalacji.

W prezentowanym przykładzie strumień zimnego powietrza z przestrzeni sprzętowej szafy dostępowej jest zasysany wskutek pracy pierwszego wentylatora 7, do komory termicznej 8 oraz kierunkowany na pierwszy wymiennik ciepła 9 dzięki odpowiednio wyprofilowanym kierownicom umieszczonym w przestrzeni sprzętowej szafy. Strumień powietrza przepływa przez kanał wlotowy 10A do wydzielonej, szczelnej i izolowanej termicznie komory 8. Pierwszy wentylator 7 zasysając strumień ciepłego powietrza z wnętrza szafy, przeciąga je przez pierwszy wymiennik ciepła 9, pełniący w obiegu grzewczym funkcję skraplacza. Czynnik płynący wewnątrz obiegu hydraulicznego, który przykładowo stanowi freon 44, wskutek schłodzenia zimnym powietrzem pochodzącym z wnętrza szafy przechodzi w pierwszym wymienniku lamelowym, działającym jako skraplacz 9 przemianę fazową z postaci gazowej w postać ciekłą. Następnie czynnik w postaci cieczy przepływa przez kulowy zawór zwrotny 21 oraz wziernik 17 oraz filtr 16. Następnie, czynnik jest wtryskiwany przez zawór rozprężny 18B do drugiego wymiennika ciepła 13, spełniającego w obiegu grzewczym, funkcję parownika. W drugim wymienniku ciepła 13, parowniku, dochodzi do zmiany fazowej czynnika z postaci ciekłej do postaci gazowej. Po zamianie w stan gazowy czynnik po wyjściu z drugiego wymiennika ciepła 13 przepływa przez zawór kulowy 12 następnie przez zawór czterodrogowy 4 i zbiornik osuszacza 5A jest zasysany przez krócieć ssawny do sprężarki 5B. Następnie przez zawór kulowy 11 czynnik w formie ciekłej wpływa do pierwszego wymiennika ciepła 9 pełniącego w obiegu grzewczym funkcję skraplacza. Zimne powietrze z wnętrza szafy, ogrzane po przejściu przez skraplacz 9 jest wdmuchiwane z powrotem do szafy dostępowej. Budowa i parametry poszczególnych urządzeń oraz elementów układu są takie same jak w przykładzie pierwszym opisanym powyżej.

Zalety rozwiązania

Urządzenie implementujące układ według wynalazku cechuje się niskimi kosztami utrzymywania napędu oraz znacznie niższymi kosztami serwisowania. Z uwagi na możliwość pełnienia zarówno funkcji chłodniczej jak i grzewczej układ cechuje uniwersalność i możliwość adaptacji do zmian temperatury we wnętrzu szafy oraz zmiany temperatury otoczenia. Układ umożliwia pracę urządzenia nie tylko w warunkach nominalnego zasilania, lecz także w sytuacji zasilania awaryjnego oraz nawet w braku jakiegokolwiek zasilania, wykorzystując metodę zmiany fazy termodynamicznej oraz przejściem na tryb przewietrzania konwekcyjnego z czynnikiem niosącym. W tej ostatniej sytuacji układ będzie w stanie schłodzić wnętrze szafy do poziomu równego temperaturze otoczenia - co w większości wypadków jest wystarczające dla zabezpieczenia urządzeń elektronicznych przed przegrzaniem.

Układ zapewnia możliwość skonstruowania urządzenia kompaktowych rozmiarów. Zmniejszenie gabarytów zapewnia rozszerzenie możliwości instalacji poprzez zróżnicowanie pozycji pracy i modułowe rozmieszczeniu elementów składowych. Układ może być usytuowany zarówno poziomo jak i pionowo. Układ gwarantuje, dzięki umieszczeniu jednego z wymienników ciepła w izolowanej termicznie komorze, utrzymanie szczelności (hermetyczności) wnętrza szafy bez potrzeby stosowania zewnętrznych urządzeń pośredniczących typu klapy i żaluzje. Dzięki szczelności konstrukcji i zabezpieczeniu przestrzeni sprzętowej szafy układ zwiększa trwałość urządzeń zainstalowanych we wnętrzu szafy i nie wymaga stosowania filtrów. Płynna regulacja pracy sprężarki zapewnia z kolei płynność stabilizacji charakterystyk termiczno-wilgotnościowych w funkcji prędkości przewietrzania, oraz regulacji mocy.

Z uwagi na możliwość podłączenia układu poprzez urządzenia elektroniczne do zdalnych systemów sterujących zapewniona jest możliwość zdalnego monitorowania stanu układu oraz kontrola wszystkich parametrów cyfrowych i analogowych przykładowo przez sieć ETH lub GSM/GPRS. Podłączenie układu do zdalnych systemów sterowania pracą sprężarki oraz zaworami w konsekwencji umożliwia zaimplementowanie automatycznego sieciowego system zgłoszeń serwisowych za pomocą komunikacji email, SMS wraz z lokalizacją urządzenia, a także archiwizację oraz rejestrację wszystkich stanów pracy urządzenia i ciągły pomiar temperatury oraz wilgotności.

PL 226 942 B1

Układ według wynalazku zapewnia wysoki współczynnik efektywności energetycznej COP=5, który jest stosunkiem otrzymanej energii grzewczej do włożonej energii elektrycznej zarówno dla energii procesów grzania jak i chłodzenia. Zakres mocy chłodniczej dla opisanego rozwiązania w konstrukcji termodynamicznej mieści się w przedziale od 1 do 15 kW. Zakres stosowania w warunkach zewnętrznych, to przedział temperatur: -33°C do 50°C oraz wilgotności: 20% do 90%.

Claims (3)

1. Układ zapewnienia stałych parametrów temperatury szaf dostępowych zawierający dwa połączone ze sobą wymienniki ciepła, co najmniej dwa wentylatory, sprężarkę, zawór rozprężny, bajpas sprężarki, znamienny tym, że co najmniej jeden wentylator (7) oraz co najmniej jeden wymiennik ciepła (9) znajdują się w wydzielonej i izolowanej termicznie komorze (8), wymienniki ciepła (9), (13) mają taką samą wydajność a układ wyposażony jest w zawór czterodrogowy (4) oraz zawór odcinający (1) umieszczony na bajpasie (2) sprężarki (5B).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że przed każdym z wymienników ciepła (9) i (13) znajduje się termostatyczny zawór rozprężny (18A), (18B).

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że sprężarka (5B) zlokalizowana jest w przestrzeni bezpośredniego oddziaływania powietrza z otoczenia.