Корпус с расширенным диапазоном окружающей температуры

Изобретение относится к электротехнике, к электрическому оборудованию, работающему во взрывоопасной атмосфере. Технический результат состоит в повышении надежности за счет создания защиты от воспламенения и расширения диапазона окружающей атмосферы. Корпус выполнен с одним из видов взрывозащиты согласно требованиям взрывобезопасности и снабжен устройством для поддержания температурного режима, которое состоит из змеевика, термически соединенного, по меньшей мере, с одной из стенок. Посредством циркуляционного насоса при необходимости подается через змеевик для поддержания температурного режима текучая среда, чтобы в зависимости от целевого применения повысить или понизить температуру корпуса. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Корпусы, в которых установлено электрическое оборудование и которые работают во взрывоопасной атмосфере, должны соответствовать предписаниям взрывобезопасности. К этим предписаниям относится также определение максимальной и минимальной температуры корпуса. Минимальную температуру корпуса устанавливают, так как при снижении температуры изменяются прочностные свойства материала корпуса. Ниже определенных температур, например, ниже -60° прочность алюминиевого корпуса уже недостаточна, чтобы противостоять возможным взрывам внутри корпуса.

Далее, при понижении температуры увеличивается объем газа внутри корпуса. Повышенное содержание газа приводит к увеличению давления газа в случае возможного взрыва внутри корпуса и к разрушению корпуса.

Кроме того, следует учитывать, что подвергаемые воздействию взрывоопасных веществ поверхности являются потенциальными источниками воспламенения. На исходящую от них опасность воспламенения влияет температура воспламенения взрывоопасного вещества и температура поверхности. Максимально допустимая температура определяется в зависимости от взрывоопасности той окружающей среды, на которую рассчитан корпус. В функциональном аспекте, должны соблюдаться предусмотренные рабочие температуры внутрикорпусного оборудования.

Следовательно, максимальная температура корпуса является не столько вопросом материала корпуса или объема газа, сколько в значительно большей степени вопросом отвода тепла от электрического оборудования внутри корпуса через стенки корпуса наружу. Если не предусмотрены особые меры охлаждения, то электрическое оборудование внутри корпуса охлаждается только за счет происходящей там конвекции или теплоотвода на стенки корпуса. Если стенки корпуса имеют слишком высокую температуру, имеется опасность того, что электрическое оборудование нагрето больше, чем допустимо. Оно может даже перегреться или может воспламениться окружающий корпус или компоненты воспламеняющегося газа.

Поэтому, исходя из вышеизложенного, задача изобретения состоит в том, чтобы создать корпус, который соответствует одному из видов защиты от воспламенения и допускает расширение вверх или вниз диапазона окружающей температуры.

Эта задача согласно изобретению решается за счет корпуса с признаками п. 1 или п. 2 формулы изобретения.

Если речь идет о том, чтобы расширить диапазон окружающей температуры вверх, предусматривают корпус с устройством охлаждения. При помощи термочувствительного элемента регистрируют температуру корпуса. Измеренное значение подают на управляющее устройство, которое затем при достижении критической температуры избирательно активирует охлаждающее устройство.

Это позволяет обеспечить даже при неблагоприятных условиях, например, при особенно сильном воздействии солнечного излучения, своевременное поддержание температуры корпуса на таких значениях, которые исключают чрезмерный нагрев электрического оборудования внутри корпуса и обеспечивают поддержание допустимых температур на поверхности. Охлаждающее устройство не обязательно должно постоянно находиться в режиме активации, следовательно, и расходует энергию лишь тогда, когда охлаждение действительно необходимо.

Если же, наоборот, речь идет о том, чтобы расширить диапазон окружающей температуры вниз, предусматривают корпус с нагревательным устройством, которое действует эффективно по меньшей мере на одну из стенок корпуса. Так же и здесь при помощи измерительного устройства температуры и управляющего устройства, как и в предыдущем случае, следят за тем, чтобы активировать нагревательное устройство лишь тогда, когда следует опасаться понижения диапазона допустимой температуры внутри корпуса/температуры корпуса или рабочей температуры внутрикорпусного оборудования.

Термоэлектрические устройства могут быть соединены непосредственно со стенками корпуса или находиться внутри корпуса, так что через воздушный зазор они взаимодействуют со стенками корпуса. Можно также соединить друг с другом нагревательные и охлаждающие устройства, чтобы таким образом в предельных диапазонах для корпуса расширить как верхнюю, так и нижнюю допустимую температуру.

Термочувствительный элемент может быть выполнен в форме терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) сопротивления или радиационного пирометра. Он может измерять температуру воздуха в корпусе. Другая возможность состоит в том, чтобы термочувствительный элемент или датчик нагрева соединить непосредственно со стенкой, чтобы исключить между ними воздушный зазор. Какой из вариантов лучше, определяется соответствующим целевым применением.

Нагревательное или охлаждающее устройство может быть соединено непосредственно со стенками корпуса. При этом оно может находиться внутри корпуса или на его наружной стороне.

Нагревательное и/или охлаждающее устройство может работать с теплопередающей средой, которая циркулирует через нагревательное и/или охлаждающее устройство.

Охлаждающее устройство может содержать также элемент Пельтье, который помещен снаружи на стенке корпуса, конкретно в месте, в котором обеспечивается хороший отвод тепла за счет окружающего воздуха.

Нагревательное устройство может быть выполнено, например, в форме электрического нагревательного устройства, с резистивной нагревательной проволокой или в форме индукционного нагрева, причем на соответствующих стенках закреплена ферромагнитная пластина, которая нагревается за счет потерь от вихревых токов.

Корпус может быть выполнен с одним из возможных видов взрывозащиты. К этим видам взрывозащиты относятся применение взрывонепроницаемой оболочки, повышенная безопасность, заполненная кварцевым песком взрывонепроницаемая оболочка, взрывонепроницаемая оболочка с масляным заполнением, с заполнением газом под избыточным давлением и другие аналогичные.

Впрочем, варианты усовершенствования изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Нижеследующее описание фигур поясняет различные аспекты для понимания изобретения. Другие неописанные детали специалист может почерпнуть обычным порядком из чертежей, которые дополнены соответствующим текстом в описании. Разумеется, возможны ряд модификаций и комбинаций отдельных примеров осуществления.

Нижеследующие чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Для лучшей наглядности деталей определенные участки могут быть изображены слишком увеличенными. Кроме того, чертежи плакатно упрощены и не всегда содержат каждую присутствующую при практическом исполнении деталь. Понятия «сверху» и «снизу», соответственно «спереди» и «сзади», относятся к общепринятому, привычному расположению или терминологии, касающейся взрывобезопасных корпусов.

На чертеже представлен пример осуществления предмета изобретения.

На чертеже показано устройство для поддержания температурного режима корпуса. К этому устройству относится корпус 1, который выполнен с одним из видов взрывозащиты, который соответствует предписаниям взрывобезопасности. Корпус имеет коробку 2 в общем с четырьмя сторонами, из которых видны лишь стороны 3 и 4. Показанное спереди по отношению к зрителю отверстие 5 закрыто при помощи крышки 6. Крышка 6 привинчена к коробке 2 при помощи невидимых утопленных болтов. Болты вставлены в цекованные площадки 7. Коробка 2 и крышка 6 состоят из металла, например, полученные из алюминиевого литья под давлением или сварных стальных пластин, которые способом металлорежущей обработки выровнены, например, по окружающему отверстие 5 краю.

Далее к устройству относится также система поддержания температурного режима 9. Она включает змеевик 10, который расположен на находящейся слева относительно зрителя стенке 4. Круглым теплообменником змеевик 10 помещен на наружной стороне стенки 4. Змеевик 10 может быть припаян или приварен, например, на стенке 4 корпуса, чтобы в любом случае установить очень хороший тепловой контакт со стенкой.

Змеевик 10 имеет впускное подсоединение 11, а также выпускное подсоединение 12. Впускное подсоединение 11 посредством шланговой или трубной системы 13 соединено с выходом циркуляционного насоса 14, который также относится к системе поддержания постоянного температурного режима 9. Всасывающая сторона циркуляционного насоса 14 снабжена устройством поддержания температурного режима 15 соответствующей системы 9, которое, как вытекает из дальнейшего пояснения, выполнено как нагревательное или как охлаждающее устройство. Подводящая сторона устройства поддержания температурного режима 15 соединена посредством другого шланга 16 с выводом 12.

Работу насоса 15 контролируют при помощи управляющего устройства 17. Кроме того, управляющее устройство 17 поставляет энергию для работы насоса 14. Управляющее устройство 17 имеет управляющий вход 18, к которому посредством трубопровода 19 подключен температурный зонд 21, который находится внутри корпуса 1.

Для объяснения любого из аспектов изобретения допускаем вначале, что корпус 1 выполнен с защитой от воспламенения в форме взрывонепроницаемой оболочки. При этом корпус должен исключить, чтобы искры внутри корпуса 1 могли бы также воспламенить воспламеняющиеся газы, которые находятся в окружающей корпус среде. Поэтому зазор между коробкой 2 и крышкой 6 выполнен с мерами безопасности в отношении воспламеняющего прорыва. Также кабельная проводка для подсоединения датчика температуры 21 выполнена с защитой от воспламенения во взрывонепроницаемой оболочке.

Безопасный в отношении воспламеняющего прорыва зазор не является полностью плотным, более того посредством зазора может осуществляться выравнивание давления с внешней атмосферой. Следствием этого является то, что с падением температуры увеличивается поступление газа из окружающей среды во внутреннюю полость корпуса 1. При рассмотрении аварийного потенциала следует исходить из того, что здесь речь идет о воспламеняющемся газе. Так что чем больше объем замкнутого газа, тем больше повышается давление в случае воспламенения.

Чтобы снизить объем газа, температуру газа внутри корпуса 1 регистрируют при помощи датчика температуры 21. Он отправляет температуру в виде электрического сигнала на управляющее устройство 17. Если температура в корпусе 1 падает ниже заранее установленного значения, управляющее устройство 17 включает циркуляционный насос 14, который соответственно подает текучую среду через змеевик 10. Текучая среда нагревается в устройстве для поддержания температурного режима 15 и, таким образом, обеспечивает также нагрев стенки 4 коробки 2. Вследствие этого повышается температура на стенках корпуса и снижается соответственно температуре объем газа внутри корпуса 1. Следовательно, корпус работает в температурном диапазоне, на который он рассчитан. Таким образом, нагревательное устройство делает возможным, что, например, при минимально допустимой температуре -30° корпус работает еще в диапазоне -50° и не нарушает ограничительных предписаний безопасности.

Излишне останавливаться дополнительно на том, что отключение циркуляционного насоса 14 происходит сразу же, как только датчик температуры 21 регистрирует достаточно высокий рост температуры относительно требуемого значения. Это касается также нагревательного устройства 15, которое в зависимости от обстоятельств также включается или выключается управляющим устройством 17.

Приведенные выше варианты осуществления для корпуса с взрывозащитой в форме взрывонепроницаемой оболочки распространяются по смыслу также на корпус, в котором вид взрывозащиты представлен в форме взрывонепроницаемой оболочки заполненной кварцевым песком.

Если корпус 1 выполнен с взрывозащитой в форме повышенной безопасности, внутри корпуса находятся либо устройства, которые изначально выполнены с взрывозащитой в форме повышенной безопасности, либо в корпусе могут находиться, в свою очередь, другие корпуса, которые также выполнены с взрывозащитой в форме взрывонепроницаемой оболочки. Такой корпус изображен на схеме позицией 25. Этот корпус 25 также должен работать лишь в диапазоне окружающей температуры, на которую он рассчитан. При более низких температурах объемы газа, как известно, слишком возрастают и в случае взрыва не могут в достаточной степени воспрепятствовать повышению давления. Чтобы это исключить, в окружающей среде, как сказано выше, необходимо обеспечить достаточно высокую температуру. Эта достаточно высокая температура достигается, в свою очередь, при помощи корпуса 1 и системы поддержания температурного режима 9. Если датчик температуры 21 регистрирует слишком низкую для корпуса 25 окружающую температуру, как описано выше, в оборот вводят нагревательное устройство. Нагретая до соответствующих температур текучая среда прокачивается при помощи циркуляционного насоса 14 для нагрева корпуса 1 через змеевик 10.

В описанном случае корпус 1 функционирует с точки зрения взрывобезопасного корпуса 25 как климатизированная камера, которая соответствует предписаниям взрывозащиты.

Принципы действия в обоих случаях применения несколько отличаются друг от друга, но конструкция в обоих случаях принципиально одинаковая. В случае корпуса 1 в исполнении с взрывонепроницаемой оболочкой преимуществом является, если змеевик 10 помещен на наружной стороне корпуса. Это позволяет исключить осуществление взрывозащиты в форме взрывонепроницаемой оболочки.

При помощи описанного устройства можно расширить температурный диапазон корпуса 1 не только вниз, но также и вверх. В этом случае система поддержания температурного режима 9 работает как охлаждающее устройство и соответственно охлаждает циркулирующую по змеевику текучую среду, чтобы удалить тепло из корпуса 1. Активация системы охлаждения осуществляется, как сказано выше, в зависимости от температуры, которая регистрируется датчиком температуры 21. Если температура внутри корпуса 1 превышает предельно допустимое значение, приводятся в действие циркуляционный насос 14 и охлаждающее устройство 15. Корпус 1 охлаждается и, следовательно, тепло отводится одновременно из внутренней полости корпуса 1. Таким образом, температура поверхности поддерживается в заданных пределах.

Такие неблагоприятные избыточные температуры могут возникать, например, если корпус подвержен особенно сильному воздействию солнечного излучения. Подобные условия могут также сложиться, если аппаратура, которая содержится в климатизированном Ex-e-корпусе, случайно продуцируют очень большие одновременные потери тепла.

Если речь идет о корпусе с взрывозащитой в форме повышенной безопасности, то змеевик 10 может быть расположен также внутри корпуса 1 без всякой защиты, так как не требуются особые дополнительные меры.

Если речь идет лишь о нагреве, то допустим также индукционный нагрев корпуса, в форме индукционной плиты.

С описанным устройством возможен, следовательно, способ, который позволяет расширить температурный диапазон вверх и/или вниз. С этой целью подготовлен корпус, который снабжен системой поддержания температурного режима. В зависимости от температуры в корпусе включают систему поддержания температурного режима в смысле охлаждения или нагрева. За счет нагрева диапазон окружающей температуры расширяют вниз, при этом за счет нагрева объем взрывоопасного газа в корпусе поддерживают на убывающем значении. В случае охлаждения создается климатизированная окружающая среда для находящихся в корпусе и производящих тепловые потери компонентов. Могут поддерживаться допустимые температуры на поверхности внутрикорпусного оборудования или корпуса. Охлаждение не ограничивается лишь корпусом с взрывозащитой в форме повышенной безопасности. Этот тип корпуса упоминается лишь в виде примера. Возможны также корпусы с видами взрывозащиты в форме взрывонепроницаемой оболочки, заполнения взрывонепроницаемой оболочки кварцевым песком, взрывонепроницаемой оболочки с масляным заполнением, с заполнением газом под избыточным давлением.

Датчик температуры 21 может регистрировать либо температуру газа в корпусе, либо может быть термически прочно соединен с одной из стенок корпуса, чтобы регистрировать в первую очередь температуру корпуса.

Корпус, который выполнен с одним из видов взрывозащиты согласно предписаниями взрывобезопасности, укомплектован устройством для поддержания температурного режима. Устройство для поддержания температурного режима состоит из змеевика, который термически хорошо соединен, по меньшей мере, с одной из стенок. Посредством циркуляционного насоса при необходимости через змеевик подается для поддержания температурного режима текучая среда, чтобы в зависимости от целевого применения повысить или понизить температуру корпуса.

1. Устройство, содержащее
корпус (1) с взрывозащитой, который имеет стенки (3, 4), и
систему (9) поддержания температурного режима для корпуса (1), включающую:
- по меньшей мере один термочувствительный элемент (21) для регистрации температуры корпуса и/или внутренней температуры;
- охлаждающее устройство (10, 14, 15);
- нагревательное устройство (10, 14, 15);
- управляющее устройство (17) для избирательной активации или отключения охлаждающего устройства (10, 14, 15) и нагревательного устройства (10, 14, 15),
при этом управляющее устройство (17) выполнено с возможностью активации охлаждающего устройства (10, 14, 15), если достигнута критическая температура, и активации нагревательного устройства (10, 14, 15), только если существует опасность понижения диапазона допустимой температуры внутри корпуса и/или температуры корпуса или рабочей температуры внутрикорпусного оборудования, для того чтобы ограничить количество газа внутри корпуса.

2. Устройство по п. 1, в котором термочувствительный элемент (21) термически соединен без воздушного зазора с одной из стенок (3, 4) корпуса.

3. Устройство по п. 1, в котором термочувствительный элемент (21) расположен на расстоянии от стенок (3, 4) корпуса.

4. Устройство по п. 1, в котором нагревательное или охлаждающее устройство (10, 14, 15) системы (9) поддержания температурного режима соединено без воздушного зазора по меньшей мере с одной из стенок (3, 4) корпуса или находится внутри корпуса.

5. Устройство по п. 1, в котором нагревательное устройство (10, 14, 15) системы (9) температурного режима находится внутри корпуса и отделено от стенок (3, 4) корпуса.

6. Устройство по п. 1, в котором охлаждающее или нагревательное устройство (10, 14, 15) работает с теплопередающей текучей средой, подача и отвод которой осуществляется посредством шлангов или труб (13, 16).

7. Устройство по п. 1, в котором нагревательное устройство (10, 14, 15) содержит электрический нагревательный змеевик (10) или устройство индукционного нагрева.

8. Устройство по п. 1, в котором корпус (1) выполнен с одним из видов взрывозащиты согласно предписаниям взрывобезопасности, например с взрывонепроницаемой оболочкой, с повышенной безопасностью, с взрывонепроницаемой оболочкой с кварцевым песком, с взрывонепроницаемой оболочкой с масляным заполнением.

9. Устройство по п. 1, которое содержит теплообменник (10), который соединен с корпусом (1).

10. Способ расширения диапазона температуры корпуса с взрывозащитой, при этом способ включает:
- обеспечение нагревательного устройства и охлаждающего устройства для корпуса,
- обеспечение управляющего устройства для избирательной активации или отключения охлаждающего устройства и нагревательного устройства, и
- обеспечение устройства для изменения температуры, предназначенного для определения температуры корпуса, и
- осуществление регулирования/управления нагревательным устройством и/или охлаждающим устройством посредством управляющего устройства в зависимости от температуры, которую измеряют внутри корпуса или на корпусе с помощью устройства для изменения температуры, причем управление осуществляют таким образом, чтобы активировать охлаждающее устройство, если достигнута критическая температура, и активировать нагревательное устройство, только если существует опасность понижения диапазона допустимой температуры внутри корпуса и/или температуры корпуса или рабочей температуры внутрикорпусного оборудования, для того чтобы ограничить количество газа внутри корпуса.