一種設備箱和用于控制這種設備空間當中的內部空氣的溫度和相對濕度的方法

專利名稱：一種設備箱和用于控制這種設備空間當中的內部空氣的溫度和相對濕度的方法
技術領域：
本發明總的來說涉及設備空間內部的空氣質量的控制，更具體地說涉及空間內部的溫度和相對濕度的控制，在所說的空間當中包含電氣以及通信設備，并且處于潮濕的環境且需要冷卻設備以便保證可靠的操作。
為了保證設備的正常操作，對包含電氣和通信設備的空間(下面稱為設備空間)，例如安裝在戶外的設備箱，當中的空氣的相對濕度控制在允許的限度內是非常重要的。內部空氣當中的相對濕度過高和過低都會縮短設備的壽命并且會引起操作故障。
電氣設備在工作當中會產生熱量。如果沒有機械設備，比如空氣對空氣熱交換器，空氣對液體熱交換器或者所謂的熱管熱交換器(以下統稱為熱交換器)大量的熱量不能夠被從狹窄的空間當中去除。如果在炎熱的情況下環境的溫度和濕度劇烈波動，設備空間以及其熱交換器就會使得內部空氣冷凝成水。冷疑通常發生的環境溫度迅速改變的情況下。這會對電氣設備的操作帶來危險。
以前，電氣或者通信設備的設備空間當中的冷凝問題的解決方案是將設備空間與環境封閉，使得水蒸氣不能夠進入到設備空間當中。但是這種方案較為昂貴，并且從長遠的觀點來看，也是不可靠的。解決潮濕問題的另一個已知的方案是的設備空間當中安裝各種化學除濕劑。這些化學除濕劑的工作時間相當有限并且需要根據環境經常進行再生或者更新。
也可以通過各種機械設備對潮濕進行控制，例如利用冷卻設備，用于在設備空間當中的特定部分產生所謂的冷環境。在該處，水蒸氣冷凝成水并且以一定的控制方式被去除。
上述已知的方案共同具有的缺點是他們需要附加的設備例如冷卻設備，這使得設備更加復雜，需要額外的花費，增加了總的能量消耗和/或增加了設備的維護。
在德國專利申請DE-A1-3811189當中所提出的方法降低了對附加設備的需求。在該方法當中，設備箱內部空氣的相對濕度通過利用用于控制內部空氣溫度的同一冷卻設備而得到控制。通過利用溫度傳感器所獲得的測量結果使得溫度得到控制，通過利用濕度傳感器獲得的測量結果使得相對濕度也得到控制。然而該設備仍然很復雜并且為了進行控制必須確定幾個設定值。這意味著該設備的生產和維護需要很高的專業性。因此，該設備的制造，安裝和維護仍然相對較為昂貴，特別是在設備箱的數量增加的情況下。因此，對于不需要精確的濕度控制的情況下，上述的解決方案過于復雜。
本發明的目的是為了消除上述的缺點并且解決潮濕問題，并且可以通過利用盡可能簡單的設備以及盡可能高效地利用設備空間當中現有的技術來控制設備空間當中的內部空氣的溫度和相對濕度。
所述的目的可以通過利用獨立權利要求當中所限定的技術方案來得以實現。
根據本發明的解決方案也是基于上述的通過利用用于調節設備空間當中的溫度的同一個冷卻設備來控制內部空氣的相對濕度的構思。本發明的構思是通過利用設備空間的安裝地點的環境條件和例如已知的焓熵圖(Mollier diagram)來定義溫度的范圍，從而可以僅利用通過從溫度傳感器獲得的測量結果來既調節溫度又調節相對濕度。
本發明的解決方案的優點在于它既經濟在操作上又可靠。其優點還在于它有效地利用了現有的設備并且將所需的附加部件降到最低的限度。根據本發明的方案的優點還在于其維護方面。這不僅是由于不需要額外的部件而且也是由于控制所需的邏輯電路在操作當中非常可靠而且是免維護的。
由于本發明的技術解決方案不需要將設備空間與環境封閉來防止水蒸汽進入。因此顯著的降低了成本。
本發明的方案和另外的優點在于增加了在設備空間當中所安裝的設備和的部件的壽命及可靠性。這是由于相對濕度所需的溫度調節降低了設備空間當中溫度隨時間的波動(例如在一天當中最高和最低溫度之間的差減小)。
根據本發明的方案的優點還在于可以容易地在已經被安裝的設備箱中加入相對濕度控制。甚至可以通過遠程方式設置濕度控制所需的新的溫度限值來實現。


圖1顯示了安裝了根據的發明的控制機構的設備空間，圖2是簡化的焓熵圖，它顯示了溫度限值的選擇，以便只利用溫度傳感器控制設備箱當中的溫度和相對濕度，以及圖3是一個流程圖，顯示了根據本發明的調節過程。
下面參照實施例詳細描述本發明，其中用于通信或者電子設備的空間配置有已知的用于對所述設備進行冷卻的熱交換器。
通常當外部的溫度下降到足夠低的情況下設備空間當中的相對濕度就會達到冷凝的程度(100％RH)。于是熱交換器工作迅速將設備空間中的空氣冷卻。根據本發明的設備空間中，當相對濕度增加時，內部空氣的相對濕度的控制是根據降低熱交換器的熱轉換率(heattransfer rate)來進行的。當熱轉換率降低時，內部空氣的溫度升高并且其相對濕度下降(因為同樣數量的水蒸氣在較低溫度下會比較高溫度下引起更高的相對濕度)。因此，通過調節熱交換器的熱轉換率，即可實現電子設備的適當的冷卻內部空氣的適當的相對濕度。
圖1示出了根據本發明的原理的設備箱10的示意圖，其中配備有典型的熱交換器13。熱交換器的內部空氣循環由風扇(如果是液體循環則由泵)14a控制，外部控制循環由風扇(或者泵)14b控制。實際的交換器芯15(單元，盤組等等)處于內部循環和外部循環之間，儲存熱并將其從內部循環傳送到外部循環。
傳感器11測量設備空間中的內部空氣的溫度被安裝在設備空間中。該傳感器可位于溫度最高處(設備空間的上部或者最熱的部件附近)的空間。該位置的選擇是基于設備空間的溫度的調節來進行的，特別是根據該設備的溫度標準進行的。但是，特別是在設備的最高溫度和最低溫度已經根據設備的濕度標準確定的條件下，溫度傳感器也可以安裝在其它位置。
盡管相對濕度也被調整，在設備中也無需另外的濕度傳感器。其原因是當環境條件已知時，僅僅利用溫度傳感器給出的控制信息，即可以確定相對濕度。根據設備空間的地理位置，可以為絕對空氣濕度確定一個需要的值，例如，在任何情況下都不超過的值(排除因雨引起的峰值；設備是防水的)。在炎熱條件下，絕對濕度的典型的最大值為0.025(千克水/千克干燥的空氣，即每千克干燥空氣中的水蒸氣的千克數)。特定的溫度對應于選定的絕對濕度以及設備空間中允許的最高相對濕度，(該溫度值可通過利用例如用于潮濕空氣的焓熵圖。在控制相對濕度(上限)時，當調節溫度時考慮該溫度值足矣，使得內部空氣溫度并低于該值。相應地，在控制相對濕度的下限過程中，當調節溫度時，考慮由環境條件限定的一定的最高允許溫度一定不能被超過。因此，設備空間中的相對濕度處于允許值。
所以我們讓設備空間中的內部空氣的絕對濕度隨外部空氣的絕對濕度變化。換句話說，設備空間不與環境封閉開防止水蒸氣。在這方面，只要防止水從外部進入并且防止內部空氣與外部空氣嚴重混合(額外的冷卻)即可。
來自溫度傳感器11的信號被連接到邏輯電路16，邏輯電路16被用于調整熱交換器的冷卻能力，例如通過調節熱交換器或者熱轉換區的空氣流/質量流率來進行。在實際當中，最簡單和最經濟的就是調整空氣流/質量流率(盡管該流體比率可保持不變)。
熱交換器的內部和外部循環中的氣流率可通過例如調整熱交換器的外部循環風扇14b來進行。以這種方式，設備空間內部的空氣循環保持常速并實現了電子設備冷卻所需的氣流條件。當設備空間內部的空氣下降并且內部空氣的相對濕度上升到預定的最大值(例如60％RH)，控制邏輯電路16通過降低外部循環風扇14b的旋轉速度來減小設備空間的冷卻。相對濕度的改變信息通過溫度傳感器11獲得，溫度傳感器11將顯示溫度已經下降并且目前在最大程度上對應于相對濕度的所述的預定的最大值(當絕對濕度的最大值為恒定值時)。
直到當溫度傳感器的信號顯示溫度已經上升到對應于相對濕度最小值的溫度(或者設備空間內部的溫度達到溫度標準的最大允許值)時，所述的旋轉速度可被降低。
下面，參照圖2詳細描述設備空間內部空氣的溫度的上下限的選擇，以便僅僅利用一個溫度傳感器也來控制相對濕度。圖2以簡化的形式顯示了焓熵圖。其中斜向的豎軸表示溫度。溫度在0度到60的標尺上以10度的間隔表示。
為了利用焓熵圖，首先要建立設備空間的地理安裝位置的溫度和濕度值。這既可以通過利用自己的測量設備來得到，也可以利用由例如大學，測量部門或商業信息公司提供的公共的統計數據。
當利用自己的測量設備時，在安裝地點安裝溫度和濕度傳感器。測量時間越長，控制的精度和可靠性越高。當然，自己的測量結果可以利用由公共機構或者信息公司提供的統計數據進行補償。由于溫度和濕度值的測量是已知的，這里不在詳細描述。
由公共機構提供的溫度和濕度信息比較典型的是給出一個月的最小、最大和平均溫度以及給出一個月的相對濕度的最小、最大和平均值。該環境的最小和最大溫度值和相對濕度的最小和最大值被標注在焓熵圖上。這樣，由該環境限定的區可以在焓熵圖上標明，并且該區顯示了設備空間周圍環境的相對濕度的變化范圍。
讓我們假定在安裝地點的溫度在T1＝35℃和T2＝25℃之間變化，相對濕度在RH1＝90％和RH2＝80％之間。當這兩個范圍被標注在焓熵圖上時，絕對濕度的最小值Xmin可以通過曲線RH2和溫度T2的交點(P2)得到，絕對濕度的最大值Xmax可以通過曲線RH1和溫度T1的交點(P1)得到(該部分的極值)。在該例中，Xmin＝0.016千克水/千克干燥空氣，Xmax＝0.033千克水/千克干燥空氣。
然后，根據設備需求設定的要求確定的溫度和相對濕度的最小和最大值被標注在焓熵圖上。在圖中所示的例子中，設備所允許的最大溫度和最小溫度為T3＝55℃T4＝10℃，設備所需的相對濕度的最大和最小值為Rhmin＝20％和Rhmax＝60％。
然后焓熵圖可以被用來確定設備空間中內部空氣的最大和最小溫度(Tmax和Tmin)的初始值。初始最大值可以通過對應于絕對濕度最小值(Xmin)和相對濕度最小值(RHmin)的直線的交點(P3)獲得。初始最小值可以通過對應于絕對濕度最大值(Xmax)和相對濕度最大值(RHmax)的直線的交點(P5)獲得。在該例中，所獲得的值為Tmax＝49℃Tmin＝42℃。
這些初始值被與設備的溫度需求比較，然后通過保證溫度和相對濕度連續地處于允許的范圍來選擇最后的溫度限值。在上述的例子中，設備的濕度要求限定溫度限值，在實際當中，設備的溫度要求沒有濕度要求嚴格。因此，最后選擇的限值為Tmax＝49℃Tmin＝42℃。
如果在安裝地點的溫度和相對濕度的日循環是已知的，最小值Tmin不需要從上述的交點(P5)來選擇，只要對應該值的絕對濕度處于Xmin和Xmax(包括該值)之間，也可以選擇曲線Rhmax上的其它溫度值。在該例中，設備空間的最低溫度可以在Tmin＝42℃和Tmin＝30℃之間(該溫度對應于點P4)。
在上述的例子中，設備的相對濕度的相對低的最小值(60％)限定最低溫度為相對高的值。如果設備允許的最大值為90％，用上述方法確定的最低溫度為Tmin＝35℃。根據溫度和相對濕度變化的日循環，也可以將該最低溫度降低為23℃和35℃之間的一個值。
圖3中的流程顯示了當只利用溫度測量時控制邏輯電路執行的控制過程。上述的過程在圖中用標號20和21表示。所述過程在設備箱安裝前或者對現有設備進行濕度調整之前進行。
為了進行控制，對于設備箱安裝點的環境條件確定絕對濕度的最大和最小值(階段20)。這可以利用統計數據或者自己測量以及上述的焓熵圖得到。也可以直接通過統計數據得到。根據絕對濕度的取值范圍以及設備的溫度和濕度要求，確定設備空間空氣溫度的最小和最大值(Tmax和Tmin)。
這樣可以在控制邏輯中設置允許溫度范圍的上下限(階段30)。然后轉換到連續地操作，由控制邏輯電路讀出來自傳感器11的設備空間溫度(T)(階段31)。所獲得的值與設置的上限值比較(階段32)。如果設備空間溫度高于允許的最大值，冷卻力增加(階段33)。如果不是這樣，下一步判斷設備空間溫度是否低于允許的最小值(階段34)。如果是，冷卻力降低(階段31)。在相反的情形，下一步讀出設備空間溫度新的值。例用上述的方法，使得溫度連續地保持在允許的范圍。
只配備有溫度傳感器和根據圖3的調整程序的設備自然是比配備有溫度傳感器和濕度傳感器的設備更為經濟。不管是多么簡單的調整，在多數情況下，它都是適當的方案，因為很少有精確調整相對濕度的情況。此外，該方案還具有上述的其它的優點。
對于本發明的原理的實現，可以有各種不同的選擇。簡述如下。
例如冷卻力的增加/降低可以以不同的方式進行。由于這些方法是已知的并且與本發明的構思無關，這里不再詳述。
外部循環風扇的調整可以通過例如兩個或多個步驟來進行。例如，在實際當中使用兩個步驟是適當的選擇。該調整也可以一步完成。
空氣或質量流比率的調整可以通過對兩者或之一進行。也可以通過利用調節板堵住氣流來實現，或者通過通道控制來控制進入交換器(單元，盤組)的流量來進行。
根據本發明的構思也可以應用于壓縮機制冷的情形。其調整可以通過控制通過蒸發器的設備空間中的空氣量來進行，來降低設備空間的冷卻，或者通過調整進入蒸發器的冷媒的數量來進行。
盡管溫度測量可以以各種不同的方法進行，例如根據液體的熱膨脹，固體的熱膨脹，毛細作用，熱電效應，材料電阻和熱輻射等等進行。由于所述的測量與本發明無關，所以不再詳述。主要的一點是可以利用各種已知的方法并且用于測量的傳感器可以從市面上的商品中選擇，例如Vaisala DTS12A。
盡管當相對溫度超過允許限度時，溫度增加，所述調整也可以以相反的方向進行(即，如果相對濕度降低太多，降低溫度)。從原則上講，本發明的構思可應用于各種設備空間，只要其內部空氣的具有與電氣和通信設備的空間相似的條件。因此術語“設備空間”應理解為不限于用于電氣或者通信設備的空間。
盡管該發明是結合附圖針對實例描述的，但是本發明并不限于這些實例，可以在后附的權利要求所限定的本發明的構思的范圍內作出各種變化。
權利要求
1.用于控制設備空間中內部空氣的溫度和相對濕度的方法，其中通過改變設備空間中包含的冷卻設備(13)的設備空間的冷卻力使得內部空氣的溫度保持在由設備空間內部的設備的要求所限定的允許的溫度范圍，以及設備空間內部空氣的相對濕度通過利用同一冷卻設備進行控制，通過保持所述的溫度使得內部空氣的相對濕度處于設備空間內部的設備的濕度要求所限定的允許的范圍內，其特征在于設備空間內部空氣的溫度的最小和最大值是根據設備空間的地理位置的絕對濕度以及根據設備的溫度和濕度要求選擇的，以及溫度和相對濕度都是通過利用由溫度傳感器給出的控制信息，通過將溫度保持在選擇的最小和最大值之間來控制的。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于絕對濕度的取值范圍是利用已知的焓熵圖選擇的。
3.根據權利要求1的方法，其特征在于設備空間(10)配備有熱交換器并且所述的控制是通過響應于由所述的傳感器指示的溫度改變熱交換器的熱轉換率來進行的。
4.根據權利要求3的方法，其特征在于熱交換器的熱轉換率是通過改變內部和外部循環流率來控制的。
5.根據權利要求4的方法，其特征在于熱交換器的熱轉換率是只通過改變外部循環流率來控制的。
6.一種設備箱，包括用于冷卻箱內空氣溫度的冷卻設備，用于測量指示內部空氣相對濕度的量的第一裝置，以及用于控制內部空氣相對濕度的第二裝置(15，16)，響應于所述的量指示相對濕度已經達到一定的限值通過改變內部空氣的溫度來進行所述的控制，其特征在于第一裝置只包括溫度傳感器(11)并且對應于所述的限值的溫度值的信息被存儲在所述的第二裝置中。
7.根據權利要求6的設備箱，其中的冷卻設備包括一個熱交換器，其特征在于第二裝置包括一個風扇(14b)，維持熱交換器的外部循環和一個控制該風扇的速度的邏輯電路(16)。
全文摘要
本發明涉及設備空間(10)中,特別是用于電氣或者通信設備的空間中的溫度和相對濕度的控制。通過改變設備空間中包含的冷卻設備(13)的設備空間的冷卻力使得內部空氣的溫度保持在由設備空間內部的設備的要求所限定的允許的溫度范圍來進行溫度控制的。設備空間內部空氣的相對濕度通過利用同一冷卻設備進行控制,通過保持所述的溫度使得內部空氣的相對濕度處于設備空間內部的設備的濕度要求所限定的允許的范圍內。為了利用盡可能簡單的設備進行所述的控制,設備空間的地理位置的環境條件被用來作為選擇絕對濕度取值范圍的基礎,對應于所述條件的取值范圍,所述的設備的選擇的取值范圍和濕度要求作為確定設備空間中的內部空氣的所允許的第一溫度范圍,確定的第一溫度范圍和設備的溫度要求作為選擇設備空間內部空氣的所允許的最小和最大值的基礎,通過只利用由測量溫度的傳感器給出的控制信息,通過將溫度保持在選擇的最大和最小值之間來控制溫度和相對濕度。
文檔編號H05K7/20GK1229570SQ97197704
公開日1999年9月22日 申請日期1997年9月2日 優先權日1996年9月6日
發明者卓瑪·曼尼能 申請人:諾基亞電信公司