DE112010001984T5

DE112010001984T5 - Explosionssichere Umhausungen mit einer aktiven Wärmeverwaltung mittels Wärmetausch

Info

Publication number: DE112010001984T5
Application number: DE112010001984T
Authority: DE
Inventors: Joseph Michael Manahan; Marc Raymond Kozlowski
Original assignee: Cooper Technologies Co
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2012-11-29
Also published as: WO2010132211A1; US9250023B2; CA2761618C; BRPI1012138A2; US20160223271A1; CA2761618A1; MX2011012098A; US9863718B2; US20100288467A1; US20120325429A1

Abstract

Umhausungen für die Verwendung in gefährlichen Bereichen enthalten Wärmetauscher für eine aktive Wärmeverwaltung. Die Umhausungen sind mit einer Vorrichtung gekoppelt, die Wärmeübertragungsfähigkeiten aufweist. Die Einrichtungen in den Umhausungen erzeugen Wärme innerhalb der Umhausung. Der Wärmetauscher führt die durch die Einrichtungen erzeugte Wärme ab und verwaltet die Innentemperatur der Umhausungen auf einer für gefährliche Standorte geeigneten Höhe. Die Umhausungen können aktiv durch die Vorrichtung gekühlt oder geheizt werden.

Description

Querverweis
Die vorliegende Anmeldung ist mit der US-Patentanmeldung Nr. 12/435,807 mit dem Titel „Explosion-Proof Enclosures with Active Thermal Management Using Sintered Elements” vom 5. Mai 2009 von Joseph Michael Manahan et al. verwandt, die hier vollständig unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein explosionssichere Umhausungen und insbesondere explosionssichere Umhausungen mit aktiven Wärmeverwaltungsfähigkeiten mittels eines Wärmetausches.
Hintergrund
Automatisierungseinrichtungen können verwendet werden, um die Lebensdauer von Vorrichtungen wie etwa Motoren und Pumpen zu verlängern und deren Leistung zu verbessern. Die Installation von Automatisierungseinrichtungen in gefährlichen oder explosiven Umgebungen wird jedoch gewöhnlich wegen der durch die Komponenten der Automatisierungseinrichtungen erzeugten Wärme vermieden, da diese eine Explosion verursachen könnte. Die Anforderungen für gefährliche Bereiche schreiben vor, dass derartige Einrichtungen gegenüber der umgebenden Atmosphäre gedichtet werden müssen, sodass alle möglichen Zündungsquellen innerhalb der Umhausung eingeschlossen sind und eine Fortpflanzung einer Explosion verhindert wird.
Die Automatisierungseinrichtungen können in einer explosionssicheren Umhausung untergebracht werden. Die derzeitig bekannten explosionssicheren Umhausungen beruhen auf einer leitenden Wärmeübertragung für das Abführen der durch die Einrichtungen in der Umhausung erzeugten Wärme. Die Umhausungen führen die durch die enthaltenen Automatisierungseinrichtungen erzeugte Wärme jedoch unter Umständen nicht ausreichend ab, sodass die Lebensdauer der Einrichtungen verkürzt wird oder es zu einer Explosion in der Umhausung kommen kann. Deshalb werden die Automatisierungseinrichtungen gewöhnlich außerhalb der Grenzen des gefährlichen Bereichs installiert und werden lange Elektrokabel zu den Vorrichtungen in dem gefährlichen Bereich geführt. Eine derartige Anordnung bringt jedoch verschiedene Nachteile mit sich. Zum Beispiel ist bei einer derartigen Anordnung die Kontrolle über die Vorrichtungen kleiner und sind die Installations- und/oder Wartungskosten höher.
Es besteht deshalb ein Bedarf für eine explosionssichere Umhausung für Automatisierungseinrichtungen oder andere Einrichtungen, wobei die explosionssichere Umhausung eine aktive Wärmeverwaltung in einem gefährlichen Bereich leisten kann.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung kann den oben genannten Bedarf erfüllen, indem sie Umhausungen mit Wärmetauschern für die Verwendung in gefährlichen Bereichen angibt. Unter einem „Wärmetauscher” ist hier eine Vorrichtung zu versehen, die Wärme von einem Medium zu einem anderen Medium oder zu der Umwelt überträgt. Wärmetauscher helfen bei der Regelung der Innentemperatur einer Umhausung, indem sie die in der Umhausung aufgenommenen Einrichtungen aktiv kühlen oder heizen.
Die Umhausungen der vorliegenden Erfindung enthalten eine damit gekoppelte Wärmetauschervorrichtung. Gemäß einigen Aspekten ist der Wärmetauscher ein thermoelektrischer Kühler, ein Mantelrohrwärmetauscher, ein Plattenwärmetauscher oder ein Spiralwärmetauscher. Die Umhausungen enthalten darin aufgenommene Einrichtungen. Ein Wärmetauscher ist mit den internen Einrichtungen und der externen Umwelt verbunden und überträgt aktiv Wärme aus dem Inneren der Umhausung nach außen, um die durch die Einrichtungen in der Umhausung erzeugte Wärme abzuführen. Gemäß bestimmten Aspekten der Erfindung überträgt der Wärmetauscher aktiv Wärme von außerhalb der Umhausung in die Umhausung, um die Einrichtungen in der Umhausung zu heizen. Gemäß bestimmten Aspekten der Erfindung wird die Wärmetauschervorrichtung durch ein Steuersystem mit einem Sensor und einer Steuereinrichtung gesteuert.
Die Umhausungen können weiterhin wenigstens einen Ventilator in der Nähe der Wärmetauschervorrichtung enthalten. Der Ventilator kann innerhalb der Umhausung angeordnet sein oder außen an der Umhausung montiert sein. Der Ventilator kann durch ein Steuersystem mit einem Sensor und einer Steuereinrichtung gesteuert werden.
Dise und andere Aspekte, Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden für den Fachmann durch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhafter und bevorzugter Ausführungsformen verdeutlicht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht einer explosionssicheren Umhausung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, wobei die Abdeckung entfernt ist.
2 ist eine Querschnittansicht der explosionssicheren Umhausung von 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Die vorliegende Anmeldung gibt Umhausungen mit aktiven Wärmeverwaltungsfähigkeiten an. Die Umhausungen enthalten einen Wärmetauscher, der das Abführen von Wärme aus dem Inneren des Gehäuses unterstützt. Die Umhausungen können für allgemeine Zwecke und in gefährlichen Bereichen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende Beschreibung von nicht-einschränkenden Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, in denen einander entsprechende Teile jeweils durch gleiche Bezugszeichen angegeben werden.
1 und 2 sind jeweils eine perspektivische Ansicht und eine Querschnittansicht einer explosionssicheren Umhausung 100, wobei die Abdeckung (nicht gezeigt) entfernt ist. Die Umhausung 100 umfasst ein rechteckiges Gehäuse 102. Das Gehäuse 102 umfasst eine obere Wand 102a, eine untere Wand 102b, zwei Seitenwände 102c, eine Rückwand 102d und einen Hohlraum 102e. Das Gehäuse 102 umfasst auch einen Flansch 102f, der sich orthogonal von der oberen, der unteren und den zwei Seitenwänden 102a, 102b, 102c erstreckt. In bestimmten Ausführungsformen ist das Gehäuse 102 aus Aluminium ausgebildet und erfüllt den NEMA 7-Standard für die Nutzung in Innen- und Außenräumen gemäß Klasse I, Gruppe A, B, C oder D.
Die Umhausung 100 umfasst weiterhin Automatisierungseinrichtungen 110, die in dem Hohlraum 102e angeordnet und mit der Rückwand 102d gekoppelt sind. In alternativen Ausführungsformen können die Automatisierungseinrichtungen 110 mit der oberen Wand 102a, der unteren Wand 102b oder einer der Seitenwände 102c gekoppelt sein. Die Automatisierungseinrichtungen 110 erzeugen Wärme in der Umhausung 100, die abgeführt werden kann, um eine gewünschte Temperatur in der Umhausung 100 aufrechtzuerhalten. In bestimmten Ausführungsformen können die Automatisierungseinrichtungen 110 eine Steuereinrichtung wie etwa einen Frequenzumrichter umfassen, der die Frequenz des zu einer externen Vorrichtung wie etwa einer Pumpe oder einem Motor (nicht gezeigt) zugeführten Stroms steuert. In bestimmten Ausführungsformen können die Automatisierungseinrichtungen 110 weiterhin einen Transformator, eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) und/oder eine Netzdrossel enthalten.
Die Umhausung 100 enthält auch ein Wärmetauschersystem, das einen Wärmetauscher 120 und eine Platte 130 enthält. Der Wärmetauscher 120 ist mit der Außenseite der Umhausung 102 gekoppelt. Der Wärmetauscher 120 kann auf beliebige Weise mit dem Gehäuse 102 gekoppelt sein, etwa durch eine Schraubverbindung oder durch das Festschrauben eines an dem Wärmetauscher 120 angebrachten Flansches (nicht gezeigt) an dem Gehäuse 102. In bestimmten alternativen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 120 auch in der Nähe des Gehäuses 102 angeordnet, aber nicht an demselben befestigt sein.
Die Platte 130 des Wärmetauschersystems ist in dem Hohlraum 102e angeordnet. In bestimmten Ausführungsformen ist die Platte 130 mit den Automatisierungseinrichtungen 110 gekoppelt. In bestimmten Ausführungsformen ist die Platte 130 auch mit der Seitenwand 102c gekoppelt. Die Platte 130 ist aus einem wärmeleitenden Material hergestellt. Geeignete Beispiele für wärmeleitende Materialien sind etwa Kupfer, Aluminium, Titan, Edelstahl sowie Metalllegierungen und wärmeleitende Polymere. In bestimmten Ausführungsformen kann die Platte 130 aus mehreren dünnen Platten aufgebaut sein. Die Größe und die Form der Platte 130 können auf der Basis der gewünschten Heiz- oder Kühlungsgröße konfiguriert sein. In bestimmten Ausführungsformen ist die Platte 130 aus Kupfer oder Aluminium ausgebildet.
Der Wärmetauscher 120 ist über ein Einlassrohr 134 und ein Auslassrohr 136 mit der Platte 130 verbunden. Das Einlass- und das Auslassrohr 134, 136 sind durch die Seitenwand 102c mit dem Wärmetaucher 120 und der Platte 130 verbunden. Das Einlass- und das Auslassrohr 134, 136 können in der Seitenwand 102c gedichtet sein, um die Beständigkeit der Umhausung 100 gegenüber einer gefährlichen Umgebung aufrechtzuerhalten. In bestimmten Ausführungsformen geben die Automatisierungseinrichtungen Wärme ab, die durch die Platte 130 absorbiert wird. Ein gekühltes Fluid fließt von dem Wärmetauscher 120 durch das Einlassrohr 134. Das gekühlte Fluid tritt in einen Hohlraum (nicht gezeigt) in der Platte 130 ein und absorbiert Wärme von der Platte 130, bevor es die Umhausung 100 über das Auslassrohr 136 als ein erwärmtes Fluid verlässt. Das erwärmte Fluid kehrt zu dem Wärmetauscher 120 zurück, wo es erneut gekühlt wird, bevor es über das Einlassrohr 134 zu der Platte 130 zurückkehrt.
In bestimmten alternativen Ausführungsformen kann die Umhausung 100 Einrichtungen (nicht gezeigt) enthalten, die geheizt werden müssen. In diese Fall fließt ein geheiztes Fluid von dem Wärmetauscher 120 durch das Einlassrohr 134. Das geheizte Fluid tritt in den Hohlraum (nicht gezeigt) in der Platte 130 ein und gibt Wärme zu der Platte 130 ab, wodurch wiederum die Einrichtungen in der Umhausung erwärmt werden, bevor das Fluid die Umhausung 100 durch das Auslassrohr 136 als ein abgekühltes Fluid verlässt. Das abgekühlte Fluid kehrt zu dem Wärmetauscher 120 zurück, wo es erneut erhitzt wird, bevor es über das Einlassrohr 134 zu der Platte 130 zurückkehrt.
Die Wärmetauschersysteme der vorliegenden Erfindung können beliebige Vorrichtungen zum Heizen und/oder Kühlen von Einrichtungen in der Umhausung 100 mittels einer Wärmeübertragung umfassen. Geeignete Beispiele für Wärmetauschervorrichtungen sind etwa Peltiervorrichtungen oder thermoelektrische Kühler, Mantelrohrwärmetauscher, Plattenwärmetauscher und Spiralwärmetauscher. In bestimmten Ausführungsformen ist die Wärmetauschervorrichtung in dem Gehäuse 102 integriert, wobei ein erster Teil der Wärmetauschervorrichtung mit dem Inneren der Umhausung 100 verbunden ist und ein zweiter Teil der Wärmetauschervorrichtung außerhalb der Umhausung 100 angeordnet ist.
In bestimmten Ausführungsformen kann ein Ventilator (nicht gezeigt) in dem Gehäuse 102 in der Nähe der Platte 130 angeordnet sein, um den Wärmetausch zu unterstützen. Der Ventilator kann durch eine interne Stromversorgung wie etwa eine Batterie (nicht gezeigt) mit Strom versorgt werden oder Strom von einer Quelle (nicht gezeigt) außerhalb der Umhausung 100 empfangen. In bestimmten alternativen Ausführungsformen kann ein Ventilator (nicht gezeigt) extern an dem Gehäuse 102 montiert sein, um die Wärmeübertragung zu unterstützen. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass viele verschiedene Konfigurationen mit einem Ventilator möglich sind.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Umhausung 100 ein Steuersystem (nicht gezeigt) zum Überwachen und Steuern des Wärmetauschersystems enthalten. In bestimmten Ausführungsformen überwacht und steuert das Steuersystem einen Ventilator. Das Steuersystem enthält allgemein einen Sensor, der mit einer Steuereinrichtung gekoppelt ist, die das Wärmetauschersystem und/oder den Ventilator steuert. Der Sensor überwacht die Bedingungen in der Umhausung 100 aktiv oder passiv. Auf der Basis der Bedingungen in der Umhausung 100 kann die Steuereinrichtung das Wärmetauschersystem und/oder den Ventilator ein- oder ausschalten. Zum Beispiel kann der Sensor ein Temperaturmesser sein, der die Temperatur in der Umhausung 100 erfasst. Wenn der Sensor angibt, dass die Temperatur in der Umhausung 100 zu hoch ist, schaltet die Steuereinrichtung das Wärmetauschersystem und/oder den Ventilator in der Umhausung 100 ein, um Wärme aus dem Gehäuse 102 nach außen abzuführen. Und wenn der Sensor angibt, dass die Temperatur in der Umhausung 100 niedrig ist, kann die Steuereinrichtung das Wärmetauschersystem und/oder einen außen an der Umhausung 100 montierten Ventilator einschalten, um die Luft in der Umhausung 100 zu heizen. In einigen Ausführungsformen durchläuft das Steuersystem passiv einen Ein/Aus-Zyklus. Zum Beispiel kann das Steuersystem einen derartigen Zyklus durchlaufen, dass das Wärmetauschersystem und/oder ein Ventilator alle dreißig Minuten für jeweils zehn Minuten lang aktiv ist. In bestimmten Ausführungsformen enthält das Steuersystem einen Sensor, der Änderungen der Feuchtigkeit in der Umhausung 100 erfassen kann. Wenn der Sensor erfasst, dass die relative Luftfeuchtigkeit in der Umhausung 100 zu hoch ist, kann das Steuersystem einen Ventilator im Inneren der Umhausung 100 einschalten. In bestimmten anderen Ausführungsformen enthält das Steuersystem einen Sensor, der bestimmen kann, ob eine Explosion stattgefunden hat, indem er eine rasche Temperatur- oder Druckänderung erfasst. Nach dem Erfassen einer internen Explosion meldet der Sensor die Zustandsänderung an die Steuereinrichtung, die die Zustandsänderung wiederum an eine lokale Anzeige (nicht gezeigt) oder drahtlos an einen entfernten Ort meldet. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass das Steuersystem auf verschiedene Weise programmiert sein kann, um die Spezifikationen eines bestimmten Bereichs zu erfüllen, und verschiedene Typen von Sensoren enthalten kann, um verschiedene Zustände in der Umhausung 100 zu bestimmen. In bestimmten Ausführungsformen wird das Steuersystem drahtlos durch einen Benutzer an einem entfernten Ort gesteuert.
Die vorliegende Erfindung ist also wohlausgebildet, um die weiter oben genannten Ziele und Vorteile sowie weitere inhärente Ziele und Vorteile zu erreichen. Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft zu verstehen, wobei die vorliegende Erfindung durch den Fachmann auf der Grundlage der vorliegenden Lehren auf verschiedene Weise modifiziert oder auf äquivalente Weise umgesetzt werden kann. Während also bestimmte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, können auch alternative Konfigurationen mit Wärmetauschern in Verbindung mit einer Umhausung durch den Fachmann realisiert werden. Zum Beispiel kann das Wärmetauschersystem an einer beliebigen anderen Wand der Umhausung oder an einem anderen Teil außerhalb der Umhausung angeordnet sein. Weiterhin wird in den beschriebenen Ausführungsformen nur ein einzelner Wärmetauscher außerhalb der Umhausung verwendet, wobei jedoch eine beliebige Anzahl von Wärmetauschern je nach den gewünschten Wärmübertragungseigenschaften auf der hier gegebenen Lehren verwendet werden kann. Außerdem können die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch verwendet werden, um aktiv kalte Luft aus der Umhausung zur Atmosphäre abzuführen. Der Fachmann kann zahlreiche Änderungen an den hier beschriebenen Ausführungsformen vornehmen, ohne dass deshalb der durch die beigefügten Ansprüche definierte Erfindungsumfang verlassen wird. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen oder gezeigten Details des Aufbaus beschränkt und wird nur durch die beigefügten Ansprüche definiert. Es sollte deshalb deutlich sein, dass die hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen verändert oder modifiziert werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Die in den Ansprüchen verwendete Terminologie ist in ihrem gewöhnlichen Sinne zu interpretieren, soweit nicht ausdrücklich anderslautende Definitionen gegeben werden.

Claims

Umhausungssystem, das umfasst: ein Gehäuse, einen Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher eine erste Wärmetauschkomponente umfasst, die mit einer zweiten Wärmetauschkomponente verbunden ist, wobei die erste Wärmetauschkomponente mit dem Inneren des Gehäuses verbunden ist und die zweite Wärmetauschkomponente außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher aus der Gruppe gewählt ist, die thermoelektrische Kühler, Mantelrohrwärmetauscher, Plattenwärmetauscher und Spiralwärmetauscher umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Wärmetauscherkomponente innerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Wärmetauscherkomponente in einer Wand des Gehäuses integriert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die zweite Wärmetauscherkomponente mit einer Außenseite des Gehäuses gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, das weiterhin Einrichtungen umfasst, die innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und durch den Wärmetauscher gekühlt oder geheizt werden sollen.
System nach Anspruch 6, wobei die erste Wärmetauscherkomponente mit den Einrichtungen gekoppelt ist.
System nach Anspruch 6, wobei die erste Wärmetauschkomponente eine Kühlplatte ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse gedichtet ist.
System nach Anspruch 1, das weiterhin einen Ventilator umfasst, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist oder außen an dem Gehäuse montiert ist.
System nach Anspruch 10, das weiterhin einen mit dem Steuersystem gekoppelten Ventilator umfasst.
System nach Anspruch 1, das weiterhin ein mit dem Wärmetauscher gekoppeltes Steuersystem umfasst.
Explosionssicheres Umhausungssystem, das umfasst: ein Gehäuse mit einem internen Hohlraum, wobei das Gehäuse gemäß Richtlinien für gefährliche Bereiche gedichtet ist, Einrichtungen, die in dem Hohlraum angeordnet sind, eine wärmeleitende Platte, die in dem Hohlraum in der Nähe der Einrichtungen angeordnet ist, einen Wärmetauscher, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, ein Einlassrohr, und ein Auslassrohr, wobei sich das Einlassrohr und das Auslassrohr jeweils durch das Gehäuse erstrecken und den Wärmetauscher mit der Platte verbinden.
System nach Anspruch 13, wobei die Platte eine darin ausgebildete Öffnung aufweist, um ein von dem Einflussrohr fließendes Fluid zu empfangen.
System nach Anspruch 13, das weiterhin ein Fluid umfasst, das von dem Wärmetauscher durch das Einlassrohr zu einer Öffnung in der Platte und durch das Außenrohr zurück zu dem Wärmetauscher fließt.
System nach Anspruch 13, wobei das Einlass- und/oder das Auslassrohr spiralförmig sind.
System nach Anspruch 13, wobei die Platte mehrere miteinander verbundene Platten umfasst.
System nach Anspruch 13, wobei die Einrichtungen durch den Wärmetauscher geheizt oder gekühlt werden sollen.
System nach Anspruch 13, wobei die Einlass- und Auslassrohre dichtend mit einer Wand des Gehäuses gekoppelt sind.
System nach Anspruch 13, das weiterhin einen Ventilator umfasst, der in dem inneren Hohlraum angeordnet ist oder außen an dem Gehäuse montiert ist.
System nach Anspruch 20, das weiterhin ein Steuersystem umfasst, das mit dem Ventilator gekoppelt ist.
System nach Anspruch 13, das weiterhin ein Steuersystem umfasst, das mit dem Wärmetauscher gekoppelt ist.