ITMI20002799A1

ITMI20002799A1 - Procedimento e apparecchiatura per il condizionamento termico di armadi contenenti apparecchiature elettroniche

Info

Publication number: ITMI20002799A1
Application number: IT2000MI002799A
Authority: IT
Inventors: Giuseppe Frigerio; Roberto Polli; Corrado Santambrogio
Original assignee: Siemens Inf & Comm Networks
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-06-22
Also published as: IT1319610B1; EP1217879A3; DE60140293D1; ATE447316T1; EP1217879A2; EP1217879B1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

Campo dell'Invenzione

La presente invenzione si riferisce agli armadi per apparecchiature elettroniche, in particolare per telecomunicazioni, e più in particolare ha per oggetto un procedimento e un'apparecchiatura per ii condizionamento termico di tali armadi.

E' noto che le apparecchiature elettroniche, in particolare di impianti di telecomunicazioni, per operare correttamente devono essere mantenute a temperature delordine di 20-25°C. Nella progettazione delle apparecchiature un aspetto importante è quindi la dissipazione del calore sviluppato dalle stesse. Per questo scopo le varie parti di un'apparecchiatura sono quindi montate su supporti o in contenitori che garantiscano un'elevata dissipazione del calore. Gli armadi destinati a contenere l'apparecchiatura completa sono poi associati a mezzi di condizionamento termico.

Arte nota

Per tale condizionamento termico sono abitualmente previste due soluzioni.

Una prima soluzione fa uso di sistemi di condizionamento attivi (o a circuito chiuso) qualunque sia la temperatura esterna: in questi si raffredda l'aria proveniente dagli armadi e si reintroduce negli armadi l'aria così raffreddata. Esempi di questi sistemi sono descritti in JP-A-11083354 e JP-A-11135972. Questi sistemi, essendo sempre in funzione, presentano un elevato consumo di energia. Inoltre essi danno origine a fluttuazioni a breve termine della temperatura, legate al transitorio del ciclo termico, che riducono il tempo medio tra guasti. Questo è un aspetto importante per apparecchiature, come le stazioni radio base dei sistemi di comunicazione mobile situate in zone relativamente diffìcili da raggiungere da parte dei tecnici addetti alla manutenzione o comunque lontane dai centri di manutenzione.

La seconda soluzione fa uso di un raffreddamento a ventilazione libera (noto come "free cooling"), secondo il quale si introduce nell'armadio aria aspirata dall'ambiente esterno, e si reimmette nell'ambiente esterno l'aria calda proveniente dall'armadio. Un esempio è descritto in WO-A-9414308. I sistemi di raffreddamento a ventilazione libera sono intrinsecamente esenti da fluttuazioni a breve termine, però sono poco efficaci o inutilizzabili laddove non esiste un differenziale sufficiente tra la temperatura esterna e quella interna.

SCOPO e sommario dell’Invenzione

Lo scopo dell'invenzione è di fornire un procedimento e un'apparecchiatura di condizionamento che siano efficaci in qualsiasi condizione climatica, consentano un consumo ridotto di energia e minimizzino le fluttuazioni a breve termine della temperatura.

Il procedimento secondo l'invenzione comprende le operazioni di:

- rilevare la temperatura dell'aria esterna;

- confrontare la temperatura esterna con una soglia superiore e inferiore di temperatura;

- se la temperatura supera la soglia superiore, operare a circuito chiuso, inviando alle apparecchiature aria fredda ottenuta per raffreddamento meccanico deH'aria calda prelevata daH'armadio;

- se la temperatura è al di sotto della soglia inferiore, mantenere disattivati i mezzi di raffreddamento meccanico e operare a circuito aperto, inviando alle apparecchiature aria prelevata dall'ambiente esterno e reimmettendo nell'ambiente l'aria calda prelevata dall'armadio;

se la temperatura esterna si trova in una fascia compresa fra le soglie superiore e inferiore, attivare i mezzi di raffreddamento meccanico e inviare alle apparecchiature un flusso di aria fredda ottenuto raffreddando una miscela comprendente sia aria proveniente dall'armadio e sia aria esterna, in proporzioni dipendenti dai valori di temperatura esterna ed interna.

L'apparecchiatura secondo l’invenzione comprende:

un primo e un secondo ingresso per l'aria, per l'introduzione nell'apparecchiatura di aria proveniente dall'armadio e rispettivamente di aria esterna;

una prima e una seconda uscita per l'aria, per l'invio verso le apparecchiature di aria di raffreddamento e rispettivamente per l'espulsione di aria verso l'ambiente;

mezzi di raffreddamento meccanico dell'aria introdotta nell'apparecchiatura; un'unità logica di controllo per rilevare la temperatura dell'aria esterna all'armadio, confrontarla con una soglia superiore e inferiore di temperatura, attivare i mezzi di raffreddamento meccanico se la temperatura non è inferiore alla soglia inferiore, e, in base alla temperatura esterna, comandare il funzionamento dell’apparecchiatura secondo una di tre condizioni: a) raffreddamento meccanico a circuito chiuso, in cui si raffredda con detti mezzi di raffreddamento e si invia alle apparecchiature aria proveniente dall'armadio, se la temperatura supera la soglia superiore; b) raffreddamento a ventilazione libera, in cui si invia alle apparecchiature aria prelevata dall'ambiente esterno, a temperatura ambiente, e si reimmette nell'ambiente l'aria prelevata dal'armadio, se la temperatura esterna è al di sotto della rispettiva soglia inferiore; c) raffreddamento misto, in cui si raffredda con detti mezzi di raffreddamento e si invia alle apparecchiature una miscela di aria proveniente dal'armadio e di aria esterna, in proporzioni relative dipendenti dalla temperatura esterna e da quella interna, se la temperatura esterna si trova in una fascia delimitata dalle soglie.

Vantaggiosamente, l'apparecchiatura trova sede in un modulo costruttivo incorporato nellarmadio da raffreddare.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche della presente invenzione che sono ritenute innovative formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Altri vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue, fornita a titolo non limitativo e corredata dalle figure allegate in cui:

- la fig. 1 è una vista frontale di un armadio per apparecchiature elettroniche che utilizza il sistema di condizionamento oggetto deH'invenzione;

- la fig. 2 è una vista prospettica di un modulo di armadio contenente l'apparecchiatura di condizionamento dell'invenzione,

- la fig. 3 è una vista schematica in sezione del modulo di fig. 2;

- le figure 4A - 4C sono viste schematiche che illustrano tre diverse condizioni di lavoro deH'apparecchiatura;

- la fig. 5 è un diagramma dì flusso del procedimento; e

la fig. 6 è un diagramma di alcune fasi del raffreddamento misto.

Descrizione di una forma preferenziale di realizzazione dell’Invenzione Con riferimento alle figure 1 - 3, un armadio 1 comprende un certo numero di moduli (tre nell’esempio rappresentato in figura) 2a, 2b, 2c per le apparecchiature elettroniche e i loro dispositivi di alimentazione elettrica, e un ulteriore modulo 3 ospitante il sistema di condizionamento oggetto dell'invenzione. I moduli 2a - 2c sono aperti superiormente per consentire la fuoriuscita dell'aria calda da inviare verso il modulo 3, e inferiormente per l’ingresso di aria fredda proveniente dal modulo 3, come indicato dalle frecce A, B. I moduli 2a - 2c hanno altezza tale da definire, con il soffitto dell'armadio 1 , un'intercapedine 4 per convogliare l'aria calda verso il modulo 3, che a sua volta presenta una parte superiore ribassata posteriormente, come sì vede nel dettaglio nelle figure 2 e 3 ove tale porzione ribassata è stata indicata con il riferimento numerico 5.

Su tale porzione ribassata è formata un’apertura 6 d'ingresso dell'aria calda convogliata dal canale 4. Un'apertura inferiore 7 permette invece l'invio dell'aria fredda verso i moduli 2a-2c, attraverso un'intercapedine analoga all'intercapedine 4, non rappresentata nei disegni.

Il modulo 3 dà sede a un sistema in grado di operare sia a circuito chiuso, sia a ventilazione libera. Secondo l'invenzione, i due tipi di raffreddamento possono essere attivati sia individualmente, sia congiuntamente, secondo le condizioni di temperatura esistenti all'interno e all'esterno dell'armadio 1. In particolare, sono individuate tre fasce di temperatura esterna:

• una fascia alta, in cui si utilizza il solo raffreddamento a circuito chiuso;

• una fascia bassa, in cui si utilizza il solo raffreddamento a ventilazione libera, e

• una fascia intermedia, in cui si utilizzano entrambi.

La parete anteriore del modulo 3 presenta due aperture sovrapposte 8, 9 chiuse da rispettive griglie, che servono per l'emissione verso l'ambiente di aria calda (freccia C) e rispettivamente per l'ingresso dell'aria aspirata dall'ambiente esterna (freccia D) durante il raffreddamento a ventilazione libera.

All'interno del modulo 3. la parte superiore posta dietro le griglie 8, 9 costituisce una sezione o camera 20 di gestione deH’aria, e dà sede a una saracinesca 10, con una sezione verticale a L o ad angolo ottuso, che definisce i percorsi per l'aria richiesti dalle modalità di raffreddamento adottate in quel momento. Nella figura si è indicata in colore grigio la posizione della saracinesca 10 quando è in funzione il solo raffreddamento a circuito chiuso, e in colore bianco la posizione quando è in funzione il solo raffreddamento a ventilazione lìbera. La saracinesca 10 è azionata da un servomotore 11 comandato da un'unità logica di comando 12 montata nella parte inferiore del modulo 3. L'unità 12 è associata ad opportuni sensori, non rappresentati sia della temperatura all’esterno ed all'interno dell'armadio, sia dell'umidità relativa dell'aria esterna, in modo da decidere la modalità di raffreddamento più adatta alle particolari condizioni climatiche. Quando il raffreddamento a circuito chiuso e quello a ventilazione libera operano congiuntamente, l'unità logica è in grado di far assumere alla saracinesca 10 qualsiasi posizione intermedia tra quelle rappresentate in fig. 3. Dispositivi come l'unità 12 sono ben noti nel settore degli impianti di condizionamento.

La parte inferiore interna del modulo 3 costituisce una sezione o camera di evaporazione 21 e dà sede al compressore 13 del sistema di raffreddamento meccanico e a uno sgocciolatoio 14 per l'acqua di condensa.

L'armadio 1 presenta ancora (vedasi figura 1) porte di chiusura 15, 16, e la porta 15 sarà a sua volta munita di aperture 17, 18 di passaggio dell'aria in corrispondenza delle aperture 8, 9. Queste aperture sono dotate di rispettivi filtri: l'apertura 18 è munita di filtro per trattenere le impurità dell’aria, mentre l'apertura 17 è dotata di sistema dì attenuazione del rumore provocato dall'espulsione deH'aria.

Nelle figure 4A - 4C si sono indicati con maggiori dettagli i flussi d'aria corrispondenti all'utilizzo del solo raffreddamento a circuito chiuso, del solo raffreddamento a ventilazione libera e del raffreddamento misto. In queste figure le frecce nere indicano l'aria calda e le frecce bianche aria fredda.

Nella condizione di raffreddamento meccanico o ACTIVE COOLING (Fig. 4A), il braccio superiore 10A della saracinesca 10 si appoggia contro una paratia 22 sporgente verso il basso dal soffitto del modulo, mentre l'altro braccio 10B va ad appoggiarsi contro una paratia 23 prevista in corrispondenza della zona di separazione tra le camere 20, 21. In queste condizioni la saracinesca 10 definisce un passaggio che porta l'aria calda che entra dall'apertura superiore 6 verso la camera di evaporazione 21 (dove viene raffreddata, poiché il compressore 13 è attivo) e di qui verso l'apertura inferiore 7, mentre impedisce il passaggio dell'aria stessa verso l'apertura 9 e la fuoriuscita nell'ambiente attraverso questa. Eventuale aria esterna che entra attraverso l'apertura 9 viene deviata verso l'apertura 8 e reimmessa nell'ambiente, senza partecipare al processo di raffreddamento.

Nella condizione di raffreddamento a ventilazione libera o FREE COOLING (Fig. 4B) il compressore 13 è inattivo e la saracinesca 10 è ruotata in modo che l'estremità libera del braccio 10A poggi contro la parete di fondo del modulo 3 e l’estremità libera del braccio 10B si trovi in corrispondenza della parte inferiore della apertura 8. In queste condizioni la saracinesca 10 definisce un passaggio che porta l'aria calda entrante attraverso l'apertura superiore 6 verso l'apertura 8, per la dispersione nell'ambiente, mentre l'aria esterna che entra attraverso l'apertura 9 viene deviata verso la camera 21 e l'apertura inferiore 7.

Infine, nella condizione di raffreddamento misto o MECHANICAL MIXED COOLING (Fig. 4C), la saracinesca è in una posizione intermedia tra quelle delle figure 4A e 4B, permettendo il passaggio alla sezione di evaporazione 21 sia di aria proveniente daH'armadio attraverso l'apertura 6, sia di aria esterna entrante attraverso l'apertura 9. Il compressore 13 è attivo e quindi anche l’aria esterna viene raffreddata. Le proporzioni relative dei due ingressi di aria dipenderanno dalla particolare posizione della saracinesca, determinata dall'unità logica 14. Questa posizione sarà scelta in funzione della differenza di temperatura tra l'aria interna e quell’esterna e potrà essere variata, a passi discreti o anche in modo continuo, al variare di tale differenza.

Durante le condizioni dì funzionamento corrispondenti alle figure 4B, 4C si effettuerà anche un controllo dell'umidità relativa dell’aria esterna, per passare ai funzionamento a circuito chiuso in caso di condizioni climatiche anomale.

Con un'opportuna scelta delle soglie di intervento si può applicare la condizione di funzionamento corrispondente alla fascia intermedia per la maggior parte del tempo operativo del sistema condizionato durante l'anno. Per esempio, considerando che tipicamente i valori di temperatura delle apparecchiature devono restare compresi tra -20 e 50 °C, la soglia superiore potrà essere compresa per esempio fra 30°C e 50°C, e la soglia inferiore di temperature, fra 10°C e 25°C. Durante il funzionamento nella fascia intermedia potrà aversi una variazione nella posizione della saracinesca se la differenza tra le temperature interna ed esterna varia in misura superiore a una soglia scelta p. es. fra 2°C e 3°C.

La soglia di umidità che fa passare al raffreddamento a circuito chiuso potrà essere compresa per esempio fra 40% e 80%.

Nella fig. 5 si è rappresentato sotto forma di diagramma di flusso il procedimento dell'invenzione. In questo diagramma con Te si è indicata la temperatura dell'aria esterna, con T1 e T2 rispettivamente la soglia superiore e quella inferiore di temperatura e con U la soglia di umidità relativa. Il ciclo rappresentato viene ripetuto a intervalli prestabiliti. Data la descrizione che precede, il diagramma è chiaro e non richiede ulteriori spiegazioni.

Nella fig. 6 si sono rappresentati invece i controlli sulla temperatura esterna e interna effettuati durante il funzionamento a raffreddamento misto. In particolare, si è indicato che se la differenza ΔΤ tra le due temperature, tra due istanti successivi di rilevamento t-1 e t, varia di una quantità superiore a una certa soglia T3, si varia l'angolo della saracinesca 10, in modo da variare le proporzioni tra l'aria esterna e quella interna.

Il vantaggio essenziale dell'invenzione è che si espande il funzionamento a ventilazione libera anche a temperature che altrimenti non lo potrebbero utilizzare, e si ha una riduzione del numero di cicli termici nell'unità di tempo. Ciò riduce le oscillazioni rispetto al funzionamento a circuito chiuso, in cui si utilizza la capacità termica delle apparecchiature per stabilizzare il controllo del sistema di condizionamento: essendo il funzionamento del sistema di tipo on/off, questo genera un ciclo termico oneroso per l’elettronica, soprattutto jn soluzioni compatte come quella descritta, dove l'uscita del condizionatore è direttamente collegata all'ingresso delle apparecchiature. Inoltre si ottiene un considerevole risparmio di energia elettrica rispetto all'uso di un condizionamento a circuito chiuso.

E’ evidente che quanto descritto è dato unicamente a titolo di esempio non limitativo, e che varianti e modifiche sono possibili senza uscire dal campo di protezione dell'invenzione.

Risulta ad esempio possibile inserire uno step aggiuntivo che prevede la misura anche della temperatura interna Ti ed eseguire quindi un confronto tra la temperatura esterna Te all'armadio e la temperatura interna Ti come illustrato in figura 5. Se tale confronto evidenzia che la temperatura interna è uguale o superiore rispetto alla temperatura esterna, si riprende il ciclo di operazioni già descrìtte.

Se invece il suddetto confronto evidenzia che la temperatura interna è al di sotto della suddetta soglia inferiore, ad esempio perché l’armadio è equipaggiato con un numero limitato di apparati, si mantengono disattivati i mezzi di raffreddamento meccanico e si opera a circuito chiuso, inviando alle apparecchiature aria prelevata dall'ambiente interno. In altre parole si opera in accordo ad una sorta di “dose Circuit cooling" durante il quale si invia alle apparecchiature aria prelevata dall’ambiente interno non refrigerata e non aria prelevata dall'ambiente esterno come avviene nel “free cooling” tradizionale.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il condizionamento termico di un armadio contenente apparecchiature elettroniche, comprendente le fasi di: I. rilevare la temperatura deH'aria esterna all’armadio; II. confrontare la temperatura esterna con una soglia superiore e inferiore di temperatura; III. se la temperatura è al di sopra della soglia superiore, operare a circuito chiuso, inviando alle apparecchiature aria fredda ottenuta per raffreddamento meccanico deH'aria calda prelevata dall’armadio; IV. se la temperatura è al di sotto della soglia inferiore, mantenere disattivati i mezzi di raffreddamento meccanico e operare a circuito aperto, inviando alle apparecchiature aria prelevata dall'ambiente esterno e reimmettendo nell'ambiente l'aria calda prelevata dall'armadio; V. se la temperatura esterna si trova in una fascia compresa fra le soglie superiore e inferiore, e inviare alle apparecchiature un flusso di aria fredda ottenuto raffreddando meccanicamente una miscela comprendente sia aria proveniente dall’armadio e sia aria esterna, in proporzioni dipendenti dai valori di temperatura esterna ed interna.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che prevede anche le fasi di: rilevare la temperatura deH'aria interna all’armadio; confrontare il risultato del rilevamento della temperatura esterna con il risultato del rilevamento della temperatura interna; - se il suddetto confronto evidenzia che la temperatura interna è uguale o superiore rispetto alla temperatura esterna, riprendere il ciclo di fasi da I.) a V.), mentre, - se il suddetto confronto evidenzia che la temperatura interna è al di sotto della suddetta soglia inferiore, mantenere disattivati i mezzi di raffreddamento meccanico e operare a circuito chiuso, inviando alle apparecchiature aria prelevata dall'ambiente interno.
3. Procedimento secondo la riv. 1 , caratterizzato dal fatto che dettasoglia superiore di temperatura è compresa fra 30°C e 50°C, e la soglia inferiore di temperatura è compresa fra 10°C e 25°C.
4. Procedimento secondo la riv. 1 e 3, caratterizzato dal fatto che, nella fascia intermedia di temperature, si modificano le proporzioni relative dell’aria proveniente dagli armadi e dell'aria esterna quando si ha una variazione della temperatura relativa compresa tra 2°C e 3°C.
5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che, durante le fasi in cui si invia alle apparecchiature aria esterna, si controlla l'umidità relativa dell'aria esterna e si passa al funzionamento a circuito chiuso se l'umidità relativa supera un valore limite.
6. Procedimento secondo la riv. 5, caratterizzato dal fatto che detto valore limite è compreso fra 40% e 80%.
7. Apparecchiatura per il condizionamento termico di un armadio per apparecchiature elettroniche, comprendente: - un primo e un secondo ingresso per l'aria (6, 9), per l'introduzione nell'apparecchiatura di aria proveniente dall'armadio (1) e rispettivamente di aria esterna; una prima e una seconda uscita per l'aria (7, 8), per l'invio verso le apparecchiature di aria di raffreddamento e rispettivamente per la reimmissione di aria neil'ambiente; - mezzi (13) di raffreddamento meccanico dell'aria introdotta nell’apparecchiatura; - un'unità logica di controllo (12) per rilevare la temperatura del'aria esterna al'armadio (1) .confrontarla con una soglia superiore e inferiore di temperatura, attivare i mezzi di raffreddamento meccanico (13) se la temperatura non è inferiore alla soglia inferiore, e, in base alla temperatura esterna, comandare il funzionamento dell’apparecchiatura secondo una di tre condizioni: a) raffreddamento meccanico a circuito chiuso, in cui si raffredda con detti mezzi di raffreddamento (13) e si invia alle apparecchiature aria proveniente dall'armadio (1), se la temperatura supera la soglia superiore; b) raffreddamento a ventilazione libera, in cui si invia alle apparecchiature aria prelevata dall'ambiente esterno, a temperatura ambiente e si reimmette nell'ambiente l'aria prelevata dal'armadio (1), se la temperatura esterna è sotto la soglia inferiore; c) raffreddamento misto, in cui si raffredda con detti mezzi di raffreddamento (13) e si invia alle apparecchiature una miscela di aria proveniente dall'armadio (1) e di aria esterna, in proporzioni relative dipendenti dalla temperatura esterna e da quella interna, se la temperatura esterna si trova in una fascia delimitata dalie soglie.
8. Apparecchiatura secondo la riv. 7, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi (10) di gestione di flussi d'aria, comandati da detta unità logica (12) e atti a mettere in comunicazione, rispettivamente nelle condizioni di funzionamento a), b) e c): a) ii primo ingresso (6) e la prima uscita (7), attraverso una camera (21) al cui interno sono presenti e attivi i mezzi di raffreddamento meccanico (13); b) il secondo ingresso (9) con la prima uscita (7), attraverso la camera (21) al cui interno i mezzi di raffreddamento meccanico (13) sono inattivi, e il primo ingresso (6) con la seconda uscita (8); c) il primo e il secondo ingresso (6, 9) con la prima uscita (7), attraverso la camera (21) al cui interno i mezzi di raffreddamento meccanico (13) sono attivi.
9. Apparecchiatura secondo la riv. 7 o 8, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di gestione dell’aria comprendono una saracinesca (10) che può essere fatta ruotare da un servomotore (11), su comando dell'unita logica (12) in modo assumere una prima e una seconda posizione di fine corsa, in corrispondenza delle condizioni di funzionamento a) e b), mentre nella condizione di funzionamento c) la saracinesca (10) assume una di una pluralità di posizioni intermedie, ognuna corrispondente a una diversa proporzione relativa di aria proveniente dagli armadi e di aria esterna nella miscela.
10. Apparecchiatura secondo la riv. 9, caratterizzata dal fatto che l'unità logica è collegata a mezzi di rilevamento dell'umidità esterna, ed è atta a portare l'apparecchiatura dalla condizione di funzionamento b) o c) alla condizione a) quando l’umidità relativa supera una certa soglia.
11. Armadio per apparecchiature elettroniche, comprendente una pluralità di moduli (2A...2C) che danno sede alle apparecchiature, e almeno un ulteriore modulo (3) che dà sede ad un'apparecchiatura di condizionamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9.