ТЕРМОСТАТ Российский патент 1997 года по МПК G05D23/30 B01L7/00 

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим поддержание заданного температурного режима как при пониженных, так и при повышенных температурах внешней среды.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является термокамера, содержащая теплоизолированный корпус с размещенной в нем рабочей камерой с образованием между ними воздушных каналов, блок охлаждения, размещенный в потоке воздуха, выходящего из рабочей камеры, блок питания, к выходам которого присоединены входы электрических блоков в виде вентиляторов, размещенных в воздушных каналах, и первого блока регулирования, с выходами которого соединен нагреватель, а с управляющими входами соединен первый задатчик и первый датчик температуры, расположенный в потоке воздуха, поступающего в рабочую камеру после нагревателя, второй датчик температуры, при этом входы блока охлаждения и блока питания соединены с шинами сетевого электропитания.

Недостаток известного устройства состоит в том, что в нем не предусмотрены средства, обеспечивающие возможность временного поддержания температуры при отключениях сетевого электропитания. Это обусловлено тем, что при отключениях сетевого электропитания тепловой поток через теплоизоляцию между объемом рабочей камеры и внешней средой не компенсируется тепловой мощностью данного направления (нагревателя или блока охлаждения). Вследствие этого температура в объеме рабочей камеры начинает изменяться, стремясь к температуре внешней среды.

Технический результате изобретения расширение возможностей термостата путем обеспечения режима временного поддержания температуры в рабочей камере при отсутствии сетевого питания.

Это достигается с помощью термостата, содержащего теплоизолированный корпус с размещенной в нем рабочей камерой с образованием между ними воздушных каналов, блок охлаждения, размещенный в потоке воздуха, выходящего из рабочей камеры, блок питания, к выходам которого присоединены входы электрических блоков в виде вентилятора, крыльчатки которых размещены в воздушных каналах, и первого блока регулирования, с выходами которого соединен нагреватель, а с управляющими входами соединен первый задатчик и первый датчик температуры, расположенный в потоке воздуха, поступающего в рабочую камеру после нагревателя, второй датчик температуры, при этом входы блока охлаждения и блока питания соединены с шинами сетевого электропитания. Кроме того, термостат дополнительно снабжен хладоэлементами и электрическим аккумулятором, при этом хладоэлементы размещены в воздушных каналах между блоком охлаждения и нагревателем, блок питания выполнен в виде выпрямителя, соединенного выходами с одноименными полюсами электрического аккумулятора и с входами электрических блоков, причем хладоэлементы выполнены с возможностью срабатывания при температуре, которая меньше температуры статирования.

Предлагаются варианты конструктивного исполнения термостата, в которых для достижения экономичности:
термостат может быть снабжен вторым блоком регулирования, выходами соединенным с входами блока охлаждения, а входами с шинами сетевого электропитания, и вторым задатчиком температуры, установленным в положении, обеспечивающем возможность достижения максимального значения температуры воздуха на выходе их блока охлаждения, не превышающего температуры срабатывания хладоэлементов, а второй датчик температуры, размещен в потоке воздуха, выходящего из блока охлаждения;
хладоэлементы установлены на теплоизоляции корпуса и снабжены радиаторами, примыкающими к стенкам рабочей камеры;
выпрямитель соединен с электрическим аккумулятором по меньшей мере через один элемент развязки, а элемент развязки выполнен, например, в виде диода, включенного в прямом направлении от выпрямителя к аккумулятору.

На фиг. 1 схематично изображен термостат; на фиг.2 структурная электрическая схема.

Термостат (фиг. 1) содержит корпус 1, теплоизоляцию 2, рабочую камеру 3, воздушные каналы 4, блок охлаждения 5, размещенный в потоке воздуха, выходящего из рабочей камеры 3, электровентилятор 6, крыльчатки которого расположены в воздушных каналах 4, нагреватель 7, первый датчик температуры 8, расположенный в потоке воздуха, поступающего в рабочую камеру 3, прошедшего нагреватель 7.

В воздушных каналах 4 между блоком охлаждения 5 и нагревателем 7 на теплоизоляции 2 корпуса 1 размещены хладоэлементы 9, которые могут быть снабжены радиаторами 10, примыкающими к стенке 11. Хладоэлементы 9 заполнены рабочим веществом, претерпевающим при срабатывании высокоэнергоемкие фазовые переходы 2-го рода "твердое тело-жидкость" и обратно при температуре, котрая меньше температуры статирования Т_ст.

Блок охлаждения 5 размещен в потоке воздуха, выходящего из рабочей камеры 3, а нагреватель 7 в потоке воздуха, прошедшего радиаторы 10. На выходе потока воздуха из блока охлаждения 5 размещен второй датчик температуры 12.

В состав электрической схемы термостата (фиг. 2) также входят второй блок регулирования 13, соединенный выходами со входами блока 5 охлаждения, а входами с шинами 14 сетевого электропитания, второй датчик температуры 12 и второй задатчик температуры 15, подключенные к управляющим входам второго блока регулирования 13, выпрямитель 16, запитываемый от шин 14, выходные клеммы которого соединены, в частности, через развязывающие элементы, например диоды 17, с одноименными полюсами электрического аккумулятора 18. Включение диодов 17 в прямом направлении от выпрямителя 16 к аккумулятору 18. Кроме того, в состав электрической схемы также входит первый блок регулирования 19, соединенный входами (по питанию) с полюсами аккумулятора 18, а выходами с нагревателем 7. С управляющими входами блока 19 соединен первый датчик температуры 8 и первый задатчик температуры 20.

Термостат работает следующим образом.

Для определенности рассмотрим работу термостата при Т_ст < Т_вн, где Т_ст заданная температура статирования рабочей камеры, ^oС; Т_вн температура внешней среды, ^oC.

При подключении термостата к шинам 14 сетевого электропитания, температура блока охлаждения 5 начинает понижаться, обуславливая, в свою очередь, понижение температуры потока воздуха продуваемого через него вентилятором 6 и соответственно хладоэлементов 9 и радиаторов 10, а также рабочей камеры 3 с размещенными в ней объектами.

Когда температура в рабочей камере 3 достигает значения Т_ст ΔT, где ΔT заданная точность статирования, по сигналу, поступающему от датчика температуры 8, первый блок регулирования 19 включит нагреватель 7, который, подогревая поток воздуха, входящего в рабочую камеру 3, приостановит дальнейшее понижение температуры в ее объеме. В дальнейшем блок регулирования 19, осуществляя пропорциональное или позиционное управление величиной тепловой мощности нагревателя 7, обеспечивает поддержание температуры в месте расположения датчика температуры 8 на уровне T_ст ± ΔT, определяемом предварительной установкой значения задатчика температуры 20.

Когда температура потока воздуха Т_в на выходе из блока охлаждения 5 достигнет значения T(Бo)в

<Т_хэ, где Т_хэ температура срабатывания хладоэлементов 9, T(Бo)в температура воздуха на выходе из блока охлаждения 5, начнется процесс отвердевания рабочего вещества в хладоэлементах 9. Как было отмечено выше, максимальная температура воздуха T(Бo)вmax на выходе из блока 5 охлаждения всегда меньше температуры T_хэ, то при работе термостата от сетевого электропитаия хладоэлементы 9 всегда находятся в твердом ("заряженном") состоянии. Это достигается предварительной установкой второго задатчика 15 температуры в положение, при котором на выходе из блока охлаждения 5 всегда соблюдается неравенство: T(Бo)вmax <Т_хэ.

Когда температура воздуха Т_в на выходе из блока охлаждения 5 понизится до значения T(Бo)вмин

сигналы от второго датчика температуры 12 и второго задатчика температуры 15, поступающие вовторой блок регулирования 13, обусловят переход в закрытое состояние и, соответственно, отключение блока охлаждения 5 от сетевого электропитания. В свою очередь, это обусловит повышение температуры потока воздуха, проходящего через блок охлаждения 5 и более экономичный режим работы нагревателя 7. Когда температура потока воздуха Т_в на выходе из блок охлаждения 5, повышаясь достигнет значения T(Бo)вmax, сигналы от второго датчика температуры 12 и второго задатчика температуры 15, поступающие во второй блок регулирования 13 обусловят переход последнего в открытое состояние и соответственно подключение блока охлаждения 5 к шинам 14 сетевого электропитания. В дальнейшем цикл повторяется.

При работе от сетевого электропитания входы таких электрических блоков, как вентилятор 6, блок регулирования 19 с нагревателем 7, а также полюса аккумулятора 18 подсоединены к клеммам выпрямителя 16. Соединение выполняется либо напрямую (пунктирна фиг. 2), либо, в частности, через развязывающие элементы диоды 17.

При отключении сетевого электропитания блок охлаждения 5 со вторым блоком регулирования 13, переходят в отключенное состояние. Все остальные электрические блоки термостата начинают питаться от аккумулятора 18. При этом, благодаря развязывающим элементам диодам 17, исключается протекание тока от аккумулятора 18 в электрические цепи выпрямителя 16, следовательно, нежелательный более ускоренный разряд аккумулятора 18. В этом режиме работы теплопритоки чеpез теплоизоляцию 2 обуславливают повышение температуры воздуха в рабочей камере 3.

Поток воздуха, проходя через радиаторы 10, повышает их температуру, а также температуру находящихся с ними в контакте хладоэлементов 11 до температуры, превышающей Т_фп вещества в хладоэлементах 9. При этом для потока воздуха, проходящего через радиаторы 10, всегда сохраняется неравенство: Т_хэ <Т_ст. Вещество в хладоэлементах 9 начинает переходить в жидкое состояние. Таким образом, компенсация теплопритоков из внешней среды в объем рабочей камеры при отключении стационарной сети электропитания термостата производится на скрытую теплоту фазового перехода вещества из твердого состояния в жидкое.

Температуры Т_в потока воздуха, прошедшего через радиаторы 10, оказывается равной Т_в Т_хэ + ΔT_p, где ΔT_p тепловое сопротивление между потоком воздуха и хладоаккумулирующим веществом.

Так как Т_тэ <Т_ст при соответствующем подборе хладоаккумулирующего вещества значение температуры потока воздуха, перед входом в зону нагрева может оказаться достаточно близким к значению Т_ст. В свою очередь, это определит незначительность величины электрической мощности, потребляемой нагревателем 7 и термостатом в целом.

Длительность τ поддержания заданного режима термостатирования при отключении от сетевого электропитания находится как меньшее из значений, определяемых из выражений

где λ удельная тепла плавления (Дж/кг);
М общая масса теплоаккумулирующего вещества (кг);
W коэффициент теплопроводности теплоизоляции рабочей камеры (Вт. ^oС ^-1
Э_ак энергоемкость аккумулятора (Дж);
W_н электрическая мощность, потребляемая аккумулятором (ВТ0.

Таким образом, благодаря применению в предлагаемом термостате:
хладоэлементов 9 с температурой срабатывания T_тэ, которая меньше температуры статирования, но достаточно близко к ней расположенная;
электрического аккумулятора 18, который при работе термостата от сетевого электропитания подзаряжается, а при отключении последнего осуществляют электропитание всех электрических блоков термостата, достигается возможность обеспечения в течение достаточно длительного промежутка времени заданного режима термостатирования Т_сх.

Повышению экономичности термостата способствует введение в электрическую схему второго блока регулирования 13. В случае применения, например, компрессионного холодильного агрегата регулирование носит позиционный характер в интервале температур
T(Бo)в(мин)

<T_в<T(Бo)в(max)<T_хэ
Кроме того, повышение экономичности достигается при установке на внутренней поверхности корпуса хладоэлементов 9, непосредственно воспринимающих на себя тепловой поток из внешней среды, а радиаторы 10, температура которых более близка к Т_с, примыкают к стенке 11 рабочей камеры 3. Кроме того, при таком варианте размещения хладоэлементов 9 и радиаторов 10 в воздушных каналах 4 увеличивается суммарная толщина теплоизоляции 2 и, тем самым, также уменьшается величина теплопритоков в рабочую камеру 3 и радиаторов 10 в воздушных каналах 4 увеличивается суммарная толщина теплоизоляции 2 и, тем самым, также уменьшается величина теплопритоков в рабочую камеру 3 и величина потребляемой термостатом электрической мощности.

Предлагаемое изобретение было реализовано при разработке транспортного термостата для хранения охлажденной донорской крови.

Результаты испытаний действующего макетного образца термостата показали, что:
установившийся температурный режим составил (+2 + 4)^oС;
температура фазового перехода хладоаккумулирующего вещества 0^oС;
длительность поддержания температуры, не превышающей +6^oС (верхний температурный предел, допускаемый при хранении донорской крови) при значении внешней температуры + (25 30)^oС 36 38 ч;
электрическая мощность, потребляемая электрическими блоками - вентилятором 6, блоком регулирования 19 и нагревателем 7 от аккумулятора 18 при отключении термостата от сетевого электропитания 10 15 Вт.

Предлагаемая тепловая схема термостата может быть использована при разработке транспортных аппаратов для перевозки охлажденной донорской крови, лекарственных средств, требующих особых температурных условий хранения, и других средств.

Использование: в устройствах, обеспечивающих поддержание заданного температурного режима как при пониженных, так и при повышенных температурах внешней среды. Сущность изобретения: термостат, содержащий теплоизолированный корпус с размещенной в нем рабочей камерой с образованием между ними воздушных каналов, блок охлаждения, размещенный в потоке воздуха, выходящего из рабочей камеры, блок питания, к выходам которого присоединены входы электрических блоков в виде вентилятора, крыльчатки которого, размещены в воздушных каналах, и первого блока регулирования, с выходами которого соединен нагреватель, а с управляющими входами соединен первый задатчик и первый датчик температуры, расположенный в потоке воздуха, поступающего в рабочую камеру после нагревателя, второй датчик температуры, при этом входы блока охлаждения и блока питания соединены с шинами сетевого электропитания, дополнительно снабжен хладоэлементами и электрическим аккумулятором, при этом хладоэлементы размещены в воздушных каналах между блоком охлаждения и нагревателем, блок питания выполнен в виде выпрямителя, соединенного выходами с одноименными полюсами электрического аккумулятора и с входами электрических блоков, при этом хладоэлементы выполнены с возможностью срабатывания при температуре, которая меньше температуры статирования. Данная конструкция термостата позволяет расширить возможности термостата путем обеспечения режима временного поддержания температуры в рабочей камере при отсутствии сетевого питания. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Термостат, содержащий теплоизолированный корпус с размещенной в нем рабочей камерой с образованием между ними воздушных каналов, блок охлаждения, размещенный в потоке воздуха, выходящего из рабочей камеры, блок питания, к выходам которого присоединены входы электрических блоков в виде вентилятора, крыльчатки которого размещены в воздушных каналах, нагревателя и первого блока регулирования, с выходами которого соединен нагреватель, а с управляющими входами соединен первый задатчик и первый датчик температуры, расположенный в потоке воздуха, поступающего в рабочую камеру после нагревателя, второй датчик температуры, при этом входы блока охлаждения и блока питания соединены с шинами сетевого электропитания, отличающийся тем, что термостат дополнительно снабжен хладоэлементами и электрическим аккумулятором, при этом хладоэлементы размещены в воздушных каналах между блоком охлаждения и нагревателем, блок питания выполнен в виде выпрямителя, соединенного выходами с одноименными полюсами электрического аккумулятора и с входами электрических блоков, причем хладоэлементы выполнены с возможностью срабатывания при температуре, меньшей температуры статирования. 2. Термостат по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен вторым блоком регулирования, выходами соединенным с входами блока охлаждения, а входами с шинами сетевого электропитания, и вторым задатчиком температуры, установленным в положении, обеспечивающем возможность достижения максимального значения температуры воздуха на выходе из блока охлаждения, не превышающего температуры срабатывания хладоэлементов, а второй датчик температуры размещен в потоке воздуха, выходящего из блока охлаждения. 3. Термостат по п.1, отличающийся тем, что хладоэлементы установлены на теплоизоляции корпуса и снабжены радиаторами, примыкающими к стенкам рабочей камеры. 4. Термостат по п.1, отличающийся тем, что выпрямитель соединен с электрическим аккумулятором по меньшей мере через один элемент развязки. 5. Термостат по п.4, отличающийся тем, что элемент развязки выполнен, например, в виде диода, включенного в прямом направлении от выпрямителя к аккумулятору.