CN104813756A - 用于布置在开关柜的内部空间中的部件的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有冷却设备(2)的开关柜(1)，所述冷却设备具有封闭的第一冷却介质循环(3)和与所述封闭的第一冷却介质循环(3)流体分隔的封闭的第二冷却介质循环(4)，其中，所述第一冷却介质循环(3)具有制冷机或者冷水机组，并且所述第二冷却介质循环(4)具有热管装置。

Description

用于布置在开关柜的内部空间中的部件的冷却装置
本发明涉及一种用于布置在开关柜的内部空间中的部件的冷却装置，所述冷却装置具有开关柜和冷却设备，该冷却设备具有封闭的第一冷却介质循环和与之流体分隔的第二冷却介质循环，其中，第一冷却介质循环具有制冷机或者冷水机组，并且第二冷却介质循环具有热管装置或者双态温差环流系统。这种冷却装置由文献DE 102 96 928 T2已知。文献DE 690 05 701 T2，US 2003/0057546A1和US 2012/0103571A1同样分别描述了相似的装置。
这种冷却设备通常包括制冷机，在制冷机中在冷却介质循环中沿着冷却介质流动方向相继地布置压缩机、液化器、膨胀器件和蒸发器。制冷机原则上被这样地配置，在极端条件下，即在最大环境温度和同时容纳在开关柜内的部件的最大损耗功率的情况下提供开关柜内部空间的足够的冷却。但是，因为这种极端条件只是特殊情况，所以制冷机大多数时间只是在开-关运行模式下，即在有能效地运行模式下。
此外，制冷机的缺点是具有相对较高的能量消耗。因此原则上希望，借助备选的冷却技术至少部分地提供必需的冷却功率。为此，由现有技术已知冷却设备，它将空气-空气-热交换器与制冷机组合，因而在开关柜的开关柜额定温度和环境空气温度之间有足够大温差的情况下能够仅仅或者至少大多数情况下借助空气-空气-热交换器提供必需的冷却功率。这种组合的冷却设备在本发明的下面阐述中也被称为“混合冷却设备”。具有空气-空气-热交换器的混合冷却设备的缺点是，在环境空气温度超过开关柜温度的情况下，如果空气-空气-热交换器被热的环境空气流过，则加热了开关柜，因此在由现有技术已知的冷却设备中设定昂贵的阀门机构，在所述情况下使环境空气远离热交换器。但是，这种机构非常昂贵并且在手工操作下非常复杂。
通常具有制冷机或者冷水机组的冷却循环将冷却剂导入系统中，并且通常用于冷却冷却介质，被称为“主动的冷却循环”。冷水机组能够在最简单的情况下具有冷水存储器，其中，本领域技术人员可理解到，“水”在冷却领域中不应局限于水，而只是作为现有技术已知的冷却介质或制冷剂的同义词，通常称为“冷却介质”。“被动的”冷却循环不具有相应的制冷机或者冷水机组，它不对冷却介质进行主动冷却。
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供这种类型的具有冷却设备的开关柜，其中，冷却设备设有简单的技术器件，并且在开关柜的开关柜额定温度和环境空气温度之间存在较低的温度差时能够被动地运行，即在没有制冷机或者冷水机组的情况下运行。
所述技术问题根据本发明由具有权利要求1的特征的开关柜所解决。从属权利要求2至6分别涉及本发明的有利的实施方式。
根据本发明的冷却设备具有第一空气通道和第二空气通道，所述第一空气通道具有朝向开关柜的周围环境敞开的第一空气入口和第一空气出口，并且所述第二空气通道具有朝向开关柜的内部空间敞开的第二空气入口和第二空气出口，其中，在第一空气通道中布置热管装置的冷凝区域，并且在第二空气通道中布置热管装置的蒸发区域，并且其中，所述冷凝区域和蒸发区域分别具有空气-冷却介质-热交换器。
热管装置优选包括重力场热管，其中，将蒸发区域布置在冷凝区域的上方。相应地，第一和第二空气通道应至少部分地这样相互布置，使得冷凝区域至少部分地布置在蒸发区域的上方。
此外，在第一空气通道中布置制冷机的液化器或者冷水机组的空气-水-热交换器，并且在第二空气通道中布置制冷机的蒸发器或者冷水机组的空气-水-热交换器。
为了提高根据本发明的冷却设备的功率，在本发明的实施方式中规定，制冷机的液化器沿着穿过第一空气通道的空气流动方向布置在热管装置的冷凝区域的后面，并且制冷机的蒸发器沿着穿过第二空气通道的空气流动方向布置在热管装置的蒸发区域的后面。
为此可以能够设置将热管装置与冷水机组组合的冷却设备，其中规定，冷水机组的空气-水-热交换器沿着穿过第一空气通道的空气流动方向布置在热管装置的冷凝区域的后面，或者沿着穿过第二空气通道的空气流动方向布置在热管装置的蒸发区域的后面。
为了实现第一和第二冷却介质循环的特别紧凑的构造方式以及实现通过蒸发区域的空气-冷却介质-热交换器在第一和第二冷却介质循环之间的热交换，则在本发明的实施方式中规定，蒸发区域的空气-冷却介质-热交换器具有用于第一冷却介质的第一管道系统和用于第二冷却介质的与第一管道系统流体分隔的第二管道系统，其中，第一和第二管道系统热力学地相互耦连，并且其中，第一管道系统是第一冷却介质循环的组成部分，并且第二管道系统是所述第二冷却介质循环的组成部分。
在此，所述蒸发区域的空气-冷却介质-热交换器的第一管道系统具有或者构成所述制冷机的蒸发器或者所述冷水机组的空气-水-热交换器。
备选或者附加地，冷凝区域的空气-冷却介质-热交换器具有用于第一冷却介质的类似的第一管道系统和用于第二冷却介质的与所述第一管道系统流体分隔的第二管道系统，其中，第一和第二管道系统热力学地相互耦连，并且其中，第一管道系统是第一冷却介质循环的组成部分，并且第二管道系统是所述第二冷却介质循环的组成部分。
同样地在上述实施方式中，所述冷凝区域的空气-冷却介质-热交换器的第一管道系统具有或者构成所述制冷机的液化器或者所述冷水机组的空气-水-热交换器。
本发明的其它细节结合下面的附图来阐述。在附图中：
图1示出具有两个流体分隔的且热力学上相耦连的管道系统的热交换器；
图2示出用于壁式结构的混合冷却设备的横截面，该混合冷却设备将热管与由压缩机运行的冷却循环相组合；
图3示出根据本发明的冷却设备，它只具有热管；
图4示出根据本发明的混合冷却设备，它具有在内循环中的冷水机组；
图5示出根据图4的实施方式的变型方案，其中将冷水机组布置在外循环中；
图6示出用于顶盖结构的混合冷却设备，其中，将冷水机组布置在外循环中；
图7示出根据图6所示的冷却设备的变型方案，其中，将冷水机组布置在外循环中；和
图8示出一种混合冷却设备，其中，主动的冷却循环通过旁通通道能够可选地被动地开关。
在图1所示的第二冷却介质循环的空气-冷却介质-热交换器10的实施方式中，该第二冷却介质循环与第一冷却介质循环的蒸发器或空气-水-热交换器12一体式地构成。热交换器10具有第一管道系统13和第二管道系统14，在第一管道系统中导引第一冷却介质循环的第一冷却介质，在第二管道系统中导引第二冷却介质循环的第二冷却介质。管道系统13、14分别由平行的管道构成，所述管道在热交换器10的两个纵向端部之间延伸。在纵向端部上，所述平行的管道这样地相互连接，使得冷却介质在相应的冷却介质去程15和冷却介质回程16之间被导引。在图1中示出的热交换器10被这样地配置，使得气体、例如空气流过它在图中垂直的纵向侧。热交换器10具有多个薄片17，其中相邻的薄片17分别在它们之间构成穿过热交换器的空气流通通道。此外，薄片17还用于热交换的第一和第二管道系统13、14热力学地相互耦连。在之前所述的流过热交换器10的空气的流动方向中，第一和第二管道系统13、14沿着空气流动方向相继地布置。如果第一管道系统13是具有制冷机或冷水机组的冷却循环的组成部分，则第二管道系统4是具有热管装置的冷却循环的组成部分，并且还规定，对流过热交换器10的空气的冷却优选通过热管装置实现，可以规定，制冷机或冷水机组只有在通过热管装置提供的冷却功率不够时才被激活。因为两个冷却循环13、14相互独立地运行，所以对于制冷机或冷水机组的接入不必要去激活热管装置。当主动的冷却循环不运行并且冷却由此通过被动的冷却循环进行时，主动的冷却循环的管道系统13的管道在第一热交换器10中由于借助薄片17实现的热耦连而用于提高被动的冷却循环的管道系统14的冷却功率。即使当主动的冷却循环由此不运行时，它的管道系统13在热交换器10中也不是没用的。更确切地说，它在这种情况下用于提高被动的冷却循环的效率。
图2示出了开关柜1，其中，冷却设备2设计为壁式结构冷却设备。开关柜1包括开关柜内部空间9，其中，在开关柜1的外壁上安放冷却设备2，并且其中开关柜1的内部空间9通过空气入口6和空气出口7与冷却设备2的第二空气通道8可流通地连接。在开关柜1中容纳的空气借助通风机18被传输通过第二空气通道8。在第二空气通道8中安置按照图1所示的根据本发明的第二热交换器10。在第二空气通道8中的热交换器具有蒸发器11.1和热管装置的蒸发区域11.3，其中，蒸发区域11.3沿着穿过第二空气通道8的空气流动方向设在蒸发器11.1之前。冷却设备2具有与第二空气通道8流体分隔的第一空气通道5，该第一空气通道通过空气入口6和空气出口7与开关柜1的周围环境流体相通地连接。通风机18还用于将环境空气通过进口6传入冷却设备2的第一空气通道5中。在第一空气通道5中安置按图1所示的根据本发明的第一热交换器10，该第一热交换器被导引穿过第一空气通道5的空气所流过。在第一空气通道5中的热交换器具有液化器11和热管装置的冷凝区域11.2，其中，冷凝区域11.2沿着第一空气通道5的空气流动方向设在液化器11之前。热交换器10这样地相互流体连接，使得第一热交换器10的第一管道系统13与第二热交换器10的第一管道系统13构成封闭的第一冷却介质循环3，并且第一热交换器10的第二管道系统4与第二热交换器10的第二管道系统4构成封闭的第二冷却介质循环4。
封闭的第一冷却介质循环3在根据图2所示的实施方式中、是由压缩机运行的冷却介质循环，它具有压缩机19和膨胀阀20。因此，第一热交换器10在封闭的第一冷却介质循环3中具有冷凝器的功能，第二热交换器10在封闭的第二冷却循环3中具有蒸发器的功能。
封闭的第二冷却介质循环4构成热管。为此，第一热交换器10被安置在第二热交换器10的上方。封闭的第二冷却介质循环4至少局部地被冷却介质填充。适合用于热管的冷却介质在现有技术中是已知的，并且可包括水。液态的冷却介质在重力条件下贮存在封闭的第二冷却介质循环4的下部区域内，在此设置热管的蒸发区域。这正好构成第二热交换器10。第二热交换器10被传输穿过第二空气通道8的热的开关柜空气所流过。在此，封闭的第二冷却介质循环4的冷却介质被加热，使得该冷却介质至少部分被蒸发。被蒸发的冷却介质在第一热交换器10中上升，它正好构成热管的冷凝区域。第一热交换器10被开关柜1的冷的周围环境空气(借助通风机18被传输通过第一空气通道5)冷却，使得气态的冷却介质在第一热交换器10中冷凝。冷凝的冷却介质在重力作用下从第一热交换器10中重新回到设在低处的第二热交换器10中，能够在那重新被蒸发并且从第二热交换器10上升。
因此，按照图2所示的冷却设备2能够可选地运行三个不同的冷却模式，即只有主动冷却、只有被动冷却或者混合冷却，其中，在混合运行中能够尤其规定，所述被动的冷却过程持续稳定地运行，而主动的冷却过程用于借助被动的冷却过程如此补充提供冷却功率，使得总体上至少达到所需的冷却功率，为此运行主动的冷却过程。
在图3至6中示出，一种和同样的冷却设备结构基本上能够用于实现非常多样化的不同的冷却过程。在此，根据图3至4所示的实施方式涉及一种壁式冷却设备，根据图5和6所示的实施方式涉及一种设计为顶盖结构的冷却设备。
图3示出在内循环中具有冷水机组的混合冷却设备。在第一空气通道5中的第一热交换器10的第一和第二管道系统13、14串联连接，其中它与第二热交换器10的第二管道系统14构成热管。第二热交换器10的剩余的第二管道系统14与冷水源21构成封闭的第二冷却介质循环4和由此构成冷水机组。冷水源21提供了循环通过热交换器10的冷却的水，并且冷水源不是冷却设备2的组成部分。这种附加的主动冷却介质循环4能够因此用于，或者当容纳在开关柜内部空间9中的部件损耗功率的情况下、或者当开关柜1的周围环境温度较高的情况下提供附加的冷却功率，这种冷却功率补充了借助被动的冷却循环3提供的冷却功率，使得总体上可实现足够的开关柜冷却。
尤其在周围环境温度较高的情况下，按照图4所示的结构能够适宜地借助集成在第二空气通道8中的热交换器10来实现附加的主动的冷却介质循环4。
图5和6示出，能够实现与图3和4类似的用于顶盖结构的冷却设备2，该冷却设备具有根据本发明的较高的多样性。在设计为顶盖结构的冷却设备中，对于使用者而言，除了被动的冷却介质循环3之外、可以或者在经过第一热交换器10的外循环中(参见图5)、或者在经过第二热交换器10的内循环中(参见图6)实现主动的冷却介质循环4。
图7示出热管装置的示例性实施方式，如它尤其在顶盖结构冷却设备中的应用方式。
热管装置24包括由垂直导向的管道部段25组成的管道系统。管道部段25分别由成对的平行的管道组成，这些管道在它们的上端部上借助U形的转向件流体地相互连接。在每个管道部段25的下端部上，每个管道部段25的管道汇入共同的总管26中，该总管将管道部段25流体地相互连接。热管装置24通过水平延伸的终端薄片27被分为冷凝区域24.1和蒸发区域24.2，其中，在装配有空气-空气热交换器10时，将冷凝区域24.1布置在冷却设备的第一空气通道内，并且将蒸发区域24.2布置在冷却设备的第二空气通道内。终端薄片27用于热管装置24在转换处的定位和固定，该转换处设在分隔第一空气通道和第二空气通道的中间壁内。管道部段25的管道被导引穿过水平延伸的导热的薄片17，并且在该薄片上热力学地耦连，其中，在相邻的薄片17之间分别设有空气导引缝隙。因此，薄片17正好沿着穿过第一空气通道或第二空气通道传输的空气的运动方向延伸，并且用于改进在蒸发区域24.2或冷凝区域24.1与分别穿过空气通道导引的空气之间的热交换。
在热管装置24的管道系统中事先设有制冷剂，它由于管道部段25的垂直定向由于重力作用尤其汇集到热管装置24的下部区域内，并且由此汇集到总管26内以及蒸发区域24.2内。根据本发明，蒸发区域24.2正好布置在冷却设备的第二空气通道8内，并且由此被来自开关柜内部空间9的热空气流过。热空气能够通过管道或导热的薄片17与在蒸发区域24.2内的冷却介质交换热量，冷却介质由此从液态转变为气态，并且沿着管道进入热管装置24的冷凝区域24.1中。冷凝区域24.1根据本发明正好位于冷却设备2的第一空气通道5中，因而该冷却设备正好被开关柜1的冷的环境空气所环绕。这导致预先设在热管装置24的冷凝区域24.1中的气态的制冷剂能够与通过第一空气通道3传输的环境空气交换热能，由此制冷剂被冷凝，并且在重力作用下从冷凝区域24.1回到蒸发区域24.2中。
可理解到，管道系统和尤其它的管道部段不必精确垂直地定向，也能够实现之前所述的功能。更确切地说，还能够考虑在冷却设备中的热管装置24的弯曲布置，例如用于实现节省空间的、较小构造的冷却设备。
图8示出根据本发明的混合冷却设备2的备选实施方式，该混合冷却设备具有根据本发明的第一和第二热交换器10，它们与封闭的第一冷却介质循环3和封闭的第二冷却介质循环4热力学地相互耦连。封闭的第一冷却介质循环3是主动的冷却介质循环，它在冷却介质流动方向上相继地具有压缩机19、上部热交换器10形式的液化器、膨胀阀20和下部热交换器10形式的蒸发器。压缩机19和膨胀阀20通过分别具有阀23的旁通管道22进行桥接。在阀23的闭合位置上，封闭的第一冷却介质循环3能够主动地运行。如果阀23被打开，热交换器10构成热管装置，并且由此构成被动的冷却介质循环。当第一冷却介质循环3主动地运行时，两个冷却介质循环3、4被这样地相互安置，使得相应的制冷剂沿着相反的方向被传输。在第二冷却介质循环4中，在蒸发器和液化器之间导引第二冷却介质。分别这样地设计液化器和蒸发器，使得两个冷却介质循环3、4通过蒸发器和液化器热力学地相互耦连。液化器在蒸发器上方间隔一定垂直距离地布置。液化器被安置在冷却设备2的由冷却设备的第一部分壳体构成的第一空气通道5中，并且蒸发器以及压缩机19和膨胀阀20被安置在由冷却设备2的第二部分壳体构成的第二空气通道8中。通过第一空气通道5和尤其液化器将开关柜1的周围环境空气借助通风机18传输。通过第二空气通道8和尤其蒸发器将来自开关柜内部空间的热空气借助另一个通风机18传输。在旁通管道22中的阀23优选是可电控的电磁阀。
在第二冷却介质循环4中的第二冷却介质通过热的开关柜空气被加热，该热的开关柜空气穿过第二空气通道8，因此第二冷却介质至少部分被蒸发或者它的密度至少被降低，第二冷却介质沿着第二冷却介质循环4从蒸发器被传入液化器。该液化器被开关柜的冷的环境空气环绕。因此，冷却介质被这样地冷凝或压缩，使得它沿着冷却介质循环4流回到蒸发器中，以便在那里重新被热的开关柜空气加热。如果第一冷却介质循环3同样地处于被动的运行模式中，则在该模式下冷却介质也能够以之前所述的与第二冷却介质循环4相关的运行方式在蒸发器和液化器之间循环。在这种情况下，将第一冷却介质相反于所示的流动方向x地传入第一冷却介质循环3。第一冷却介质在第一冷却介质循环3中的所示流动方向x与在主动运行中在第一冷却介质循环3中所设置的方向相一致。
在前面的说明中、在附图中以及权利要求中公开的本发明的特征能够单独地和以任意组合的方式用于实现本发明。
附图标记列表
1   开关柜
2   冷却设备
3   封闭的第一冷却介质循环
4   封闭的第二冷却介质循环
5   第一空气通道
6   空气入口
7   空气出口
8   第二空气通道
9   开关柜的内部空间
10   空气-冷却介质-热交换器
11   液化器
11.1 蒸发器
11.2 冷凝区域
11.3 蒸发区域
12   空气-水-热交换器
13   第一管道系统
14   第二管道系统
15   冷却介质去程
16   冷却介质回程
17   薄片
18   通风机
19   压缩机
20   膨胀阀
21   冷水源
22   旁通通道
23   阀
24   热管装置
24.1 冷凝区域
2.42 蒸发区域
25   垂直的管道部段
26   总管
27   终端薄片

Claims (7)

1.一种用于布置在开关柜(1)的内部空间(9)中的部件的冷却装置，所述冷却装置具有开关柜(1)和冷却设备(2)，所述冷却设备(2)具有封闭的第一冷却介质循环(3)和与之流体分隔的第二冷却介质循环(4)，其中，所述第一冷却介质循环(3)具有制冷机或冷水机组，并且所述第二冷却介质循环(4)具有热管装置或双态温差环流系统，并且其中，
所述冷却设备(2)还具有第一空气通道(5)和第二空气通道(8)，所述第一空气通道(5)具有朝向所述开关柜(1)的周围环境敞开的第一空气入口(6)和第一空气出口(7)，并且所述第二空气通道(8)具有朝向所述开关柜(1)的内部空间(9)敞开的第二空气入口(6)和第二空气出口(7)，其中，在所述第一空气通道(5)中布置制冷机的液化器(11)或者冷水机组的空气-水-热交换器(12)以及热管装置的冷凝区域或者双态温差环流系统的冷凝区域，并且其中，在所述第二空气通道(8)中布置制冷机的蒸发器或者冷水机组的空气-水-热交换器(12)以及热管装置的蒸发区域或者双态温差环流系统的蒸发区域，并且其中，所述冷凝区域和所述蒸发区域分别具有空气-冷却介质-热交换器。
2.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述制冷机的液化器(11)沿着穿过所述第一空气通道的空气流动方向布置在所述热管装置的冷凝区域(11.2)的后面，并且所述制冷机的蒸发器(11.1)沿着穿过所述第二空气通道的空气流动方向布置在所述热管装置的蒸发区域(11.3)的后面。
3.根据权利要求1所述的冷却装置，其中，所述冷水机组的空气-水-热交换器沿着穿过所述第一空气通道的空气流动方向布置在所述热管装置的冷凝区域的后面，或者沿着穿过所述第二空气通道的空气流动方向布置在所述热管装置的蒸发区域的后面。
4.根据权利要求1至3之一所述的冷却装置，其中，所述蒸发区域的空气-冷却介质-热交换器(10)具有用于第一冷却介质的第一管道系统(13)和用于第二冷却介质的、与所述第一管道系统(13)流体分隔的第二管道系统(14)，其中，所述第一和第二管道系统(13、14)热力学地相互耦连，并且其中，所述第一管道系统(13)是所述第一冷却介质循环(3)的组成部分，并且所述第二管道系统(14)是所述第二冷却介质循环(4)的组成部分。
5.根据权利要求4所述的冷却装置，其中，所述蒸发区域的空气-冷却介质-热交换器的第一管道系统(13)具有或者构成所述制冷机的蒸发器或者所述冷水机组的空气-水-热交换器。
6.根据权利要求1至5之一所述的冷却装置，其中，所述冷凝区域的空气-冷却介质-热交换器(10)具有用于第一冷却介质的第一管道系统(13)和用于第二冷却介质的、与所述第一管道系统(13)流体分隔的第二管道系统(14)，其中，所述第一和第二管道系统(13、14)热力学地相互耦连，并且其中，所述第一管道系统(13)是所述第一冷却介质循环(3)的组成部分，并且所述第二管道系统(14)是所述第二冷却介质循环(4)的组成部分。
7.根据权利要求6所述的冷却装置，其中，所述冷凝区域的空气-冷却介质-热交换器(10)的第一管道系统(13)具有或者构成所述制冷机的液化器或者所述冷水机组的空气-水-热交换器。
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