DE10023337A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Notkühlung elektrischer oder elektronischer umfaßter Anlagen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Notkühlung umfaßter elektrischer und verwandter Einrichtungen (1) (z. B. Schaltschränke) weist einen Druckbehälter (3) und eine Düse (7) zur Entspannung der in dem Druckbehälter (3) gehaltenen Gase (4) auf. Im Falle eines Brandes außerhalb der Umfassung (2) wird eine Entspannung der in dem Druckbehälter (3) befindlichen Gase (4) ausgelöst. Die sich infolge der Entspannung abkühlenden Gase werden in das Innere der Einrichtung abgegeben. Die Gase entweichen durch Öffnungen (9) der Umfassung (2) und werden an die Umgebung abgegeben. Dies führt zur Notkühlung der umfaßten Einrichtungen (1 = für einen gewissen Zeitraum, etwa 30 min oder 90 min).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhalt der Funktion von elektrischen oder elektroni­ schen umfaßten Anlagen, insbesondere von elektrischen Schaltanlagen, bei einer äußeren Wärmeeinwirkung, wie z. B. im Falle eines Brandes, außerhalb der Umfassung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1.

An elektrische, elektronische oder optoelektronische Anla­ gen und Einrichtungen, im folgenden vereinfachend als elek­ trische Anlage bezeichnet, werden hohe brandschutztechni­ sche Anforderungen gestellt.

Zur Verringerung des Brandrisikos und zum Schutz gegen äu­ ßere Einwirkungen, werden elektrische Anlagen in ver­ schließbare Gehäuse, z. B. in Schaltschränke, eingebaut. Größere elektrische Anlagen werden in separaten Räumen von Gebäuden (Schalträumen) untergebracht und sogar in separa­ ten Nebengebäuden (Schaltgebäuden).

Durch eine hermetisch verschließbare Umfassung und einen mehrschaligen Aufbau der Wände der Umfassung unter Verwen­ dung wärmedämmender hitzebeständiger Materialien wird er­ reicht, daß bei einem auftretenden Defekt der elektrischen Anlage ein dabei im Inneren der Umfassung entstehender Brand oder Schwelbrand nicht sofort auf das Äußere der Um­ fassung übergreift.

Bekannt sind auch Methoden zur Feststellung einer außerge­ wöhnlichen Wärmefreisetzung bzw. eines außergewöhnlichen Temperaturanstiegs, z. B. durch Infrarotdetektoren. Bei Feststellung einer Brandentstehung wird eine Alarmierung ausgelöst oder werden automatisch aktive Maßnahmen zur Ge­ fahrenabwehr (z. B. Abschaltung) ergriffen. Als aktive Maß­ nahme ist z. B. die Flutung der elektrischen Anlage mit inerten Gasen bekannt. Praktiziert wird die Einleitung von gasförmigem Kohlendioxid in umfaßte Einrichtungen mit Brandherden im Inneren. Auch andere Gase, z. B. Mischungen von Kohlendioxid, Stickstoff und Argon (z. B. Inergen®) oder auch Halone, letztere jedoch nur bis zum Erlaß des Halon- Verbotes, werden bzw. wurden für diesen Zweck verwendet. Die Aufgabe dieser Inertgaseinleitung besteht in dem Ver­ drängen von Luftsauerstoff und dem Ersticken von Flammen. Dem Inertgas werden in einigen Fällen Geruchsstoffe bei­ gefügt, damit leicht erkannt werden kann, daß die inerti­ sierte Atmosphäre nicht atembar ist. Da die Einleitung von Inertgasen dem Löschen eines Feuers dient, wird eine kurze Dauer der Flutung angestrebt. Üblicherweise wird eine Dauer der Flutung in der Größenordnung von ein bis zwei Minuten angestrebt, seltener bis zu fünf Minuten.

Zu den sicherheitstechnischen Anforderungen gehört aber auch die Erhaltung der Funktion im Falle eines Brandes au­ ßerhalb der umfaßten Einrichtung. Dies ist notwendig bei Einrichtungen, die selbst sicherheitsrelevant sind, z. B. Brandmeldeanlagen, Alarmierungssystemen, Steuerungen von Rauchabzügen, Regelungen zur Prozeßsteuerung in chemischen Fabriken oder Kraftwerken, Schaltschränken, in denen emp­ findliche Meßgeräte untergebracht sind, Einrichtungen zur Informationsverarbeitung (Computer, Netzwerkkomponenten, Telefonanlagen) oder Einrichtungen zur Speicherung von Energie (Notstrom-Akkumulatoren-Anlagen) etc.

Nachteilig an den nach dem Stand der Technik ausgeführten Anlagen ist der Verlust der Funktion im Falle eines äußeren Brandes nach bereits kurzer Einwirkungsdauer des äußeren Brandes. Die Nachteile entstehen primär durch hohe Tempera­ turen außerhalb der umfaßten Einrichtung. Dies bewirkt zum einen eine Wärmeübertragung auf die umfaßte Einrichtung selbst. Zum anderen wird in den Bauelementen der umfaßten Einrichtung infolge des elektrischen Widerstandes elektri­ sche Energie in Wärme umgewandelt und freigesetzt. Beide Wärmeströme gemeinsam führen zu einer Temperaturerhöhung im Inneren der umfaßten Einrichtung über die technisch beding­ te maximal zulässige Betriebstemperatur hinaus und damit zu einem unerwünschten Verlust der Funktion.

Ein Temperaturanstieg kann in besonderen Fällen z. B. durch eine herkömmliche Kälteanlage (z. B. durch eine Kompres­ sionskälteanlage) oder eine kühlwassergespeiste Notkühlung -verhindert werden. Dies setzt allerdings voraus, daß im Brandfall ausreichend Hilfsenergie, die Kälteanlage zu be­ treiben, bzw. ausreichend Kühlwasser mit passender Tempera­ tur und passendem Druck sicher zur Verfügung steht.

Im Fall äußerer Wärme- oder Wärmestrahlungseinwirkung ist allerdings die notwendige Abwärmeabfuhr an die Umgebung der umfaßten Einrichtung problematisch. Sie setzt die sichere Bereitstellung eines Kühlmediums (Kühlwasser, Kühlluft, o. ä.) voraus, was praktisch kaum zu realisieren ist. Die Verwendung einer herkömmlichen Kälteanlage stellt aus den dargelegten Gründen keine zufriedenstellende Möglichkeit zum sicheren Erhalt der Funktion der umfaßten Einrichtung im Falle eines äußeren Brandes dar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Dauer eines Funktionserhaltes einer elektrischen Anlage im Falle eines äußeren Brandes oder sonstigen außergewöhnlichen Wär­ mezufuhr deutlich zu verlängern gegenüber Ausführungen der­ artiger Anlagen nach dem Stand der Technik. Nach Möglich­ keit soll die elektrische Anlage solange geschützt werden, bis der Brand und/oder die extreme Wärmezufuhr gelöscht bzw. unterbrochen werden kann/können.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren er­ findungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Umstand aus, daß bestimmte Stoffe, insbesondere jene als Kältemittel be­ zeichnete Stoffe (z. B. Kohlendioxid R744) und Gase bei ei­ ner Druckabnahme verdampfen oder sich abkühlen und Wärme aufnehmen können.

Erfindungsgemäß wird die umfaßte Einrichtung mit einem Druckbehälter ausgestattet, der ein geeignetes Fluid ent­ hält. Geeignet sind Fluide, die bei erhöhtem Druck und bei der Betriebstemperatur der umfaßten Einrichtung als Flüs­ sigkeit, Gas oder Naßdampf vorliegen, bei Normaldruck und der Betriebstemperatur der elektrischen Anlage aber in gas­ förmigem Zustand vorliegen. Zu diesen Stoffen zählen z. B. halogenierte Kältemittel (R23, R134a, R143, RC318). Vor­ zugsweise läßt sich erfindungsgemäß Kohlendioxid (R744) einsetzen, ggf. unter Zusatz von Stickstoff bzw. Argon.

Bedingt eignen sich auch Druckgase (z. B. Stickstoff) mit einem kritischen Druck unterhalb der Betriebstemperatur der umfaßten Einrichtung. Diese Druckgase weisen aber Nachteile gegenüber Kältemitteln auf.

Im Normalbetrieb ist dieser Druckbehälter mit gasförmigem und flüssigem Kältemittel gefüllt. Als Temperatur des Druckbehälters stellt sich im Normalbetrieb durchschnitt­ lich eine Temperatur in Höhe der Betriebstemperatur der um­ faßten Einrichtung ein.

Im Brandfall bzw. im Falle des unerlaubten Temperaturan­ stiegs der umfaßten Einrichtung wird über eine Leitung dem Druckbehälter gasförmiges Kältemittel entzogen und ent­ spannt. Zur Entspannung werden vorzugsweise Düsen, insbe­ sondere Laval-Düsen, benutzt. Bei dieser Entspannung tritt eine Abkühlung des gasförmigen Fluids auf. Bei den meisten der verwendbaren Fluide tritt bei dieser Entspannung keine oder nur eine geringe Phasenumwandlung (Kondensation, De­ sublimation) auf. Das entspannte gasförmige Fluid vermischt sich mit der Atmosphäre innerhalb der umfaßten Einrichtung. In dem Druckbehälter befindliches flüssiges Kältemittel verdampft während dieses Vorgangs.

Zur Vermeidung eines ungewünschten Druckanstiegs und zur Abfuhr der in Form von Wärmeströmen aufgenommenen Enthalpie der umfaßten Einrichtung entweicht erfindungsgemäß gasför­ miges Fluid über eine Öffnung oder mehrere Öffnungen in der Umfassung und gelangt dabei in die Umgebung. Die entwei­ chenden Gase können vorteilhaft durch geeignete Strömungs­ wege bzw. Hohlräume in der Umfassung geleitet werden. Hier­ durch kann eine zusätzliche kühlende Wirkung auftreten. Ge­ eignet ist ein schichtartiger Aufbau der Umfassungswände, wobei einige der Schichten nicht in unmittelbarem Kontakt stehen, sondern durch einen Spalt voneinander getrennt sind. Die entweichenden Gase können zur Unterstützung der Kühlwirkung durch derartige Spalte geleitet werden, in de­ nen sich das gasförmige Medium weiter überhitzt.

Da die Druckentspannung des fluiden Mediums primär dem Ent­ zug von Wärme aus dem Inneren der umfaßten Anlage (Abwärme) und der Abfuhr des im Fall eines Brandes außerhalb der Um­ fassung ständig auftretenden, von außen nach innen gerich­ teten Wärmestroms (Wärmedurchgang) dient, ist es erforder­ lich, daß diese Wärmeabfuhr nicht nur durch eine kurzzeitig auftretende Entspannung eines fluiden Mediums erfolgt, wie dies bei den bekannten Brandraumflutungen mit Inertgasen auftritt. Vielmehr ist es erforderlich, daß die Druckent­ spannung in dem gesamten Zeitraum der Einwirkung des Bran­ des bzw. in dem Anteil des Zeitraums, in dem ein Funktions­ erhalt angestrebt wird, aufrechterhalten wird. Angestrebt werden Zeiträume im Bereich oberhalb von 15 min. vorzugs­ weise 30 min. 60 min oder auch 90 min. Dabei ist es mög­ lich, aber nicht unbedingt zweckmäßig, eine intermittieren­ de Druckentspannung zu realisieren. Die um Unterbrechungs­ zeiten bereinigte Dauer der Druckentspannung beträgt erfin­ dungsgemäß dabei mindestens 15 min und übersteigt damit signifikant die Ausblasdauer bei bekannten Brandraumflutun­ gen.

Eine vorteilhafte Ausführung der Umfassungswände besteht aus einer Kombination mehrerer Materialien, wobei metalli­ sche Bleche mit oder ohne Verspiegelung oder blanker Be­ schichtung, Isoliermaterialien, keramische Materialien mit offenporiger Struktur oder geschlossenen Poren und minera­ lische Materialien mit geringer Temperaturleitfähigkeit verwendet werden können. Vorteilhaft ist auch die Verwen­ dung von Materialien, in denen unter dem Einfluß erhöhter Temperaturen Phasenumwandlungen auftreten (z. B. Gips).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden an­ hand der Zeichnung erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Notkühlung elektrischer Anlagen.

Eine elektrische Anlage 1 ist mit einer Umfassung 2, z. B. einem Gehäuse oder einem Schaltschrank, versehen. Ein eben­ falls innerhalb der Umfassung 2 angeordneter Druckbehälter 3 ist mit einem teils flüssigen, teils gasförmigem Kälte­ mittel 4, etwa Kohlendioxid R744, gefüllt. Der Druck in dem Druckbehälter 3 liegt deutlich über dem Druck (z. B. im Be­ reich zwischen 34,8 bar und 72 bar) der Atmosphäre im Inne­ ren der elektrischen Anlage 1. Die äußere Oberfläche des Druckbehälters 3 kann zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit einer nicht dargestellten Berippung versehen sein. Die Form des Druckbehälters 3 kann von der in der Figur dar­ gestellten Form abweichen.

Der Druckbehälter 3 verfügt über mindestens eine als Abbla­ seleitung bezeichnete Leitung 5, über die z. B. im Falle ei­ nes Brandes das Kältemittel 4 dem Behälter 3 entweichen kann. In dieser Leitung 5 ist ein Verschlußorgan 6 angeord­ net, das im Normalbetrieb der elektrischen Anlage 1 ge­ schlossen ist. Das Verschlußorgan 6 kann, wie dargestellt, ein automatisch angesteuertes Ventil, ein selbststeuerndes Ventil oder auch eine Berstscheibe sein. Ebenfalls in der Abblaseleitung 5 ist eine Düse 7 oder eine Drossel angeord­ net, die bei geöffneter Abblaseleitung 5 zu einer Absenkung des Druckes führt. Die Reihenfolge von Düse 7 und Ver­ schlußorgan 6 ist beliebig, in der dargestellten Reihenfol­ ge jedoch günstig.

Die Öffnung des Verschlußorgans 6 wird durch einen optiona­ len Controler 8 ausgelöst und erfolgt z. B. nach Maßgabe ei­ ner Temperatur im Inneren der Umfassung 2, z. B. nach Maßga­ be der Oberflächentemperatur eines sensiblen Bauteils oder mehrerer Bauteile der elektrischen Anlage 1, die z. B. durch Thermometrie oder Thermographie festgestellt wird oder nach Maßgabe der Temperatur der Atmosphäre innerhalb der Umfas­ sung 2 oder nach Maßgabe der Temperatur einer geeigneten Stelle der Umfassung 2, nach Maßgabe einer externen Auslö­ sung, z. B. einer Brandalarmierung oder Rauchmeldung oder manueller Fernauslösung, durch Ausfall der Hilfsenergie bei Verwendung eines in diesem Zustand offenen Ventils, z. B. eines "stromlos-offenen"-Magnetventils, durch Überschrei­ tung eines Grenzwertes für den Innendruck des Druckbehäl­ ters, durch manuelle Auslösung oder nach Maßgabe einer Kom­ bination mehrerer der genannten Auslösekriterien.

Die in der Figur dargestellten gestrichelten Linien 10, 11, 12 und 13 deuten Signale an, nach deren Maßgabe der Con­ troler 8 das Öffnen des Verschlußorganes 6 veranlaßt.

Zur Steigerung der Übersichtlichkeit der Figur sind für die Erfindung nicht wesentliche, aber trotzdem erforderliche Details, wie z. B. ein Füllstutzen, ein Entleerungsstutzen, ein Manometer sowie ein Sicherheitsventil, nicht darge­ stellt.

Verschlußorgan 6 und Düse 7 können auch in einem Bauteil kombiniert werden.

Nach Austritt aus der Düse 7 und erfolgter Druckentspannung vermischt sich das austretende Kältemittel 4 mit der übri­ gen, innerhalb der Umfassung vorhandenen Atmosphäre. Nicht in der Figur dargestellt ist, daß durch zielgerichtete An­ ordnung der Austrittsöffnung der Düse 7 unter Verlängerung der Abblaseleitung 5a einzelne Bauteile auch gezielt ge­ kühlt werden können, sofern dies vorteilhaft erscheint.

Ein Druckanstieg innerhalb der Umfassung 2 wird begrenzt durch eine oder mehrere Öffnungen 9 der Umfassung 2 mit ei­ ner Verbindung 14 zur Umgebung. Vorteilhaft ist die Durch­ leitung des abströmenden Kältemittels durch mehrschichtige Umfassungswände 2 mit einem Abstand zwischen benachbarten Schichten. Bei der Durchströmung kann das entweichende gas­ förmige Fluid Wärme aufnehmen, die im Falle eines Brandes außerhalb der Umfassung 2 infolge eines Wärmedurchgangs von außen in Richtung des Inneren der Umfassungswände 2 strömt und damit zu einer Kühlung der innerhalb des Umfassung 2 befindlichen elektrischen Anlage 1 beiträgt. Hierdurch kann ein Temperaturanstieg infolge des äußeren Brandes vermieden oder stark verzögert werden.

Die Anwendung des Verfahrens kann sinnvoll sein im Zusam­ menhang mit dem Schutz vor Einwirkungen von Bränden außer­ halb der Umfassungen 2 der elektrischen Anlage 1. Insbeson­ dere lassen sich mit diesem Verfahren Schaltschränke und Schalträume oder einzelne separate Baugruppen wirkungsvoll schützen. Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich für elektri­ sche Einrichtungen in Gebäuden besonderer Art oder Nutzung im Sinne der DIN 4102, z. B. Räume mit größeren Menschenan­ sammlungen, Hochhäuser, Krankenhäuser oder für Meß- und Re­ geleinrichtungen in technischen Anlagen der chemischen In­ dustrie bzw. der Kraftwirtschaft oder in mobilen Einrich­ tungen, wie Seeschiffen oder Luftfahrzeugen, aber auch zum Funktionserhalt informations- und/oder nachrichtentechni­ scher Anlagen oder zum Schutz wichtiger Dokumente in Treso­ ren u. dgl.

Claims (13)

1. Verfahren zur Notkühlung insbesondere elektrischer, elek­ tronischer, optoelektronischer, magnetischer, magnetopti­ scher und/oder informationstechnischer räumlich umfaßter Anlagen und Einrichtungen zur Begrenzung der Temperaturen innerhalb einer Umfassung unter dem Einfluß einer Wärme- und/oder Wärmestrahlungseinwirkung von außerhalb der Umfas­ sung, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Umfassung (2) eine allmähliche Druckent­ spannung und druckentspannungsbedingte Abkühlung und/oder Verdampfung eines in einem Druckbehälter (3) bei hohem Druck vorliegenden, wenigstens teilweise gasförmigen flui­ den Mediums (4) über einen zur Eindämmung der von außerhalb einwirkenden Wärme- und/oder Wärmestrahlungseinflusses aus­ reichenden, längeren Zeitraum vorgenommen, das druckent­ spannte und abgekühlte oder verdampfte fluide Medium (4) mit der im Inneren der Umfassung (2) befindlichen Atmosphä­ re vermischt und über wenigstens eine Öffnung (9, 14) der Umfassung (2) zur äußeren Umgebung abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitraum der Druckentspannung mit druckentspan­ nungsbedingter Abkühlung oder Verdampfung wenigstens 15 min. vorzugsweise ≧ 30 min beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als fluides Medium (4) ein Kältemittel verwendet wird, das bei der Betriebstemperatur der umfaßten Einrichtung (1) und dem Druck im Inneren des Druckbehälters (3) eine gas­ förmige und eine flüssige Phase aufweist, bei Betriebstem­ peratur und dem Innendruck der umfaßten Einrichtung (1) je­ doch nur in gasförmiger Form vorliegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als fluides Medium (4) wenigstens überwiegend Kohlen­ dioxid verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als fluides Medium (4) ein nicht brennbares und nicht die Verbrennung unterstützendes Druckgas mit einer kriti­ schen Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur der um­ faßten Einrichtung (1) verwendet wird, das vor Auslösung der Druckentspannung in einem Druckbehälter (3) bei Drücken oberhalb von 20 bar, vorzugsweise oberhalb 150 bar, gehal­ ten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder wenigstens einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckentspannung mittels wenigstens einer Laval- Düse durchgeführt und der Massenstrom des ausströmenden fluiden Mediums (4) begrenzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder wenigstens einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckentspannungsvorgang durch eine instrumentell (8) festgestellte, von außerhalb der Umfassung (2) auf de­ ren Inneres einwirkende Wärmeeinwirkung und/oder Wärme­ strahlungseinwirkung ausgelöst wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder wenigstens einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die im Inneren der Umfassung (2) erfindungsgemäß frei­ gesetzten Gase (4) durch Hohlräume innerhalb der Umfas­ sungswände (2) geleitet und erst im Anschluß an eine Durch­ leitung durch diese Hohlräume an die Umgebung abgegeben werden.

9. Vorrichtung zur Notkühlung insbesondere elektrischer, elek­ tronischer, optoelektronischer, magnetischer, magnetopti­ scher und/oder informationstechnischer räumlich umfaßter Anlagen und Einrichtungen zur Begrenzung der Temperaturen innerhalb einer Umfassung unter dem Einfluß einer Wärme- und/oder Wärmestrahlungseinwirkung von außerhalb der Umfas­ sung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und/­ oder wenigstens einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckbehälter (3) im Inneren der Umfassung (2) an­ geordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbehälter (3) durch Berippung eine vergrößerte äußere Oberfläche aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 und/oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Umfassungswände (2) mehrschichtige Wände vorgesehen und wenigstens zwei benachbarte Schichten in der Weise zu­ einander beabstandet sind, daß sich zwischen diesen Schich­ ten ein Hohlraum ergibt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9 und/oder wenigstens einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckentspannung des Mediums (4) wenigstens eine Laval-Düse (7) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfassungswände (2) aus verschiedenen Materialien, wie metallischen Blechen mit oder ohne Verspiegelung oder blanke Bleche, Isoliermaterialien, keramischen Materialien mit offenporiger Struktur oder geschlossenen Poren und/oder mineralischen Materialien mit geringer Temperaturleitfähig­ keit und/oder Materialien, die unter dem Einfluß erhöhter Temperaturen Phasenumwandlungen vollziehen, insbesondere Gips, gebildet sind.