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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regulierung der Temperatur in einem Innenraum eines Gehäuses, insbesondere einem Instrumentenschutzkasten, für elektrische Komponenten, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Regulierung der Temperatur in einem Innenraum eines Gehäuses, insbesondere einem Instrumentenschutzkasten, für elektrische Komponenten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5. Weiter betrifft die Erfindung ein Gehäuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
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In Prozessanlagen, wie beispielsweise in Chemie- und Raffinerieanlagen, werden für Messungen vor Ort installierte Messgeräte, sogenannte Feldgeräte, verwendet. Derartige Feldgeräte sind ein wesentlicher Bestandteil für die Überwachung und den Betrieb des Gesamtsystems sowie auch notwendiger Bestandteil, um eine erforderliche Betriebssicherheit zu gewährleisten. Um die Betriebssicherheit und die Funktionsfähigkeit der empfindlichen elektronischen Feldgeräte selbst sicherzustellen, ist es bereits allgemein bekannt, diese zu umhausen und zu klimatisieren. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Schutzkastens, wie er in der
DE 44 42 944 A1 und in der
DE 102 26 986 A1 beschrieben ist.
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Aus der
DE 101 46 239 A1 ist weiter eine elektrische Heizung zur Innenraumbeheizung eines derartigen Instrumentenschutzkastens bekannt, die eine eingestellte Innenraumtemperatur möglichst genau einregelt, um vor allem Schutzvorschriften hinsichtlich eines Berührungsschutzes und gegebenenfalls eines Explosionsschutzes einzuhalten. Insbesondere kann mit einer derartigen Heizung sichergestellt werden, dass die Schutzkasten-Innenraumtemperatur stets in einem vorgegebenen Temperaturfenster gehalten werden kann. Dadurch können große Temperaturschwankungen, die zu einer Feuchtigkeitsbildung im Schutzkasten-Innenraum führen können, die wiederrum die Messgeräte als solche beeinträchtigen können, zuverlässig vermieden werden.
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Ferner sind Latentwärmespeicher aus sogenannten Phase Change Materials (PCM), das heißt Phasenwechselmaterialien allgemein bekannt. Wird einem festen PCM Wärme zugeführt, ändert dieses bei Erreichen seiner Schmelztemperatur seinen Aggregatzustand von fest nach flüssig und absorbiert während dieses Phasenwechsels eine bestimmte Wärmemenge als sogenannte Schmelzwärme. Trotz Wärmezufuhr ändert sich hierbei die Temperatur des PCM's nicht, so dass die Wärme als latente (versteckte) Wärme zwischengespeichert wird. Bei einem Wärmeentzug durchläuft das PCM einen umgekehrten Phasenwechsel von flüssig zu fest und die gespeicherte Latentwärme wird wieder bei konstanter Temperatur abgegeben. PCM-Speichermaterialien stehen insbesondere als Latentwärmeparaffine oder als Salzhydrate mit unterschiedlichen Schmelzpunkten als Granulate zur Verfügung.
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Der Einsatz eines Phasenwechselmaterials ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 05 034 546 A1 bekannt, bei der eine Leiterplatte mit sogenannten Schmelzkörpern bestückt ist, um die Verlustwärme von elektrischen Komponenten, mit denen die Leiterplatte ebenfalls bestückt ist, in eine Gehäuseumgebung eines die Leiterplatte umgebenden Gehäuses abzuführen.
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Aus der
DE 20 2008 000 949 U1 ist eine Vorrichtung bekannt, die aus einer Verlustenergie in Form von Abwärme abgebenden elektronischen Schaltung und einer Kühleinheit besteht, wobei die elektronische Schaltung temporär bzw. mit schwankender Leistung in Betrieb ist, die Kühleinheit einen ein Wärmespeichermedium umfassenden Wärmespeicher aufweist und die Größe des Wärmespeichers so gewählt ist, dass der Wärmespeicher die in einem Zeitintervall aufgenommene Verlustenergie innerhalb dieses Zeitintervalls wieder möglichst vollständig abgibt. Auch hier sollen elektronische Baugruppen, die Verlustenergie in Form von Wärme abgeben, gekühlt werden. Anstelle von Wasser als Kühlmedium kann auch einen Phasenwechselmaterial eingesetzt werden.
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Die
DE 102 14 316 A1 betrifft ein Kameragehäuse für eine Kamera wie sie im Rahmen von Zustandsüberwachungen von Industrieschornsteinen verwendet werden. Bei einem solchen Einsatz werden Kameras sehr hohen Rauchgastemperaturen und Rußpartikelkonzentrationen ausgesetzt. Um für einen derartigen Einsatz ein Kameraschutzgehäuse zu schaffen, das unter extremen äußeren klimatischen Bedingungen ohne externe Hilfsmittel ein Gehäuseinnenklima, in welchem eine Kamera im mobilen Einsatz funktionsgerecht arbeiten kann, ist vorgesehen, dass zwischen dem Außengehäuse und dem Innengehäuse des Schutzgehäuses ein äußerer Ringraum ausgebildet ist, in welchem ein Isoliermedium zur Wärmeisolierung angeordnet ist. Das Innengehäuse weißt weiter eine äußere und eine innere Wand auf, die einen inneren Ringraum begrenzen, in welchem ein Wärmespeichermedium zur Wärmespeicherung angeordnet ist.
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Aus der
DE 35 46 403 C2 ist ein Flugschreiber mit einem Wärmeschutzgehäuse bekannt, bei dem wärmeempfindliche Gegenstände in einem wärmeabsorbierenden Material eingebettet sind. Das wärmeabsorbierende Material ist Pentaerythrit mit dem ein Fest-Fest-Phasenübergang möglich ist.
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Aus der
US 2002/0144834 A1 ist ein Aufnahmegerät bekannt, das mit einem Phasenwechselmaterial ausgestattet ist, um im Brandfall die Lebensdauer des Gerätes zu erhöhen.
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Ein ähnlicher Aufbau ist auch aus der
US 2002/0080577 A1 bekannt, bei der innerhalb einer Prozessoreinheit ein Phasenwechselmaterial positioniert wird, um Wärme aufzunehmen.
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Aus der
US 6,153,720 ist ein Flugschreiber bekannt, der mit einem Phasenwechselmaterial ausgestaltet ist um eine erhöhte Wärmebeständigkeit des Bauteils auszubilden.
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Die
DE 101 46 239 A1 betrifft weiterhin eine elektrische Heizung mit einem Heizkörper, bei der die Heizleistung der elektrischen Heizung abhängig von der Umgebungstemperatur durch einen Bi-Metall-Knopfthermostat geregelt wird.
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Und schließlich beschreibt die
DE 10 2005 051 570 A1 einen temperaturstabilisierten Container, der doppelwandig ausgeführt ist, wobei der Raum zwischen den Wandungen mit einem Phasenwechselmaterial gefüllt ist. Das Phasenwechselmaterial soll bei ansteigender Außentemperatur eine große Wärmemenge aufnehmen bzw. bei fallender Außentemperatur eine große Wärmemenge abgeben und so den Innenbereich vor Erwärmung und Abkühlung schützen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Regulierung der Temperatur in einem Innenraum eines Gehäuses, insbesondere einem Instrumentenschutzkasten, für elektrische Komponenten zur Verfügung zu stellen, mittels dem bzw. mittels der eine Innenraumklimatisierung eines Instrumentenschutzkastens auf einfache und effektive Weise möglich wird.
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Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner wird diese Aufgabe bezüglich der Anordnung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu sind jeweils Gegenstand der darauf rückbezogenen Unteransprüche. Bezüglich des Gehäuses wird diese Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Regulierung der Innenraumtemperatur eines Gehäuses mittels einer elektrischen Heizeinrichtung und eines Phasenwechselmaterials (PCM), das bei Erreichen oder Überschreiten einer vorgegebenen Innenraumtemperatur seinen Aggregatzustand ändert und Wärme aus dem Schutzkasten-Innenraum dergestalt aufnimmt, dass die Innenraumtemperatur einen vorgegebenen Temperaturmaximalwert nicht überschreitet, wobei mittels der Heizeinrichtung die Innenraumtemperatur auf einen vorgegebenen Sollwert der Innentemperatur einregelbar ist.
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Bei dem Gehäuse handelt es sich um einen Instrumentenschutzkasten. Unter einem Instrumentenschutzkasten werden dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur Boxen, wie zum Beispiel an einer Prozessleitung freitragend gehaltene Schutzkästen verstanden, sondern ausdrücklich auch größer dimensionierte und zum Beispiel frei aufgestellte Schutzschränke, die mit elektronischen Geräten bestückt sind.
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Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Lösung wird eine funktionssichere und einfache Klimatisierung von Schutzkasten-Innenräumen möglich, da deren Innenraumtemperatur mittels dem PCM zu definierten Zeiten, insbesondere zu sogenannten Spitzenzeiten, bei denen die Umgebungstemperatur für einen vergleichsweise kurzen Zeitraum einen bestimmten Spitzenwert erzielt, ohne eine aufwendige Kühleinrichtung und/oder ohne zusätzlich energieverbrauchende Maßnahmen auf einem gewünschten Temperaturniveau gehalten werden kann.
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Gemäß einen besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im Schutzkasten-Innenraum wenigstens ein elektronisches Messgerät und wenigstens eine elektrische Regeleinrichtung als elektronische Bauteile aufgenommen sind. Bei dem elektronischen Messgerät kann es sich zum Beispiel um einen Transmitter handeln. Die elektrische Regeleinrichtung ist hier weiter mit einer im Schutzkasten-Innenraum als weiteres elektronisches Bauteil angeordneten Heizeinrichtung gekoppelt, mittels der die Innenraumtemperatur im Schutzkasten-Innenraum auf eine vorgegebene Schutzkasten-Solltemperatur einregelbar ist. Weiter ist hier das PCM und/oder der Schutzkasten so ausgelegt und/oder aufgebaut, dass die Heizeinrichtung bei Erreichen oder Überschreiten einer definierten, außerhalb des Schutzkastens vorherrschenden Umgebungstemperatur abgeschaltet wird, wobei in etwa gleichzeitig oder im vorgegebenen Maße zeitversetzt dazu, durch den damit verbundenen Temperaturanstieg im Schutzkasten-Innenraum das PCM seinen Aggregatzustand ändert und Wärme dergestalt aufnimmt, dass die Temperatur im Schutzkasten-Innenraum und damit die Temperatur des wenigstens einen Messgerätes einen vorgegebenen Temperaturmaximalwert nicht erreicht oder überschreitet. Mit einem derartigen Aufbau und einer derartigen Verfahrensführung wird eine besonders vorteilhafte und einfache sowie gleichzeitig auch funktionssichere Klimatisierung eines Schutzkasten-Innenraums möglich.
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Besonders bevorzugt ist hierbei eine Ausgestaltung, bei der das PCM mit dem wenigstens einem elektronischen Messgerät mittelbar mittels wenigstens eines wärmeleitenden Elementes oder aber alternativ dazu unmittelbar verbunden ist. Durch diese indirekte oder direkte Anbindung, jedenfalls aber körperliche Verbindung von PCM und elektronischem Messgerät wird ein hervorragender Wärmeübergang von dem zu kühlenden elektronischen Bauteil auf das PCM möglich.
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Das wärmeleitende Element ist dabei bevorzugt durch einen Haltebügel, eine Haltelasche, eine Haltklammer oder dergleichen aus einem wärmeleitfähigen Material, zum Beispiel Aluminium, gebildet. Ein derartiger Haltebügel ist beispielsweise einerseits mit einem das PCM aufweisenden oder ausbildenden PCM-Element und andererseits mit einem definierten Bestandteil des elektronischen Messgerätes verbunden.
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Insbesondere die zuvor beschriebene direkte Ankopplung eines empfindlichen elektronischen Messgerätes an das PCM ermöglicht eine optimale Klimatisierung des Schutzkasten-Innenraums, mit der zuverlässig vermieden werden kann, dass im Schutzkasten-Innenraum solche hohen Temperaturen vorherrschen, die zu einer Beschädigung des elektronischen Bauteils führen. Insbesondere können auch hier die an den Explosionsschutz derartiger Schutzkästen gestellten Anforderungen auf einfache und funktionssichere Weise erfüllt werden.
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Beispielsweise ist das PCM so ausgelegt, dass dieses bei einer Innenraumtemperatur von in etwa 30°C bis 40°C, bevorzugt bei in etwa 34°C, einen Phasenwechsel durchführt. Dementsprechend ist dann gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Verfahrensführung vorgesehen, die elektrische Regeleinrichtung und damit die Heizeinrichtung bei einer Umgebungstemperatur von in etwa 30°C bis 40°C, bevorzugt von in etwa 34°C, abzuschalten, das heißt, dass hier der Regler für die Heizeinrichtung auf Null gesetzt wird.
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Zur Erfassung der Umgebungstemperatur außerhalb des Schutzkastens ist beispielsweise am Messgerät ein Messfühler angeordnet, der die Umgebungstemperatur erfasst und einer Auswerteeinrichtung der elektrischen Regeleinrichtung zuführt.
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Das PCM selbst ist bevorzugt austauschbar und damit wechselbar im Schutzkasten-Innenraum gehaltert, um innerhalb der erforderlichen Wartungsintervalle einen einfachen Austausch des PCM vornehmen zu können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch einen Instrumentenschutzkasten mit einem im Schutzkasten-Innenraum angeordneten elektronischen Messgerät sowie einem damit verbundenen PCM,
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2 schematisch ein Temperatur-Zeit-Diagramm für einen Instrumentenschutzkasten, und
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3 schematisch ein Temperatur-Zeit-Diagramm, das den Wärmebeziehungsweise Kühlbedarf für einen Schutzkasten beispielhaft beschreibt.
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In der 1 ist schematisch ein Instrumentenschutzkasten 1 gezeigt, der hier beispielhaft zweiteilig aus einem ersten Gehäuseteil 2 und einem zweiten Gehäuseteil 3 besteht, die über eine Scharnieranordnung 4 schwenkbar miteinander verbunden sind. Die beiden Gehäuseteile 2, 3 beziehungsweise der Instrumentenschutzkasten 1 werden beispielsweise aus einem langfaserverstärkten Polyestermaterial hergestellt. Ferner können die beiden Gehäuseteile 2, 3 in hier nicht dargestellter Weise über zum Beispiel Schnellverschlüsse dicht verbunden und geschlossen werden.
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In einem Schutzkasten-Innenraum 5 des Instrumentenschutzkastens 1 ist hier nur äußerst schematisch und beispielhaft ein PCM 6 angeordnet und gehaltert, das über einen sehr gut wärmeleitenden, zum Beispiel aus Aluminium hergestellten Haltebügel 7 mit einer wärmeabgebenden Gehäusewand eines elektronischen Messgerätes 8 verbunden ist. Gegebenenfalls kann, was hier allerdings nicht dargestellt ist, das elektronische Messgerät 8 aber auch in einer direkten Anlageverbindung an dem PCM 6 anliegen. Das PCM 6 ist hier weiter bevorzugt ein PCM-Element, in dem das eigentliche Phasenwechselmaterial (PCM 6) entsprechend aufgenommen ist, zum Beispiel in einer Schutzhülle. Gegebenenfalls kann das PCM 6, auch was hier nicht dargestellt ist, in eine entsprechende wandseitige Ausnehmung eingebracht werden und dort aufgenommen sein sowie in mittelbaren oder unmittelbaren Kontakt mit dem elektronischen Messgerät 8 stehen.
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Wie dies der 1 weiter entnommen werden kann, ist das elektronische Messgerät 8, zum Beispiel ein Drucktransmitter oder dergleichen, über eine Leitung 9, in die ein Ventilblock 10 integriert ist, mit einer Prozessleitung einer Prozessanlage verbunden, wobei letzeres hier allerdings aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt ist. Die Leitung 9 ist über eine Dichtung 11 aus dem Instrumentenschutzkasten 1 dicht herausgeführt.
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Ferner ist im Schutzkasten-Innenraum 5 eine hier lediglich äußerst schematisch dargestellte elektrische Regeleinrichtung 12 angeordnet, die, wie dies durch den Pfeil 13 angedeutet ist, signaltechnisch mit einer Heizeinrichtung 14 gekoppelt ist, die Wärme q an den Schutzkasten-Innenraum 5 abgeben kann. Vorteilhaft wird auch hier, wie in der 1 dargestellt, Wärme durch indirekten oder direkten körperlichen Kontakt an das zu heizende beziehungsweise klimatisierende elektronische Bauteil, das hier durch das Messgerät 8 gebildet ist, übertragen. Die im vorliegenden Fall als Blockheizung ausgebildete Heizeinrichtung 14 ist hierzu in der 1 beispielhaft mittelbar über ein wärmeleitendes Element 16, zum Beispiel eine Aluminiumklammer, mit dem Messgerät 8 gekoppelt. An dieser Stelle sei ausdrücklich erwähnt, dass die elektrische Regeleinrichtung 12 hier auch ganz generell als Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Ansteuerung anderer elektronischer Bauteile im Schutzkasten 1 dienen kann beziehungsweise eine Reihe von weiteren Signalen empfangen kann, die dann entsprechend verwertet und gegebenenfalls in Steuersignale umgesetzt werden, wie dies beispielhaft durch die Pfeile 15 dargestellt ist.
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Das PCM 6 und/oder der Instrumentenschutzkasten 1 sind hierbei so ausgelegt beziehungsweise aufgebaut, dass die Heizeinrichtung bei Erreichen oder Überschreiten einer definierten außerhalb des Schutzkastens vorherrschenden Umgebungstemperatur abgeschaltet wird, was beispielsweise durch deren entsprechendes Abregeln mittels der elektrischen Regeleinrichtung 12 erfolgt. In etwa gleichzeitig oder in einem vorgegebenen Maße zeitversetzt dazu ändert das PCM 6 bei einem Temperaturanstieg im Schutzkasten-Innenraum 5 seinen Aggregatzustand und nimmt Wärme auf, so dass die Temperatur im Schutzkasten-Innenraum 5 beziehungsweise die Temperatur des elektronischen Messgerätes 8 einen vorgegebenen Temperaturmaximalwert nicht erreicht oder überschreitet. Dieser Zusammenhang ist beispielhaft und schematisch in der 2 dargestellt, aus der sehr gut ersichtlich ist, dass zu einem Zeitpunkt, zu dem die Umgebungstemperatur auf Werte von über 40°C ansteigt, das PCM 6 einen Phasenwechsel durchführt und somit in der Lage ist, Wärme aufzunehmen, wodurch zum hier dargestellten Zeitpunkt kurz nach 06:00 Uhr ein Temperaturanstieg des PCM 6 zu verzeichnen ist. Sehr gut ist hier auch zu erkennen, dass durch die körperliche Ankopplung des elektronischen Messgerätes 8 an das PCM 6 der Temperaturverlauf von dem Messgerät 8 und dem PCM 6 nahezu identisch ist. Wie zudem ein Vergleich des Verlaufs der Innenraumtemperatur und der Messgerätetemperatur zeigt, bleiben beide Temperaturen über den gesamten Zeitraum, in dem die Umgebungstemperatur eine Temperatur von über 40°C aufweist, unterhalb der den kritischen Temperaturmaximalwert für den Schutzkasten-Innenraum darstellenden Temperaturgrenze von 40°C.
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Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung und der erfindungsgemäßen Anordnung kann somit auf einfache und vorteilhafte Weise eine funktionssichere Klimatisierung des Schutzkasten-Innenraums 5 ohne aufwendige zusätzliche Kühl- und Klimatisierungsmaßnahmen geschaffen werden.
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Dies wird insbesondere durch die Darstellung der 3 deutlich, in der dargestellt ist, dass für den Fall, dass die Umgebungstemperatur eine hier beispielhaft gewählte Temperaturgrenze von ca. 34°C überschreitet, die Heizeinrichtung 14 abgeregelt wird, deren Heizleistung hier durch die schraffierten Flächen schematisch dargestellt ist. In diesem Fall übernimmt dann die Kühlung auf den gewünschten Temperaturwert von hier beispielhaft 34°C das PCM 6, was in der Darstellung der 3 durch den durch die Kreuzschraffur gekennzeichneten Bereich dargestellt ist.
