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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für in einem Schaltschrank angeordnete elektrische Komponenten, mit einem Schaltschrank und einem Kühlgerät, das einen ersten Luftgang, durch den Umgebungsluft führbar ist, einen zweiten Luftgang, der von dem ersten Luftgang fluidisch abgetrennt ist und durch den Luft aus einem Schaltschrankinnenraum führbar ist, und einen Luft-Luft-Wärmetauscher aufweist, der einen ersten Abschnitt, der im ersten Luftgang angeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt, der im zweiten Luftgang angeordnet ist, aufweist, wobei der erste und der zweite Abschnitt für einen Wärmeaustausch thermisch gekoppelt und vertikal beabstandet zueinander angeordnet sind, und wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt mindestens ein geschlossenes Leitungssystem angeordnet ist, das zumindest teilweise mit einem Kühlmittel gefüllt und sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Abschnitt des Luft-Luft-Wärmetauschers für den Wärmeaustausch thermisch gekoppelt ist. Eine derartige Kühlanordnung ist aus der
US 4,600,050 A bekannt.
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Ähnliche Anordnungen beschreiben auch die
DE 196 09 651 C2 , die
US 3,807,493 A , die
JP 5-102 687 A , die
US 5,035,281 A ,
US 6,039,111 A ,
US 5,806,583 A ,
US 6,761,212 B2 und
DE 197 23 955 B2 . Ein weiterer Schaltschrank mit einem Kühlgerät, das einen Luft-Luft-Wärmetauscher aufweist, ist aus der
DE 10 2008 050 376 B4 bekannt.
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Schaltschränke, bei denen die Wärmeübertragung aus dem Schaltschrankinnenraum an die Umgebungsluft des Schaltschranks mit Hilfe eines Luft-Luft-Wärmetauschers realisiert ist, haben den Nachteil, dass nur für begrenzte Verlustleistungen der in dem Schaltschrank aufgenommenen elektronischen Komponenten und nur für eine ausreichend große Differenz zwischen der Schaltschranktemperatur und der Umgebungslufttemperatur eine ausreichende Kühlung der in dem Schaltschrankinnenraum aufgenommenen Luft gewährleistet werden kann. Hinzu kommt, dass für hohe Kühlleistungen die Umgebungsluft beziehungsweise die in dem Schaltschrank aufgenommene Luft mit hoher Geschwindigkeit durch den Luft-Luft-Wärmetauscher geleitet werden muss, was einen entsprechend hohen Druckverlust und damit Energieverbrauch der Lüfter bedingt. Hinzu kommt, dass bei Luft-Luft-Wärmetauschern die Luftzuführung und -abführung sowohl kondensatorseitig als auch verdampferseitig kompliziert und damit konstruktiv aufwendig ist.
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Grundsätzlich ist es immer wünschenswert, auch für möglichst hohe Umgebungstemperaturen und hohe Verlustleistungen der in dem Schaltschrank aufgenommenen Komponenten die Schaltschrankkühlung passiv durchzuführen, d. h. ohne Zuhilfenahme einer Kältemaschine oder eines Kaltwassersatzes. Zumindest jedoch in den Fallen, wo die Schaltschranksolltemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur des Schaltschranks liegt, ist die aktive Kühlung unter Verwendung der zuvor genannten Hilfsmittel notwendig, so dass ein Bedarf nach Kühlgeräten besteht, die wahlweise aktiv und/oder passiv betrieben werden können, wobei im Mittel, etwa über den Jahresverlauf, die Kühlleistung nach Möglichkeit größtenteils passiv bereit gestellt wird. Mit Hilfe eines solchen Kühlgeräts könnte sowohl für niedrige als auch hohe Außentemperaturen energieeffizient gekühlt werden.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Kühlanordnung mit einem Kühlgerät, dass einen Luft-Luft-Wärmetauscher aufweist, bereitzustellen, der für eine energieeffiziente Kühlung eines Schaltschrankinnenraums in einem breiten Temperaturbereich der Umgebungsluft sowie für hohe Verlustleistungen der in dem Schaltschrankinnenraum aufgenommenen Komponenten ausgelegt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Kühlanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass dem Luft-Luft-Wärmetauscher in Luftströmungsrichtung nachgeschaltet entweder in dem ersten Luftgang ein Verflüssiger und in dem zweiten Luftgang ein Verdampfer eines Verdichter getriebenen Kühlkreislaufes oder in zumindest einem der Luftgänge ein Luft-Wasser-Wärmetauscher eines Kaltwassersatzes angeordnet ist. Die Luft-Luft-Wärmetauscher bilden zusammen mit dem geschlossenen Leitungssystem somit gerade ein zu einer Heatpipe funktional ähnliches Bauteil.
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„Vertikal beabstandet” im Sinne der Erfindung sind sämtliche Anordnungen der Wärmetauscher zueinander, welche für die Ausbildung einer Heatpipe geeignet sind. Die Wärmetauscher können auch unmittelbar aneinander grenzend übereinander oder sich mit vertikalem Versatz überlappend angeordnet sein. Bei unmittelbar aneinander grenzenden Wärmetauschern können diese auch schräg liegend angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß kann die Kühlleistung der Heatpipe gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Luft-Luft-Wärmetauschern dadurch erhöht werden, dass in dem zweiten Luftgang, welcher vorzugsweise in vertikaler Richtung unterhalb des ersten Luftgangs angeordnet ist, oder unmittelbar an den zweiten Luftgang angrenzend, im unteren Bereich des Leitungssystems ein flüssiges Kühlmittel vorgehalten ist, welches durch Wärmeentzug aus der durch den zweiten Luftgang geführten Schaltschrankluft in den gasförmigen Zustand übergeht. Das gasförmige Kühlmittel steigt in dem geschlossenen Leitungssystem, welches zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Luft-Luft-Wärmetauschers und vorzugsweise auch durch die beiden Abschnitte hindurch geführt ist, in obere Bereiche des geschlossenen Leitungssystems auf. Dort ist das geschlossene Leitungssystem mit dem ersten Abschnitt des Wärmetauschers thermisch gekoppelt, was dazu führt, dass die den ersten Abschnitt des Wärmetauschers durchströmende Umgebungsluft das gasförmige Kühlmittel soweit abkühlt, dass es kondensiert und in Folge der Schwerkraft zurück an den in vertikaler Richtung unteren Bereich des geschlossenen Leitungssystems, welches mit dem zweiten Abschnitt des Wärmetauschers thermisch gekoppelt ist, fließt. Die Kühlwirkung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers beruht somit auf der Ausnutzung des Effekts, wonach das verdampfende Kühlmittel bei dem Übergang von dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand seiner Umgebung Wärme entzieht und dieselbe Wärmemenge an ihre Umgebung wieder abgibt, wenn sie von dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand zurückkehrt. Dadurch, dass das Verdampfen des Kühlmittels in dem zweiten Abschnitt des Wärmetauschers und das Kondensieren des Kühlmittels in dem ersten Abschnitt des Wärmetauschers stattfinden, bildet sich ein Nettowärmefluss von dem zweiten Abschnitt in den ersten Abschnitt des Wärmetauschers aus.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform weist das geschlossene Leitungssystem eine Mehrzahl vertikal geführter Rohrabschnitte auf, die an ihrem unteren Ende in ein gemeinsames Sammelrohr münden, über welches die Rohrabschnitte fluidisch miteinander in Verbindung stehen.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass jeder Rohrabschnitt zwei parallel zueinander geführte Rohrleitungen aufweist, die an ihrem oberen Ende über ein U-förmiges Umlenkstück fluidisch miteinander verbunden sind.
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Eine besonders kompakte Bauweise kann dadurch erreicht werden, dass der erste und der zweite Abschnitt vertikal übereinander und unmittelbar aneinander grenzend angeordnet sind, wobei sich die vertikal geführten Rohrabschnitte jeweils abschnittsweise in dem ersten und in dem zweiten Abschnitt des Luft-Luft-Wärmetauschers erstrecken.
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Um den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der durch den ersten beziehungsweise zweiten Luftgang geführten Luft weiter zu verbessern, ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Leitungssystem durch eine Mehrzahl sich vorzugsweise horizontal erstreckender, thermisch leitfähiger Lamellen geführt ist, wobei zwischen benachbarten Lamellen ein Luftführungsschlitz ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Kühlanordnung erlaubt es für eine große Bandbreite von Umgebungslufttemperaturen sowie von Verlustleistungen der in dem Schaltschrankinnenraum aufgenommenen elektronischen Komponenten eine ausreichende Kühlung der Schaltschrankinnenraumluft zu gewährleisten. Um die Redundanz des Kühlgeräts zu erhöhen und um bei hohen Umgebungslufttemperaturen sowie Verlustleistungen der Schaltschrankkomponenten stets eine ausreichende Kühlung gewährleisten zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem ersten Luftgang ein Verflüssiger und in dem zweiten Luftgang ein Verdampfer eines Verdichter getriebenen Kühlkreislaufes oder in zumindest einem der Luftgänge ein Luft-Wasser-Wärmetauscher eines Kaltwassersatzes angeordnet ist. Damit ist neben dem passiven Kühlkreislauf ein zusätzlicher aktiver Kühlkreislauf vorgesehen, welcher bedarfsweise zugeschaltet werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Großteil der Kühlleistung auch bei hohen Verlustleistungen sowie Umgebungslufttemperaturen passiv, das heißt mit Hilfe der erfindungsgemäßen Heatpipe bereit gestellt werden kann. Der aktive, Verdichter getriebene Kühlkreislauf soll nur Bedarfsweise zugeschaltet werden, etwa wenn die mit Hilfe der Heatpipe erzielbare Kühlleistung aufgrund zu hoher Umgebungstemperaturen nicht ausreicht, oder, um bei einem Versagen der Heatpipe, was jedoch aufgrund der wartungsfreien Bauart dieser sehr unwahrscheinlich ist, eine Überhitzung des Schaltschrankinnenraums zu vermeiden. Um den Wirkungsgrad des Gesamtkühlsystems aus passivem und aktivem Kühlkreislauf zu maximieren, sollten der Verflüssiger und der Verdampfer in Luftströmungsrichtung jeweils hinter dem Luft-Luft-Wärmetauscher angeordnet sein.
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Um einen besonders einfachen Aufbau des Kühlgeräts zu ermöglichen, ist bei einer Ausführungsform des Schaltschranks vorgesehen, dass das Kühlgerät in einem Gehäuse aufgenommen ist, wobei im Inneren des Gehäuses eine Zwischenwand aufgenommen ist, die den ersten Luftgang von dem zweiten Luftgang abtrennt, wobei die Zwischenwand einen Durchlass zwischen dem ersten und dem zweiten Luftgang aufweist, und wobei der Luft-Luft-Wärmetauscher bzw. die Heatpipe in den Durchlass eingesetzt ist, so dass der erste Abschnitt des Luft-Luft-Wärmetauschers bzw. der Heatpipe in dem ersten Luftgang und der zweite Abschnitt des Luft-Luft-Wärmetauschers bzw. der Heatpipe in dem zweiten Luftgang angeordnet ist.
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Das Kühlgerät des erfindungsgemäßen Schaltschranks und insbesondere dessen Wärmetauscher eignen sich insbesondere für den Dachaufbau, bei welchem das Kühlgerät oberhalb des Schaltschrankgehäuses auf dem Dach des Schaltschranks aufgesetzt ist. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht daher vor, dass sich die Zwischenwand horizontal und der Luft-Luft-Wärmetauscher vertikal erstreckt, wobei das Kühlgerät auf einem Dach des Schaltschranks angeordnet ist, so dass der zweite Luftgang dem Schaltschrankinnenraum zugewandt und der erste Luftgang oberhalb des zweiten Luftgangs angeordnet ist, wobei der erste Luftgang horizontal voneinander beabstandet in Luftströmungsrichtung vor dem ersten Abschnitt einen Lufteinlass für die Umgebungsluft und nach dem ersten Abschnitt einen Luftauslass für erwärmte Umgebungsluft aufweist, und wobei der zweite Luftgang horizontal voneinander beabstandet in Luftströmungsrichtung vor dem zweiten Abschnitt einen Lufteinlass für Warmluft aus dem Schaltschrankinnenraum und nach dem zweiten Abschnitt einen Luftauslass für den Auslass gekühlter Luft in den Schaltschrankinnenraum aufweist.
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Um den Aufbau des erfindungsgemäßen Schaltschranks weiter zu vereinfachen, kann vorgesehen sein, dass der Lufteinlass für Warmluft aus dem Schaltschrankinnenraum und der Luftauslass für den Auslass gekühlter Luft in den Schaltschrankinnenraum Ausnehmungen in einer Trennwand, die den Schaltschrankinnenraum von dem zweiten Luftgang abtrennt, sind.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Abschnitt des Luft-Luft-Wärmetauschers über eine Endlamelle mit Durchlässen für das Leitungssystem abgetrennt. Die Endlamelle kann Bohrungen oder anderweitige Befestigungsmittel aufweisen, um den Luft-Luft-Wärmetauscher beispielsweise derart in einer Trennwand zwischen dem ersten und dem zweiten Luftgang zu befestigen, dass der Durchgang nach dem Einsetzen des Luft-Luft-Wärmetauschers in den Durchgang über die Endlamelle gegen einen ungewollten Luftübertritt zwischen dem ersten und dem zweiten Luftgang abgedichtet ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figuren erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luft-Luft-Wärmetauschers;
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2 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schaltschrankes; und
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3 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Kühlgeräts gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Luft-Luft-Wärmetauscher 6 gemäß 1 umfasst ein Leitungssystem 7, das aus vertikal geführten Rohrabschnitten 8 zusammengesetzt sind. Die Rohrabschnitte 8 bestehen jeweils aus Paaren paralleler Rohrleitungen 10, welche an ihrem oberen Ende mit Hilfe eines U-förmigen Umlenkstücks 11 fluidisch miteinander verbunden sind. Am unteren Ende jedes Rohrabschnitts 8 münden die Rohrleitungen 10 jedes Rohrabschnitts 8 in ein gemeinsames Sammelrohr 9, welches die Rohrabschnitte 8 fluidisch miteinander verbindet. Der Luft-Luft-Wärmetauscher 6 ist über eine sich horizontal erstreckende Endlamelle 21 in einen ersten Abschnitt 6.1 und einen zweiten Abschnitt 6.2 unterteilt, wobei bei montiertem Luft-Luft-Wärmetauscher 6 der erste Abschnitt 6.1 in dem ersten Luftgang 3 des Kühlgeräts 2 und der zweite Abschnitt 6.2 in dem zweiten Luftgang 4 des Kühlgeräts 2 angeordnet ist. Die Endlamelle 21 dient zur Positionierung und Befestigung des Luft-Luft-Wärmetauschers 6 an einem Durchlass 17, der in einer Zwischenwand 16, die den ersten Luftgang 3 von dem zweiten Luftgang 4 abtrennt, ausgebildet ist. Die Rohrleitungen 10 der Rohrabschnitte 8 sind durch sich horizontal erstreckende, thermisch leitfähige Lamellen 12 hindurch geführt und an diese thermisch gekoppelt, wobei zwischen benachbarten Lamellen 12 jeweils ein Luftführungsschlitz ausgebildet ist. Die Lamellen 12 erstrecken sich somit gerade in Bewegungsrichtung der durch den ersten Luftgang 3 beziehungsweise der durch den zweiten Luftgang 4 transportierten Luft und dienen dazu, den Wärmeaustausch zwischen dem ersten Abschnitt 6.1 beziehungsweise dem zweiten Abschnitt 6.2 und der jeweils durch diesen hindurch geführten Luft zu verbessern. Zur besseren Veranschaulichung wurden die Lamellen 12 teilweise entfernt. Diese können sich bei der bevorzugten Ausführungsform über die gesamte Höhe des Wärmetauschers 6 erstrecken.
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In dem Leitungssystem 7 ist ein Kältemittel vorgehalten, welches sich aufgrund der vertikalen Ausrichtung der Rohrabschnitte 8 des Leitungssystems 7 Schwerkraft getrieben vor allem im unteren Bereich des Luft-Luft-Wärmetauschers 6 und damit in dem Sammelrohr 9 sowie in dem zweiten Abschnitt 6.2 ansammelt. Erfindungsgemäß ist der zweite Abschnitt 6.2 gerade im zweiten Luftgang 4 des Kühlgeräts angeordnet und wird damit von der warmen Luft aus dem Schaltschrankinnenraum 5 durchströmt. Die warme Luft kann über die Rohrleitungen 10 beziehungsweise die thermisch leitfähigen Lamellen 12 Wärme an das Kühlmittel im zweiten Abschnitt 6.2 abtauschen, welches daraufhin vom flüssigen Aggregatzustand in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht und entlang der Rohrleitungen 10 in den oberen Bereich des Luft-Luft-Wärmetauschers 6 und damit in den ersten Abschnitt 6.1 wandert. Der erste Abschnitt 6.1 soll sich erfindungsgemäß gerade im ersten Luftgang 3 des Kühlgeräts 2 befinden, so dass dieser gerade von der kühlen Umgebungsluft des Schaltschranks 1 umströmt wird. Dies hat zur Folge, dass das gasförmige Kältemittel, welches im ersten Abschnitt 6.1 des Luft-Luft-Wärmetauschers 6 vorgehalten ist, Wärmeenergie an die durch den ersten Luftgang 3 transportierte Umgebungsluft abtauschen kann, woraufhin dieses kondensiert und Schwerkraft getrieben aus dem ersten Abschnitt 6.1 in den zweiten Abschnitt 6.2 zurückfließt. Dadurch, dass die Wärme in vertikaler Richtung zwischen den Luftgängen 3,4 transportiert wird, wobei in dem tiefer gelegenen Luftgang die warme Schaltschrankluft und in dem höher gelegenen Luftgang die kühle Umgebungsluft geführt ist, hat sich der erfindungsgemäße Aufbau auch unter thermodynamischen Gesichtspunkten als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Es ist verständlich, dass das Leitungssystem 7 und insbesondere dessen Rohrleitungen 10 nicht exakt vertikal ausgerichtet sein müssen, damit die vorbeschriebene Funktionalität erreicht werden kann. Vielmehr ist auch eine angewinkelte Anordnung des Luft-Luft-Wärmetauschers 6 in dem Kühlgerät denkbar, beispielsweise um ein platzsparendes, weniger hoch bauendes Kühlgerät zu erzielen.
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Bei dem Schaltschrank 1 gemäß 2 ist das Kühlgerät 2 als Dachaufbau ausgebildet. Der in 1 im Detail beschriebene Luft-Luft-Wärmetauscher 6 erstreckt sich vertikal in einem Gehäuse 15 des Kühlgeräts 2. Das Gehäuse 15 weist eine Zwischenwand 16 auf, welche den ersten Luftgang 3 von dem zweiten Luftgang 4 abtrennt. Die Zwischenwand 16 weist einen Durchlass 17 auf, durch welchen der Luft-Luft-Wärmetauscher 6 hindurch geführt ist, derart, dass sich sein erster Abschnitt 6.1 in dem ersten Luftgang 3 und sein zweiter Abschnitt 6.2 in dem zweiten Luftgang 4 erstreckt. Die in 2 nicht dargestellte Endlamelle 21 dient dazu, den Durchlass 17 bei eingesetztem Luft-Luft-Wärmetauscher 6 fluidisch dicht zu verschließen, um eine druckdichte Trennung zwischen dem ersten Luftgang 3 und dem zweiten Luftgang 4 zu erzielen. Der erste Luftgang 3 und der zweite Luftgang 4 weisen jeweils eine Lufteinlassöffnung 18 und eine Luftauslassöffnung 19 auf, wobei die Öffnungen 18, 19 des ersten Luftgangs 3 gerade zur Umgebung des Schaltschranks hin geöffnet sind. Die Öffnungen 18, 19 des zweiten Luftgangs 4 sind in einer Trennwand 20 ausgebildet, die gerade den Schaltschrankinnenraum 5 von dem zweiten Luftgang 4 abtrennt.
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In dem ersten Luftgang 3 sowie in dem zweiten Luftgang 4 ist dem Luft-Luft-Wärmetauscher 6 in Luftströmungsrichtung nachgeschaltet ein Wärmetauscher angeordnet. Dies können der Verflüssiger 13 und der Verdampfer 14 eines Kompressor getriebenen Kühlkreislaufes sein. Der Kompressor getriebene Kühlkreislauf kann bedarfsweise immer dann zugeschaltet werden, wenn die über den erfindungsgemäßen Luft-Luft-Wärmetauscher 6 bereitgestellte Kühlleistung nicht ausreichend ist, oder wenn die gewünschte Schaltschranktemperatur unterhalb der Umgebungslufttemperatur liegt. Bei ausschließlich passivem Kühlbetrieb, das heißt wenn der Kompressor betriebene Kühlkreislauf nicht vorhanden oder deaktiviert ist, kann die über den Luft-Luft-Wärmetauscher 6 bereitgestellte Kühlleistung über die Drehzahlen der Lüfter 22 und damit über die Luftströmungsgeschwindigkeit durch den ersten Luftgang 3 beziehungsweise durch den zweiten Luftgang 4 gesteuert werden.
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3 zeigt einen besonders kompakten Aufbau für das erfindungsgemäße Kühlgerät 2. Die wesentlichen Komponenten des Kühlgeräts 2 sind auf der Trennwand 20 aufgebaut, welche gerade auch die obere Begrenzung des Schaltschrankinnenraums 5 bildet. Zugleich ist die Trennwand 20 der Boden des Gehäuses 15 des Kühlgeräts 2. Innerhalb des Gehäuses 15 erfolgt die Abgrenzung des ersten Luftgangs 3 von dem zweiten Luftgang 4 durch eine Einhausung des zweiten Luftgangs 4, sodass der erste Luftgang 3 gerade durch den nicht von der Einhausung des Luftgangs 4 umfassten Raum innerhalb des Gehäuses 15 des Kühlgeräts 2 gebildet wird. Die Einhausung kann daher an die Abmessungen der wesentlichen Komponenten innerhalb des zweiten Luftgangs 4 angepasst werden.
