DE102022116777B3

DE102022116777B3 - Kühlgerät für die Schaltschrankklimatisierung sowie eine entsprechende Schaltschrankanordnung

Info

Publication number: DE102022116777B3
Application number: DE102022116777.1A
Authority: DE
Inventors: Jörg Knetsch; Christoph Schreier; Juan Carlos Cacho Alonso
Original assignee: Rittal GmbH and Co KG
Current assignee: Rittal GmbH and Co KG
Priority date: 2022-07-05
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2023-10-26
Anticipated expiration: 2042-07-06
Also published as: TW202403251A; WO2024008230A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlgerät (1) für die Schaltschrankklimatisierung, wobei das Kühlgerät (1) einen ein brennbares Kältemittel aufweisenden Primärkreislauf (2) mit einem Verflüssiger (3) aufweist, der in einem Luftaußenkreis (4) des Kühlgeräts (1) angeordnet ist, und wobei das Kühlgerät (1) in einem von dem Luftaußenkreis (4) fluidisch abgetrennten Luftinnenkreis (10) einen Verdampfer (5) aufweist, wobei das Kühlgerät (1) einen ein nicht brennbares Kältemittel aufweisenden Sekundärkreislauf (6) aufweist, der den Verdampfer (5) und einen Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmeübertrager (7) aufweist, der im Luftaußenkreis (4) angeordnet ist, und mit dem Wärme von dem nicht brennbaren Kältemittel auf das brennbare Kältemittel übertragen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf (6) ein passiver Kältemittelkreislauf ist. Es wird weiterhin eine entsprechende Schaltschrankanordnung beschrieben.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Kühlgerät, das einen ein brennbares Kältemittel aufweisenden Primärkreislauf mit einem Verflüssiger aufweist, der in einem Luftaußenkreis des Kühlgeräts angeordnet ist. Das Kühlgerät weist weiterhin in einem von dem Luftaußenkreis fluidisch abgetrennten Luftinnenkreis einen Verdampfer auf. Weiterhin weist das Kühlgerät einen ein nichtbrennbares Kältemittel aufweisenden Sekundärkreislauf auf, der den Verdampfer und einen Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmeübertrager aufweist, der im Luftaußenkreis angeordnet ist, und mit dem Wärme von dem nichtbrennbaren Kältemittel auf das brennbare Kältemittel übertragen ist. Ein derartiges Kühlgerät ist aus der EP 3 538 386 B1 bekannt. Ein ähnliches Kühlgerät beschreibt auch die EP 3 479 903 B1 .
Für die Schaltschrankklimatisierung kann der Luftinnenkreis eine Lufteinströmöffnung und eine Luftausströmungsöffnung aufweisen, die in den Innenraum eines Schaltschrankgehäuses geöffnet sind. Der Luftaußenkreis kann mit seinem Lufteinlass und seinem Luftauslass zu der Umgebung des Kühlgeräts beziehungsweise der Schaltschrankanordnung geöffnet sein. Der Luftaußenkreis kann somit von Umgebungsluft durchströmt sein und dazu einen Lüfter aufweisen. Die den Außenkreis durchströmende Luft kann den Verflüssiger beaufschlagen, der dazu beispielsweise als Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet ist. In dem Luftinnenkreis kann die durch den Luftinnenkreis zirkulierte Luft einen in den Luftinnenkreis angeordneten Verdampfer beaufschlagen. Der Verdampfer kann als ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet sein. Ein weiteres Kühlgerät und eine entsprechende Schaltschrankanordnung sind aus der DE 10 2018 109 604 A1 bekannt.
Die Richtlinie 2006/42/EG (Maschinenrichtlinie) fordert, dass von in einer Maschine verwendeten Gasen keine Explosionsgefahr und Brandgefahr ausgeht, wobei davon auszugehen ist, dass einzelne Bauteile versagen. Hat daher bei einem Schaltschrankkühlgerät ein kältemittelführendes Teil eine anzunehmende Leckage, ist davon auszugehen, dass brennbares Gas (Kältemittel) in den Schaltschrank gelangt und sich dort an Einbauten, die im Betrieb Lichtbögen zünden, entzünden kann. Ohne eine Sicherheitsfunktion, die dies zuverlässig verhindert, können Schaltschrankkühlgeräte, die brennbare Kältemittel verwenden, nicht die Maschinenrichtline erfüllen beziehungsweise mit der notwendiger Sicherheit für den Endanwender betrieben werden.
Der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltschrankanordnungen haben den Nachteil, dass sie vergleichsweise aufwändig in der Umsetzung sind, da beispielsweise verschiedene, aktiv angetriebene Schließorgane erforderlich sind und bei einer detektierten Leckage und/oder bei Eintritt eines brennbaren Kältemittels in den Innenraum des Schaltschranks angesteuert werden müssen, etwa um eine Schottung zwischen dem Innenkreislauf des Kühlgeräts und dem Schaltschrankinnenraum zu verschließen, sodass kein (weiteres) Kältemittel in den Innenraum des Schaltschranks gelangen kann.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, dass eingangs beschriebene Kühlgerät derart weiterzuentwickeln, dass es sämtlich für die nach der Maschinenrichtlinie erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen in sich vereint und somit keine Anpassungen an der übrigen Schaltschrankanordnung, insbesondere am Schaltschrankgehäuse erforderlich sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Kühlgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine entsprechende Schaltschrankanordnung ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs 16. Vorteilhafte Ausführungsformen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Demgemäß ist bei dem Kühlgerät vorgesehen, dass der Sekundärkreislauf ein passiver Kältemittelkreislauf ist.es
Durch die Trennung des Kühlkreislaufes des Kühlgeräts in einen Primärkreislauf und einen Sekundärkreislauf, von denen der Sekundärkreislauf ein nichtbrennendes Kältemittel aufweist, wird selbst im Leckagefall eines der beiden Kältemittelkreisläufe sichergestellt, dass kein brennbares Kältemittel in den Luftinnenkreis und damit in den Innenraum eines Schaltschrankgehäuses gelangen kann.
Der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmeübertrager kann ein Verflüssiger des Sekundärkreislaufs und ein Verdampfer des Primärkreislaufs sein. Der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmeübertrager kann als ein Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein.
Der Primärkreislauf kann als ein aktiver Verdichter-Kältekreislauf mit einem Verdichter und einem Explosionsorgan ausgebildet sein.
Der Primärkreislauf kann fluidisch von dem Luftinnenkreis abgetrennt in dem Kühlgerät angeordnet sein.
Der Primärkreislauf kann vollständig zur Umgebung des Kühlgeräts belüftet sein. Insbesondere kann der Primärkreislauf vollständig in dem Luftaußenkreis angeordnet sein.
Der Sekundärkreislauf ist ein passiver Kältemittelkreislauf, vorzugsweise ein Kältemittelkreislauf im Naturumlauf, angetrieben von einer geodätischen Höhendifferenz. Der Sekundärkreislauf kann beispielsweise als eine Heatpipe ausgebildet sein oder eine Heatpipe aufweisen. Das nichtbrennbare Kältemittel kann beispielsweise Kohlenstoffdioxid sein oder aufweisen.
Das Kühlgerät kann weiterhin einen Tertiärkreislauf aufweisen, bei dem der Verflüssiger des Primärkreislaufes der Verflüssiger des Tertiärkreislaufes und der Verdampfer des Sekundärkreislaufes der Verdampfer des Tertiärkreislaufes ist.
Der Verflüssiger des Primärkreislaufes und/oder des Tertiärkreislaufes kann ein zweikreisiger Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher mit zwei fluidisch voneinander getrennten flüssigkeitsführenden Leitungen sein.
Der Verdampfer des Sekundärkreislaufes und des Tertiärkreislaufes kann ein zweikreisiger Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher mit zwei fluidisch voneinander getrennten flüssigkeitsführenden Leitungen sein.
Der Tertiärkreislauf kann ein nichtbrennbares Kältemittel aufweisen oder sein, beispielsweise Kohlenstoffdioxid.
Der Tertiärkreislauf kann ein passiver Kältemittelkreislauf sein, vorzugsweise ein Kältemittelkreislauf im Naturumlauf, angetrieben von einer geodätischen Höhendifferenz, und der Tertiärkreislauf kann beispielsweise eine Heatpipe sein oder aufweisen.
Bei dem Kühlgerät kann jeweils ein Lüfter in dem Luftaußenkreis und in dem Luftinnenkreis angeordnet sein. Mit dem Lüfter im Außenkreis kann der Verflüssiger mit der durch den Luftaußenkreis geförderten Luft beaufschlagt sein. Mit dem Lüfter im Innenkreis kann der Verdampfer mit der durch den Luftinnenkreis geförderten Luft beaufschlagt sein.
Bei einer Schaltschrankanordnung mit einem Schaltschrankgehäuse und einem Kühlgerät der zuvor beschriebenen Art ist Umgebungsluft der Schaltschrankanordnung durch den Luftaußenkreis und in einem Innenraum des Schaltschrankgehäuses aufgenommene Luft durch den Luftinnenkreis gefördert. Der Luftinnenkreis und der Luftaußenkreis können fluidisch voneinander getrennt sein, sodass kein Luftaustausch zwischen dem Luftaußenkreis und dem Luftinnenkreis erfolgen kann.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figuren erläutert. Dabei zeigt:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer Schaltschrankanordnung; und
2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Kühlgeräts.

Die 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltschrankanordnung 100 mit einem Schaltschrankgehäuse 200 und einem daran in einem Seitenteil montierten Kühlgerät 1. In dem Schaltschrankgehäuse 200 sind wärmeabgebende und ggf. Lichtbögen erzeugende Komponenten 300 angeordnet, an denen sich ein im Innenraum 13 des Schaltschrankgehäuses 200 anreicherndes, brennbares Kältemittel entzünden kann, etwa an einem Lichtbogen, der bei einem Schaltvorgang eines Schaltgeräts 300 erzeugt wird.
Das Kühlgerät 1 weist einen Luftinnenkreis 10 auf, durch welchen die im Innenraum 13 des Schaltschrankgehäuses 200 aufgenommene Luft mithilfe eines Lüfters 12 hindurchtransportiert ist. Während die erwärmte Luft in einem oberen Bereich des Schaltschrankgehäuses 200 in den Luftinnenkreis 10 eingeleitet ist, strömt sie in einem unteren Bereich des Schaltschrankgehäuses 200 aus dem Innenkreis 10 heraus und zurück in den Innenraum 13 des Schaltschrankgehäuses 200. Auf ihrem Weg durch den Luftinnenkreis 10 beaufschlagt die Luft einen Verdampfer 5, der vorliegend als ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher eines Verdichterkreislaufes ausgebildet ist, wodurch die Luft abkühlt.
Im Luftaußenkreis 4 weist das Kühlgerät 1 einen Verflüssiger 3 auf, der von den Luftaußenkreis 4 durchströmender Umgebungsluft der Schaltschrankanordnung 100 beaufschlagt ist und ebenfalls als Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet ist.
Abweichend von den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlgeräten ist bei dem erfindungsgemäßen Kühlgerät 1 der Verdampfer 5 in dem Luftinnenkreis 1 mit dem Verflüssiger 3 in dem Luftaußenkreis 4 nicht über einen gemeinsamen Kältemittelkreislauf fluidisch verbunden. Stattdessen sind ein Primärkreislauf 2, welcher den Verflüssiger 3 aufweist, und ein Sekundärkreislauf 6, welcher den Verdampfer 5 aufweist, vorgesehen, die wiederum über einen Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 7 fluidisch voneinander getrennt thermisch miteinander gekoppelt sind.
Zum besseren Verständnis der fluidischen Verschaltung eines beispielshaften erfindungsgemäßen Kühlgeräts wird auf das Blockschaltbild gemäß 2 Bezug genommen. Darin stellt die horizontale Strichlinie die luftdichte Trennung zwischen dem Luftaußenkreis 4 beziehungsweise der Umgebung der Schaltschrankanordnung und dem Luftinnenkreis 10 beziehungsweise dem Innenraum 13 des Schaltschrankgehäuses dar. In dem Luftaußenkreis 4 ist demgemäß ein Primärkreis 2, welcher als Verdichterkreislauf mit einem Verdichter 8 und einem Expansionsorgan 9 ausgebildet ist, vollständig angeordnet. Der Primärkreis 2 kann demgemäß ein brennbares Kältemittel aufweisen, da selbst im Leckagefall aufgrund der Trennung zwischen dem Luftinnenkreis 10 und dem Luftaußenkreis 4 kein brennbares Kältemittel in den Luftinnenkreis 10 beziehungsweise in den Innenraum 13 des Schaltschrankgehäuses 200 mit den darin aufgenommenen Komponenten 300 eintreten kann. Der Primärkreislauf 2 weist in der aus dem Stand der Technik bekannten Weise einen Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher auf, der von einem Lüfter 12 mit Luft beaufschlagt wird und die Funktion eines Verflüssigers aufweist. Abweichend von den bekannten Kühlgeräten 1 ist der Verdampfer des Primärkreislaufes 2 ein Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher 7, beispielsweise einen Plattenwärmetauscher, über den der Primärkreislauf 2 mit einem Sekundärkreislauf 6 thermisch gekoppelt ist. Der Sekundärkreislauf 6 weist einen weiteren Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 5 auf, der ebenfalls von einem Lüfter 12 mit Luft beaufschlagt ist, die durch den Innenluftkreis 10 geleitet ist. Der Sekundärkreislauf 6 ist mit einem nicht brennbaren Kältemittel gefüllt, sodass im Leckagefall austretendes in den Innenraum 13 eintretendes Kältemittel nicht an einem Lichtbogen der Komponenten 300 entzündet werden kann. In Bezug auf den Sekundärkreislauf 6 bildet der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmeübertrager 7 einen Verflüssiger.
Zur weiteren Optimierung des Wirkungsgrads des Kühlgeräts 1 sind der Verflüssiger 3 und der Verdampfer 5 jeweils zweikreisig ausgebildet, wobei jeweils einer der beiden Kreise des Verflüssigers 3 und des Verdampfers 5 einen Tertiärkreislauf bilden. Sowohl der Tertiärkreislauf 11 als auch der Sekundärkreislauf 6 können bevorzugt als ein Kältemittelkreislauf im Naturumlauf ausgebildet sein, der von einer geodätischen Höhendifferenz angetrieben ist. Bei einer Ausführungsform kann der Sekundärkreislauf 6 und/oder der Tertiärkreislauf 11 als eine Heatpipe ausgebildet sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Kühlgerät
2: Primärkreislauf
3: Verflüssiger
4: Luftaußenkreis
5: Verdampfer
6: Sekundärkreislauf
7: Wärmeübertrager
8: Verdichter
9: Expansionsorgan
10: Luftinnenkreis
11: Tertiärkreislauf
12: Lüfter
13: Innenraum
100: Schaltschrankanordnung
200: Schaltschrankgehäuse
300: Komponenten

Claims

Kühlgerät (1) für die Schaltschrankklimatisierung, wobei das Kühlgerät (1) einen ein brennbares Kältemittel aufweisenden Primärkreislauf (2) mit einem Verflüssiger (3) aufweist, der in einem Luftaußenkreis (4) des Kühlgeräts (1) angeordnet ist, und wobei das Kühlgerät (1) in einem von dem Luftaußenkreis (4) fluidisch abgetrennten Luftinnenkreis (10) einen Verdampfer (5) aufweist, wobei das Kühlgerät (1) einen ein nicht brennbares Kältemittel aufweisenden Sekundärkreislauf (6) aufweist, der den Verdampfer (5) und einen Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmeübertrager (7) aufweist, der im Luftaußenkreis (4) angeordnet ist, und mit dem Wärme von dem nicht brennbaren Kältemittel auf das brennbare Kältemittel übertragen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf (6) ein passiver Kältemittelkreislauf ist.
Kühlgerät (1) nach Anspruch 1, bei dem der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmeübertrager (7) ein Verflüssiger des Sekundärkreislaufs (6) und ein Verdampfer des Primärkreislaufes (2) ist.
Kühlgerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmeübertrager (7) als ein Plattenwärmeübertrager ausgebildet ist.
Kühlgerät (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Primärkreislauf (2) als ein aktiver Verdichter-Kältekreislauf mit einem Verdichter (8) und einem Expansionsorgan (9) ausgebildet ist.
Kühlgerät (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Primärkreislauf (2) fluidisch von dem Luftinnenkreis (10) abgetrennt in dem Kühlgerät (1) angeordnet ist.
Kühlgerät (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Primärkreislauf (2) vollständig zur Umgebung des Kühlgeräts (1) belüftet ist.
Kühlgerät (1) nach Anspruch 6, bei dem der Primärkreislauf (2) vollständig in dem Luftaußenkreis (4) angeordnet ist.
Kühlgerät (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der passive Kältemittelkreislauf ein Kältemittelkreislauf im Naturumlauf ist, angetrieben von einer geodätischen Höhendifferenz, vorzugsweise eine Heatpipe.
Kühlgerät (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das nicht brennbare Kältemittel Kohlenstoffdioxid aufweist.
Kühlgerät (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, das einen Tertiärkreislauf (11) aufweist, bei dem der Verflüssiger (3) des Primärkreislaufes (2) der Verflüssiger des Tertiärkreislaufes (11) und der Verdampfer (5) des Sekundärkreislaufes (6) der Verdampfer des Tertiärkreislaufes (11) ist.
Kühlgerät (1) nach Anspruch 10, bei dem der Verflüssiger (3) des Primärkreislaufes (2) und des Tertiärkreislaufes (11) ein zweikreisiger Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher mit zwei fluidisch voneinander getrennten flüssigkeitsführenden Leitungen ist.
Kühlgerät (1) nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Verdampfer (5) des Sekundärkreislaufes (6) und des Tertiärkreislaufes (11) ein zweikreisiger Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher mit zwei fluidisch voneinander getrennten flüssigkeitsführenden Leitungen ist.
Kühlgerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei der der Tertiärkreislauf (11) ein nicht brennbares Kältemittel aufweist, beispielsweise Kohlenstoffdioxid.
Kühlgerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem der Tertiärkreislaufes (11) ein passiver Kältemittelkreislauf ist, vorzugsweise ein Kältemittelkreislauf im Naturumlauf, angetrieben von einer geodätischen Höhendifferenz, beispielsweise eine Heatpipe.
Kühlgerät (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem jeweils ein Lüfter (12) in dem Luftaußenkreis (4) und in dem Luftinnenkreis (10) angeordnet ist, mit dem der Verdampfer (5) bzw. der Verflüssiger (3) mit der durch den jeweiligen Luftkreis (4, 10) geförderten Luft beaufschlagt ist.
Schaltschrankanordnung (100) mit einem Schaltschrankgehäuse (200) und einem Kühlgerät (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei Umgebungsluft der Schaltschrankanordnung (100) durch den Luftaußenkreis (4) und in einem Innenraum (13) des Schaltschrankgehäuses (200) aufgenommene Luft durch den Luftinnenkreis (10) gefördert ist.