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Schrank zur Aufnahme von elektrischen Bauelementen
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Schrank zur Aufnahme von elektrischen
und elektronischen Bauelementen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches lo Um
elektrische und elektronische Bauelemente geschützt und platzsparend zugleich installieren
zu können, werden Schränke verwendet, in denen die Bauelemente lösbar gehaltert
sind. Die Verwendung solcher Schränke erfolgt vorzugsweise dann, wenn die elektrischen
und elektronischen Bauteile zur Steuerung und Regelung von Kraftwerken oder industriellen
Produktionsanlagen verwendet werden. Die Schränke werden aus Blech gefertigt. Die
elektrischen und elektronischen Bauteile können in mehreren Etagen untereinander
innerhalb des Schrankes angeordnet und lösbar gehaltert werden. Jeder Schrank ist
vorzugsweise mit einer weiten Öffnung versehen, so daß alle im Schrank enthaltenen
Baugruppen zugänglich sind. Die Öffnung kann mit einer ebenfalls aus Blech gefertigten
Tür geschlossen werden. Um die Verlustwärme,
die von den elektrischen
und elektronischen Bauelementen erzeugt wird , aus dem Schrank ableiten zu können,
sind die heute verwendeten Schränke mit einem elektrischen Lüfter, insbesondere
einem Ventilator, versehen.
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Wie bereits oben beschrieben sind die elektrischen beziehungsweise
elektronischen Bauelemente in Etagenbauweise innerhalb des Schrankes angeordnet.
Dies bedeutet, daß die von den unteren Baugruppen erwärmte Luft zusätzlich durch
die darüber befindlichen Bauelemente strömt.
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Dadurch entstehen sogenannte Wärmenester zwischen den einzelnen Bauelementen.
Mit den eingebauten Lüftern ist es möglich diese Wärmenester im Schrank abzubauen.
Die Lüfter sind jedoch nicht in der Lage größere Wärmemengen an die Umgebung abzuführen,
da die Umgebungstemperatur der Schränke oftmals sehr hoch ist. Ein weiterer Nachteil
ist darin zu sehen, daß bei der dezentralen Aufstellung der Schränke für das Betreiben
der Lüfter speziell. für diese Versorgungsleitungen verlegt werden müssen. Außerdem
muß bei der dezentralen Aufstellung der Schränke der Betrieb der Lüfter überwacht
werden. Hierdurch entstehen weitere Kosten, die eine solche Anlage wesentlich verteuern.
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Es sind ferner Schränke bekannt, die mit einer auf ihre Größe abgestimmten
Klimaanlage versehen sind. Für das Betreiben dieser Klimaanlage ist der wirtschaftliche
Aufwand sehr hoch und sehr kostspielig. Insbesondere muß für die Klimaanlage eine
elektrische Versorgungsleitung verlegt werden, zusätzlich ist die Klimaanlage ständig
auf ihre Funktionsfähigkeit hin zu überprüfen, so daß zusätzliche Überwachungsgeräte
erforderlich sind.
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Bei Schränken, die zentral aufgestellt sind, besteht die Möglichkeit,
diesen Kühlluft aus einer zentralen Klima-
anlage zuzuführen Bei
dezentral aufzustellenden Schränken scheitert diese Möglichkeit daran, daß der Aufwand
für das Verlegen der Luftkanäle zu groß ist. Zudem stellt das Verlegen dieser Luftkanäle
ein Platzproblem dar, da die Querschnitte dieser Luftkanäle relativ groß sind. Darüber
hinaus ist zu berücksichtigen, daß die von weither geholte Kühlluft in den langen
Zuleitungen durch die hohe Umgebungstemperatur bis zum Eintreffen an den Schränken
schon weitgehend aufgeheizt ist, so daß sie nur noch einen geringen Kühleffekt bewirkt.
Ferner ist zu berücksichtigen, daß bei der Zuleitung von Kühlluft zu dezentral aufgestellten
Schränken große Luftwider stände in den langen Kanälen auftreten, so daß ein kräftiger
Förderdruck notwendig ist. Durch diesen Druck wird die-Luft komprimiert und erwärmt,
so daß ihr Kühleffekt sehr stark gemindert wird Der Erfindung liegt deshalb die
Aufgabe zugrunde, einen Schrank zur Aufnahme von elektrischen und elektronischen
Bauelementen so zu schaffen, daß die Kühlung seines Innenraums unabhängig von einer
blektrischen Energieversorgung oder einer zentralen Klimaanlage erfolgen kann.
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Die Lösung erfolgt gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches
1.
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Erfindungsgemäß wird der Entspannungseinrichtung komprimierte Luft
zugeführt Bei Schränken, die in Kraftwerken aufgestellt werden, wird die Entspannungsvorrichtung
vorzugsweise an die Druckluftversorgung angeschlossen, deren Leitungen in der gesamten
Anlage verlegt sind. Die Menge an Druckluft, die für die Kühlung der Schränke erforderlich
ist, kann ohne weiteres aus dem Druckluftversorgungsnetz abgezweigt werden. In Kraftwerken
ist die
Druckluftversorgung sehr sicher aufgebaut. Um einen Ausfall
zu vermeiden, stehen Reserveaggregate in Bereitschaft, die bei einer Störung des
Betriebskompressors automatisch zugeschaltet werden. Außerdem ist mindestens ein
Speicherbehälter für Druckluft zusätzlich vorhanden.
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Die Steuerung und Signalisierung der Druckluftversorgung ist für andere
Bauelemente des Kraftwerkes ebenfalls erforderlich, sie muß nicht extra für die
Druckluftversorgung der Schränke eingebaut werden, so daß hierdurch keine zusätzlichen
Kosten entstehen.
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Die Entspannungseinrichtung wird vorzugsweise aus einer oder mehreren
Düsen aufgebaut. Diese Düsen werden im Innenraum des Schrankes vorzugsweise im unteren
Bereich des Schrankes verteilt angeordnet. Über eine Zuleitung können die Düsen
an die Druckluftversorgung#angeschlossen werden. Die Düsen der Entspannungseinrichtung
sind so ausgebildet, daß die Druckluft adiabatisch entspannt werden kann, so daß
die Temperatur der entspannten Luft niedriger ist als die der Druckluft. Die adiabatische
Entspannungseinrichtung ist so ausgelegt, daß die Temperatur des entspannten Gases
um etwa 60% gegenüber der Temperatur der Druckluft gesenkt ist.
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Bei einer Ausführungsform wird die entspannte Luft durch den gesamten
Innenraum des Schrankes geleitet. Sie strömt vom unteren Bereich des Schrankes1
zwischen den einzelnen in Etagen untereinander angeordneten Bauelementen hindurch,
in den oberen Bereich des Schrankes.
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Während die entspannte gekühlte Luft nach oben strömt, nimmt sie die
von den Bauelementen erzeugte Verlustwärme auf. Im oberen Bereich des Schrankes
ist mindestens eine Ableitung für den Austritt der Kühlluft vorgesehen.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die adiabatische
Entspannungseinrichtung in einen Wärmetau-
scher integriert. DeM
Wärmetauscher ist vorzugsweise als Rohrgitter ausgebildet. Er ist im Innenraum des
Schrankes, vorzugsweise im oberen Bereich angeordnet. Er besitzt mindestens eine
Zuleitung für die Druckluft. Zusätzlich ist er mit mindestens einer Ableitung für
den Austritt der entspannten erwärmten Luft versehen. Die adiabatische Entspannungsvorrichtung
wird auch hierbei durch Düsen gebildet. Vorzugsweise ist in jede Eintrittsöffnung
des als Wärmetauscher dienenden Rohrgitters eine solche Düse eingebaut. Die Düsen
sind so ausgebildet, daß das über die Zuleitung an sie herangeleitete komprimierte
gasförmige Medium adiabatisch so entspannt werden kann, daß die Temperatur des entspannten
Mediums mindestens um 60% gegenüber der Temperatur des komprimierten Mediums gesenkt
werden kann. Das gasförmige Medium, das auch bei dieser Ausführungsform vorzugsweise
Luft ist, strömt durch den Wärmetauscher.
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Die im Inneren des Schrankes befindliche warme Luft strömt außen am
Wärmetauscher vorbei, und gibt ihre Wärme an diesen ab. Die Wärme wird von der entspannten
gekühlten Luft aufgenommen und aus dem Schrank abgeleitet. Der Wärmetauscher ist
so ausgebildet, daß eine optimale Wärmeübertragung zwischen der im Schrank befindlichen
Luft und der durch ihn strömenden entspannten Luft erzielt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Weitere
Merkmale der Erfindung gehen aus der Beschreibung der Ausführungsbeispiele im Zusammenhang
mit den schematischen Zeichnungen hervor.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Schrank für die Aufnahme von elektri-
schen
undelektronischen Bauelementen im Vertikalschnitt, Fig. 2 eine Variante der in Fig.1
dargestellten Ausführungsform.
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In Fig. 1 ist ein Schrank 1 für die Aufnahme von elektrischen und
elektronischen Bauelementen dargestellt.
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Der Schrank 1 wird durch zwei seitliche Wände 2 und eine Rückwand
3 sowie eine Boden- und eine Deckplatte 4 und 5 begrenzt. Sämtliche Begrenzungsflächen
des Schrankes 1 sind aus Blech hergestellt. Der Innenraum 6 des Schrankes 1 ist
von vorne zugänglich. Diese Öffnung ist durch zwei Türen 7 verschließbar, wovon
nur eine in Fig. 1 dargestellt ist. Die beiden Türen sind ebenfalls aus Blech gefertigt.
Im Inneren des Schrankes 1 sind die elektronischen Geräte 8 angeordnet. Die Bauelemente
sind in Etagen untereinander installiert. Im unteren Bereich des Schrankes ist eine
Entspannungseinrichtung 9 angeordnet. Sie wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
durch 5 Düsen 10 gebildet. Die Düsen sind auf der Bodenplatte 4 des Schrankes 1
in definiertem Abstand voneinander installiert. Der Abstand der Düsen 10 voneinander
und ihre Verteilung auf der Bodenplatte 4 wird durch die jeweiligen Gegebenheiten
bestimmt.
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Insbesondere wird die Anordnung der Düsen von der Größe des Schrankes
1 bestimmt. Das Gleiche gilt für die Anzahl der verwendeten Düsen 10. Es besteht
die Möglichkeit innerhalb des Schrankes 1 auch nur eine Düse 10 anzuordnen. Ebenso
kann die Zahl der Düsen 10 beliebig erhöht werden. Die Eintrittsöffnungen der Düsen
(hier nicht dargestellt) sind an die Zuleitung 11 angeschlossen. Diese Zuleitung
11 steht mit der Druckluftversorgungsleitung
(hier nicht dargestellt)
des Kraftwerkes in Verbindung Über diese Zuleitung wird den Düsen 10 die für die
kühlung erforderliche Druckluft zugeführt Die Entspannungseinrichtung 9 ist so ausgebildet,
daß durch sie eine adiabatische Entspannung der komprimierten Luft erzielt wird,
so daß die Temperatur der entspannten Luft um mindestens 60% gegenüber der Temperatur
der Druckluft gesenkt wird Die adiabatische Entspannungseinrichtung 9 ist bei allen
Ausführungsformen so ausgelegt, daß die entspannte Luft eine so niedrige Temperatur
aufweist, daß durch sie ein optimaler Kühlungseffekt innerhalb des Schrankes erzielt
werden kann Die aus den Düsen 10 austretende entspannte Luft strömt zwischen den
elektronischen Geräten 8 hindurch in den oberen Bereich des Schrankes 1 Dabei nimmt
sie die von den elektronischen Geräten 8 erzeugte Verlustwärme, die sich teilweise
zwischen den Geräten staut, auf Sie strömt bis in den oberen Bereich des Schrankes
10 Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die beiden seitlichen Begren
zungswände des Schrankes 1 je eine Ableitung 12 auf Über diese gelangt die erwärmte
Luft aus dem Innenraum 6 des Schrankes nach außen Die Ableitung 10 ist vorzugsweise
an die Anschlußleitung einer Absaugvorrichtung (hier nicht dargestellt) angeschlossen
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Kühlung wird nachfolgend erläutert Als Ausführungsbeispiel
dient der in Fig 1 dargestellte Schrank Zur Erläuterung wird davon ausgegangen,
daß die im Inneren des Schrankes 1 angeordneten elektronischen Geräte eine Verlustleistung
von 290 W erzeugen Dem Schrank wird über die Zuleitung 11 Druckluft mit 7 bar zugeführt
Die zugeführte Druck luft ist trocken und sauber Ihre Temperatur beträgt 308 C(35°C)o
Die den Düsen 10 zugeleitete Druckluft wird
adiabatisch entspannt.
Gemäß dem Poissonschen Gesetz gilt für die adaibatische Zustandsgleichung: p # v#
= const ferner gilt p ~ v = R. T daraus folgt für ein Gas mit einem Druck p1, einer
Temperatur T1 und einem Volumen v1 gilt: P1 ~ V1# = const P1 . V1 = R ~ T1 nimmt
dieses Gas den Druck P2, die Temperatur T2 und das Volumen v2 an, so gilt: P2 ~
V2# = const und P2 ~ v2 = RT2 P1 ~ vl = P2 . V2# T2 = (P2/P1) .
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T1
Aus dieser Gleichung.kann die Temperatur der auf
lbar entspannten Luft berechnet werden, wenn davon ausgegangen wird, daß die Druckluft
die oben angegebene Temperatur von 308 K (350C) aufweist und mit 7bar den Düsen
10 zugeleitet wird Unter diesen Bedingungen ergibt sich für die Temperatur der entspannten
Luft: T2 = 176 K ( - 970C) Wird dem Schrank, insbesondere der Entspannungseinrichtung
9, pro Stunde ein Kubimeter Druckluft zugeführt, so kann die von der Luft in dieser
Zeit aufgenommene Wärmemenge gemäß nachfolgender Gleichung berechnet werden: Q =
m o Cp o #T; Cp Luft = 1,01 kJ4kg ~ K) Hat die entspannte Luft beim Verlassen des
Schrankes eine Temperatur von 368 K (+650C),so ergibt sich daraus für AT = 162 K.
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Die von einem Kubikmeter Luft pro Stunde aufgenommene Wärmemenge Q
beträgt in diesem Fall 209 kJ. Dies entspricht einer Verlustleistung von P = Q/t.
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Von einem Kubikmeter Druckluft kann demgemäß eine Verlustleistung
von 58W in einer Stunde aus dem Schrank geleitet werden. Wie eingangs beschrieben,
erzeugen die elektronischen Geräte 8, welche in den Schrank 1 eingebaut sind, eine
Verlustleistung von 290W. Daraus folgt, daß dem in Fig 1 dargestellten Schrank eine
Druckluftmenge von 5m3/h zugeführt werden muß, um eine Verlustleistung P o 290W
ableiten zu können.
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Fig. 2 zeigt eine Variante des in Fig. 1 dargestellten Schrankes für
die Aufnahme von elektrischen und elektronischen Bauelementen. Der hier dargestellte
Schrank 1 wird wiederum durch zwei seitliche Wände 2, eine Rückwand 3 sowie einer
Bodenplatte 4 und einer Deckplatte 5 gebildet. Die Begrenzungsflächen des Schrankes
1 sind alle aus Blech gefertigt. Auf der yorderseite ist der Schrank durch zwei
Türen 7 verschließbar. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist nur eine
Tür 7 dargestellt. Die Türen 7 sind ebenfalls aus Blech gefertigt. Im Innenraum
des Schrankes 1 sind mehrere elektronische Bauelemente 8 untereinander angeordnet.
Im oberen Bereich des Schrankes 1 ist ein Wärmetauscher 15 installiert. Der Wärmetauscher
15 ist als Rohrgitter ausgebildet. Wie Fig. 2 zeigt, ist in den Wärmetauscher 15
eine Entspannungseinrichtung 9 integriert. Insbesondere ist in jeder Eintrittsöffnung
des Rohrgitters eine Düse 10 der Entspannungseinrichtung 9 angeordnet. Den Düsen
10 wird über die Zuleitung 11 Druckluft zugeführt. Die aus den Düsen 10 austretende
entspannte Luft strömt durch den Wärmetauscher 15. Die Temperatur dieser entspannten
Luft ist wiederum um mindestens 60% gegenüber der Temperatur der Druckluft erniedrigt.
Während die entspannte Luft durch den Wärmetauscher 15 strömt, nimmt sie die Wärme
auf, die von der im Schrank 1 befindliche Luft an den Wärmetauscher 15 abgegeben
wird. Über die Ableitungen 12 verläßt die erwärmte Luft wieder den Schrank, insbesondere
den im Schrank installierten Wärmetauscher 15.
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