DE102012201433A1

DE102012201433A1 - Schaltschrank mit Vorrichtung zum Kühlen

Info

Publication number: DE102012201433A1
Application number: DE201210201433
Authority: DE
Inventors: Stefan Hirschfeld; Pierre Wohlgemuth
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2013-08-01
Also published as: WO2013113431A1; EP2798926A1

Abstract

Es wird ein Schaltschrank mit einer Vorrichtung zum Kühlen von in einem Bereich des Schaltschranks befindlicher Bauelemente offenbart, wobei die Vorrichtung zum Kühlen mindestens ein aktives Kühlelement, welches in seiner Kühlleistung veränderbar ist, mindestens einen Temperatursensor, welcher ein elektrisches Signal in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur im zu kühlenden Bereich des Schaltschranks ausgibt, sowie ein Regelungselement zum Einstellen der veränderbaren Kühlleistung des aktiven Kühlelements umfasst, wobei das Regelungselement zum Einstellen der Kühlleistung mindestens das elektrische Signal des Temperatursensors verwendet.

Description

Ein Schaltschrank dient im Allgemeinen dazu, stromführende oder elektronische Geräte aufzunehmen. Die sich im Schaltschrank befindenden Geräte können beispielsweise elektronische Bauelemente sein. Die elektronischen Bauelemente weisen im Betrieb eine Verlustleistung auf, die sich in der Entstehung von Wärme äußert. Durch die Umkapselung der Bauelemente durch das Gehäuse des Schaltschranks führt dies zu einer weiteren Erwärmung der Bauelemente, was deren Lebensdauer beeinträchtigen kann.
Um die im Schaltschrank befindlichen Bauelemente vor einer Überhitzung zu schützen und durch die betriebsbedingte Verlustleistung nicht zu beschädigen, werden typischerweise die Bauelemente mit einer geringeren Leistung als der möglichen Maximalleistung betrieben. Dadurch wird die Lebensdauer der im Schaltschrank befindlichen Bauelemente erhöht. Zusätzlich wird typischerweise nicht der gesamte zur Verfügung stehende Raum im Schaltschrank mit elektronischen Bauelementen gefüllt, um eine unzulässige Erwärmung dieser zu verhindern.
Typischerweise werden Schaltanlagen entwärmt bzw. klimatisiert, indem Lüftungsschlitze oder Lufteintrittsöffnungen bzw. Luftaustrittsöffnungen an der äußeren Hülle (Gehäuse) des Schaltschranks angebracht werden. Schaltanlagen können durch natürliche Konvektion im Innern des Gehäuses des Schaltschranks gekühlt werden. Zusätzlich können die im Schaltschrank befindlichen Bauelemente aktiv belüftet werden. Bei einer Zwangsbelüftung mit rotierenden Luftmengenförderungsgeräten, wie zum Beispiel Lüftern oder Ventilatoren, werden diese meist durch einfache Thermostate gesteuert. Problematisch dabei ist, dass beim Erreichen einer festgelegten Maximaltemperatur die Lüfter eingeschaltet und beim Unterschreiten einer niedrigeren Grenztemperatur ausgeschaltet werden. Die Lüfter laufen typischerweise nach ihrem Einschalten mit ihrer Nennleistung.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlsystem für eine Schaltschrankklimatisierung anzugeben, die besser angepasst an der entstehenden Wärmemenge die Einbauten des Schaltschranks entwärmt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen Schaltschrank mit einer Vorrichtung zum Kühlen von in einem Bereich des Schaltschranks befindlicher Bauelemente gelöst, wobei die Vorrichtung zum Kühlen mindestens ein aktives Kühlelement, welches in seiner Kühlleistung veränderbar ist, mindestens einen Temperatursensor, welcher ein elektrisches Signal in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur im zu kühlenden Bereich des Schaltschranks ausgibt, sowie ein Regelungselement zum Einstellen der veränderbaren Kühlleistung des aktiven Kühlelements umfasst, wobei das Regelungselement zum Einstellen der Kühlleistung mindestens das elektrische Signal des Temperatursensors verwendet.
Vorteilhaft hierbei ist, dass die Kühlleistung der Vorrichtung zum Kühlen angepasst werden kann an der Wärmemenge, die durch die Einbauten entsteht. Durch die Möglichkeit, die Kühlleistung des aktiven Kühlelements einzustellen, kann der Energieverbrauch der Kühlung verringert werden. Zusätzlich kann dadurch die Lebensdauer der aktiven Kühlelemente erhöht werden. Eine Verschmutzung im Inneren des Schaltschranks kann dadurch vermieden werden, dass die aktiven Kühlelemente nicht mit ihrer Maximalleistung betrieben werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine aktive Kühlelement als Ventilator ausgebildet. Die Kühlleistung des Ventilators kann durch die Veränderung seiner Drehzahl einstellbar sein. Dadurch, dass die Kühlleistung über die Drehzahl des Ventilators einstellbar ist, hat die Vorrichtung zum Kühlen eine geringere Geräuschemission. Ebenfalls wird dadurch der Energieverbrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen verringert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung stellt das Regelungselement die veränderbare Kühlleistung des aktiven Kühlelements mit einem Pulsweiten-modulierten Signal ein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Ventilator ein Element zur Messung der Drehzahl. Dieses Element gibt ein Signal aus, dass von dem Regelungselement zum Einstellen der veränderbaren Kühlleistung des aktiven Kühlelements verwendet wird. Das Element zur Messung der Drehzahl des Ventilators kann ein Hall-Sensor sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung verwendet das Regelungselement zum Einstellen der Kühlleistung des Ventilators mindestens eine Drehzahl-Temperatur-Kennlinie. Vorteilhaft hierbei ist, dass solch eine Kennlinie frei programmierbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Regelungselement einen Schalter, durch dessen Stellung zwischen unterschiedlichen Drehzahl-Temperatur-Kennlinien zum Einstellen der Kühlleistung des Ventilators gewählt werden kann. Durch den Schalter kann besonders einfach zwischen unterschiedlichen Drehzahl-Temperatur-Kennlinien gewählt werden.
Die Vorrichtung zum Kühlen von im Schaltschrank befindlichen Bauelementen kann zusätzlich einen elektrischen Eingang aufweisen, mittels dessen ein externes Signal an die Vorrichtung zum Kühlen angelegt werden kann, welches die Drehzahl des Ventilators festlegt. Dadurch ist es möglich, durch ein externes Signal die Vorrichtung zum Kühlen direkt anzusteuern.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung zum Kühlen von im Schaltschrank befindlichen Bauelementen zusätzlich eine Schnittstelle auf, die es ermöglicht, das Regelungselement zum Einstellen der Kühlleistung fernzusteuern oder fernzuüberwachen. Vorteilhaft hierbei ist, dass über eine solche Schnittstelle die Vorrichtung beispielsweise an einen Bus angebunden und gesteuert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das aktive Kühlelement und/oder der Temperatursensor vom Regelungselement mit elektrischer Energie versorgt. Dadurch verringert sich der Verkabelungsaufwand innerhalb des Schaltschranks.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben.
1 Schaltschrank mit Vorrichtung zum Kühlen von in einem Bereich des Schaltschranks befindlicher Bauelemente,
2 aktives Kühlelement, Temperatursensor und Regelungselement einer Vorrichtung zum Kühlen von in einem Bereich des Schaltschranks befindlicher Bauelemente, und
3 Drehzahl-Temperatur-Kennlinie zum Einstellen der Kühlleistung eines aktiven Kühlelements.
1 zeigt einen Schaltschrank 10 mit einer Vorrichtung 100 zum Kühlen von in einem Bereich 200 des Schaltschranks 10 befindlicher Bauelemente 210. Der Schaltschrank 10 kann in unterschiedliche Felder 11, 12, 13, 14 aufgeteilt sein. Die Vorrichtung 100 zum Kühlen kann sich in einem der Felder 11, 12, 13, 14 befinden. Der Bereich 200 des Schaltschranks 10, in dem sich Einbauten, beispielsweise Bauelemente 210 befinden, kann ebenfalls in einem der Felder 11, 12, 13, 14 untergebracht sein. Vorrichtung 100 und Bereich 200 müssen nicht notwendigerweise im selben Feld untergebracht sein.
2 zeigt die Vorrichtung 100 zum Kühlen von in einem Bereich 200 des Schaltschranks 10 befindlicher Bauelemente 210.
Die Vorrichtung 100 zum Kühlen umfasst mindestens ein aktives Kühlelement 300, welches in seiner Kühlleistung veränderbar ist, mindestens einen Temperatursensor 400, welcher ein elektrisches Signal 410 in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur im zu kühlenden Bereich 200 des Schaltschranks 10 ausgibt, sowie ein Regelungselement 500 zum Einstellen der veränderbaren Kühlleistung des aktiven Kühlelements 300. Zum Einstellen der Kühlleistung des aktiven Kühlelements 300 durch das Regelungselement 500 wird von diesem mindestens das elektrische Signal 410 des Temperatursensors 400 verwendet. Das Regelungselement 500 stellt die veränderbare Kühlleistung des aktiven Kühlelements 300 durch ein Signal 310 ein. Das Signal 310 kann beispielsweise ein Pulsweiten-moduliertes Signal sein, bei welchem beispielsweise bei konstanter Frequenz die Information in der Breite der Pulse kodiert ist.
Das aktive Kühlelement 300 kann als Ventilator ausgebildet sein. Der Ventilator 300 kann in seiner Kühlleistung durch die Veränderung seiner Drehzahl einstellbar sein. In diesem Fall wird durch das Pulsweiten-modulierte Signal 310 die Drehzahl des Ventilators 300 eingestellt.
Der Ventilator 300 kann ein Element 350 zur Messung der Drehzahl umfassen. Das Element 350 gibt ein Signal 360 aus, welches von dem Regelungselement 500 zum Einstellen der veränderbaren Kühlleistung des aktiven Kühlelements 300 verwendet wird. Ebenfalls kann das Signal 360 verwendet werden, um einen Ausfall des Ventilators 300 zu detektieren und zu überwachen. Das Element 350 zur Messung der Drehzahl des Ventilators 300 kann als Hall-Sensor ausgebildet sein.
Das aktive Kühlelement 300 kann vom Regelungselement 500 mit elektrischer Energie über das Signal 390 versorgt werden. Der Temperatursensor 400 kann vom Regelungselement 500 mit elektrischer Energie durch das Signal 490 versorgt werden.
Das Regelungselement 500 zum Einstellen der Kühlleistung des Ventilators 300 kann dazu eine Drehzahl-Temperatur-Kennlinie 550 verwenden. Die Drehzahl-Temperatur-Kennlinie 550 ist näher in 3 dargestellt.
3 zeigt in einem Diagramm die Drehzahl des Ventilators 300 über der – vom Temperatursensor 400 gemessenen und über Signalleitung 410 an das Regelungselement 500 weitergegebenen – Temperatur aufgetragen. Unterhalb einer Temperatur T0 ist der Ventilator 300 abgeschaltet, seine Drehzahl N = 0. In einem Temperaturbereich von T0 bis T1 soll die Drehzahl des Ventilators 300 einer Drehzahl Nmin entsprechen und konstant sein. Im Intervall zwischen den Temperaturen T1 und T2 soll die Drehzahl des Ventilators 300 linear vom Wert Nmin bei T1 zum Wert Nmax bei T2 ansteigen. Nmax bezeichnet dabei die maximal mögliche Drehzahl des Ventilators 300, Nmin die minimal mögliche Drehzahl des Ventilators 300. Oberhalb der Temperatur T2 soll der Ventilator mit der maximal möglichen Drehzahl Nmax kühlen.
Die Drehzahltemperaturkennlinie 550 ist in einem typischen Verlauf in 3 dargestellt, der entsprechend der Ausgestaltung zweckmäßig variiert werden kann. Die Temperaturen T0, T1, T2 können zweckmäßig auf den Schaltschrank 100 und die zukühlenden Bauelement 210 abgestimmt sein.
In 2 ist ebenfalls der Schalter 560 dargestellt, der Teil des Regelungselements 500 sein kann. Durch die Stellung des Schalters 560 kann zwischen unterschiedlichen Drehzahl-Temperatur-Kennlinien 550 zum Einstellen der Kühlleistung des Ventilators 300 gewählt werden. Schalter 560 ermöglich somit ein manuelles Umschalten zwischen verschiedenen, unterschiedlichen Drehzahl-Temperatur-Kennlinien 550. Außerdem ermöglicht es der Schalter 560 Drehzahl-Temperatur-Kennlinien 550 für unterschiedliche Ventilatoren-Modelle einzustellen. Der Schalter 560 kann hardwareseitig vorhanden sein zur schnellen, unkomplizierten Einstellung der Drehzahl-Temperatur-Kennlinien 550. Es ist aber auch denkbar, die Drehzahl-Temperatur-Kennlinien 550 ausschließlich im Speicher des Regelungselements 500 zu hinterlegen und die Einstellung der Drehzahl-Temperatur-Kennlinien 550 über eine Software vorzunehmen.
Die Vorrichtung 100 zum Kühlen von im Schaltschrank 10 befindlicher Bauelemente 210 kann zusätzlich einen elektrischen Eingang 570 aufweisen, mittels dessen ein externes Signal an die Vorrichtung 100 zum Kühlen angelegt werden kann, welches die Drehzahl des Ventilators 300 festlegt. Durch das am elektrischen Eingang 570 angelegte Signal kann der Ventilator 300 direkt extern gesteuert und in seiner Drehzahl festgelegt werden.
Die Vorrichtung 100 zum Kühlen von im Schaltschrank 10 befindlicher Bauelemente 210 kann zusätzlich eine Schnittstelle 571 umfassen, die es ermöglicht, das Regelungselement 500 zum Einstellen der Kühlleistung fernzusteuern oder fernzuüberwachen. Über die Schnittstelle 571 kann das Regelungselement 500 beispielsweise an ein Bussystem oder Datenkommunikationsinterface angebunden sein. Die Einstellung der Drehzahl-Temperatur-Kennlinie 550 kann beispielsweise über die Schnittstelle 571 per Fernwartung vorgenommen werden.
Des Weiteren kann die Vorrichtung 100 zum Kühlen von im Schaltschrank 10 befindlicher Bauelemente 210 einen parametrierbaren Relaisausgang 572 umfassen. Ein solcher parametrierbarer Relaisausgang 572 kann beispielsweise der Störungsmeldung dienen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht den Einsatz einer temperaturabhängigen Drehzahlregelung mit Lüfterausfallüberwachung, die in der Lage ist, die Feldklimatisierung in einer Niederspannungsschaltungsanlage effektiv zu regeln. Die Regelung steuert die Lüfter so an, dass die gewünschte Temperatur gehalten wird und die Verlustwärme sicher abgeführt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht den Einsatz einer temperaturabhängigen Drehzahlregelung in einem Niederspannungsschaltschrank mit integrierter Ausfallüberwachung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann variabel über frei programmierbare Drehzahl-Temperatur-Kennlinien angesteuert werden. Die drehzahlabhängige Regelung ermöglicht es, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine geringe Geräuschemission aufweist. Ebenfalls ermöglicht die drehzahlabhängige Regelung einen sparsamen Energieverbrauch. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird der Verschleiß der Ventilatoren verringert und dadurch die Lebensdauer der Ventilatoren erhöht. Insgesamt steigt dadurch die Anlagenverfügbarkeit des Schaltschranks 10 und somit die Sicherheit durch die Lüfterausfallüberwachung. Verschmutzungen des Schaltschranks 10 werden dadurch verringert, dass die Drehzahl der Ventilatoren an den Kühlbedarf angepasst ist und die Ventilatoren im normalen Betrieb nicht bei voller Drehzahl laufen.

Claims

Schaltschrank (10) mit einer Vorrichtung (100) zum Kühlen von in einem Bereich (200) des Schaltschranks (10) befindlicher Bauelemente (210), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) zum Kühlen mindestens ein aktives Kühlelement (300), welches in seiner Kühlleistung veränderbar ist, mindestens einen Temperatursensor (400), welcher ein elektrisches Signal (410) in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur im zu kühlenden Bereich (200) des Schaltschranks (10) ausgibt, sowie ein Regelungselement (500) zum Einstellen der veränderbaren Kühlleistung des aktiven Kühlelements (300) umfasst, wobei das Regelungselement (500) zum Einstellen der Kühlleistung mindestens das elektrische Signal (410) des Temperatursensors (400) verwendet.
Schaltschrank (10) gemäß Anspruch 1, bei dem das mindestens eine aktive Kühlelement (300) als Ventilator ausgebildet ist.
Schaltschrank (10) gemäß Anspruch 2, bei dem die Kühlleistung des mindestens einen Ventilators (300) durch die Veränderung seiner Drehzahl einstellbar ist.
Schaltschrank (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Regelungselement (500) die veränderbare Kühlleistung des aktiven Kühlelements (300) mit einem Pulsweiten-modulierten Signal einstellt.
Schaltschrank (10) gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, bei dem der Ventilator (300) ein Element (350) zur Messung der Drehzahl umfasst, welches ein Signal (360) ausgibt, dass von dem Regelungselement (500) zum Einstellen der veränderbaren Kühlleistung des aktiven Kühlelements (300) verwendet wird.
Schaltschrank (10) gemäß Anspruch 5, bei dem das Element (350) zur Messung der Drehzahl des Ventilators (300) ein Hall-Sensor ist.
Schaltschrank (10) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das Regelungselement (500) zum Einstellen der Kühlleistung des Ventilators (300) mindestens eine Drehzahl-Temperatur-Kennlinie (550) verwendet.
Schaltschrank (10) gemäß Anspruch 7, bei dem das Regelungselement (500) einen Schalter (560) umfasst, durch dessen Stellung zwischen unterschiedlichen Drehzahl-Temperatur-Kennlinien (550) zum Einstellen der Kühlleistung des Ventilators (300) gewählt wird.
Schaltschrank (10) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Vorrichtung (100) zum Kühlen von im Schaltschrank (10) befindlichen Bauelementen (210) zusätzlich einen elektrischen Eingang (570) aufweist, mittels dessen ein externes Signal an die Vorrichtung (100) zum Kühlen angelegt werden kann, welches die Drehzahl des Ventilators (300) festlegt.
Schaltschrank (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) zum Kühlen von im Schaltschrank (10) befindlichen Bauelementen (210) zusätzlich eine Schnittstelle (571) aufweist, die es ermöglicht das Regelungselement (500) zum Einstellen der Kühlleistung fernzusteuern oder fernzuüberwachen.
Schaltschrank (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das aktive Kühlelement (300) und/oder der Temperatursensor (400) vom Regelungselement (500) mit elektrischer Energie versorgt werden.