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Die Erfindung betrifft einen Schaltschrank mit einem Luftkanal zur Kühlung einer zu kühlenden Komponente, wobei der Luftkanal einen Lufteinlass und einen Luftauslass aufweist, wobei der Luftkanal zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass derart geschlossen ist, einen Luftaustausch mit der Umgebung des Luftkanals zu verhindern.
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Die Abwärme von elektronischen Bauteilen, insbesondere von Leistungselektronik-Bauteilen, wie beispielsweise IGBT-Modulen, führt in Schaltschränke, in denen diese Bauteile untergebracht sind, zu einer Erhöhung der Schranktemperatur und damit zu einer Verringerung der Lebenszeit und Zuverlässigkeit der Elektronik-Bauteile. Als Schaltschränke gelten dabei Aufbauten, in denen die elektronischen Bauteile, im Folgenden auch als zu kühlenden Komponenten bezeichnet, untergebracht sind. Damit stellt unter anderem auch ein Schrank eines Umrichters einen Schaltschrank dar.
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Es ist geläufig, die Umgebungsluft als Kühlmedium für die Kühlung der elektronischen Bauteile zu verwenden. Die Umgebungsluft kann jedoch in manchen Regionen der Welt einen hohen Verschmutzungsgrad (z. B. Industrie-/Verkehrsabgase), sowie Feststoffpartikelbelastungen (z. B. Wüstensand) unterliegen. Dies führt bei einer direkten Nutzung zu einer Beschädigung durch Ablagerung, chemischen Angriff oder Abrasion.
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Heutzutage üblich ist die Verwendung der Umgebungsluft als Kühlmedium für die direkte Kühlung. Dazu wird einerseits durch direkte Verwendung der Umgebungsluft aus der Umgebung zur Kühlung bzw. durch Verwendung unterschiedlicher Pfade für empfindliche Komponenten mit vorgefilterter Luft und unempfindlicherer Komponenten mit ungefilterter Luft realisiert. Die zu kühlenden Komponenten werden mit dieser Luft angeblasen. Typischerweise kommen dabei eine Vielzahl an Komponenten zur Herstellung einer forcierten Luftbewegung (z. B. Lüfter, Gebläse) und eine Vielzahl an Kühlkörpern zum Einsatz. Dabei können mehrere Kühlkörper, z. B. für eine bestimmte Elektronik-Bauteilart bzw. für mehrere Elektronik-Bauteilarten, zum Einsatz kommen. Bei diesen Kühlkörpern können Aluminium-Strangprofile, verpresste Profile, geklebte oder gelötete Profile zum Einsatz kommen.
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Aus der
DE 10 2010 027 765 A1 ist eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Bauteilen mit einem Kühlfluid bekannt. Diese umfasst ein Stranghohlprofi mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Kühlkanälen, durch welche das Kühlfluid strömt, wobei die Kühlkanäle wenigstens einen Wandbereich aufweisen, der eine von einer ebenen Fläche abweichende Form aufweist.
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Aus der
DE 101 40 328 A1 ist eine Kühleinrichtung zur Kühlung elektronischer Bauelemente mit einem Kühlkörper aus wärmeleitendem Material bekannt. Der Kühlkörper weist dabei einen vom wärmeleitenden Material umgebenen Hohlraum zum Durchströmenlassen eines Fluids durch den Kühlkörper und zwei oder mehr vom Hohlraum abgekehrte und in voneinander verschiedene Richtungen weisende äußere Oberflächenabschnitte auf, an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind.
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Aus der
DE 10 2005 031 759 A1 ist eine Stromrichteranordnung mit einer Kühleinrichtung, einer Mehrzahl von Halbleitereinrichtungen, wie Leistungshalbleitermodulen, und einer Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Halbleitereinrichtungen bakannt. Die Kühleinrichtung weist mindestens einen um deren Längsachse angeordneten Metallformkörper auf, der somit eine Mehrzahl von Kühlflächen mit daran angeordneten Kühlmitteln ausbildet. Diese Kühlflächen bilden eine äußeren Begrenzung der Kühleinrichtung und die Kühlmittel sind im Inneren dieser Kühleinrichtung angeordnet. Die Kühleinrichtung wird weiterhin von einem Kühlmedium durchflossen. Auf mindestens einer der Kühlflächen der Kühleinrichtung sind die Halbleitereinrichtungen angeordnet und die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung ist direkt benachbart zur jeweiligen Halbleitereinrichtung angeordnet.
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Aus der
DE 10 2012 001 120 A1 ist ein Modul mit einer Kühlanordnung zur Entwärmung bekannt. Das Modul weist einen Kühlkörper auf, wobei der Kühlkörper einen durchgehenden Hohlraum aufweist, welcher als Kühlkanal fungiert, und der Kühlkörper als Stranggussteil ausgeführt ist.
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Aus der
DE 10 2013 004 007 A1 ist ein Solarwechselrichter bekannt. Der Solarwechselrichter umfasst wenigstens eine zu kühlende elektronische Komponente, einen Kühlkanal, wobei die wenigstens eine zu kühlende elektronische Komponente thermisch leitend mit dem Kühlkanal verbunden und/oder zumindest teilweise in dem Kühlkanal angeordnet ist, wenigstens eine Kühlluftstrom-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen eines Kühlluftstroms durch den Kühlkanal, wenigstens eine Steuervorrichtung zum Ermitteln und Auswerten einer Kühlluft-Durchflussleistung durch den Kühlkanal und wenigstens eine Reinigungsvorrichtung zum Durchführen einer Selbstreinigung des Kühlkanals, wenn die ermittelte Kühlluft-Durchflussleistung einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet, wobei die Steuervorrichtung mit der Reinigungsvorrichtung zum Ansteuern derselben verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kühlung anzugeben, die auch bei verschmutzter Umgebungsluft, eine Verschmutzung der zu kühlenden Komponenten vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch einen Schaltschrank mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Kapselung der zu kühlenden Komponenten, insbesondere der Elektronik-Komponenten, von der Umgebungsluft die Sicherheit der Komponenten vor Verschmutzungen, wie beispielsweise vor Abrasion, chemischen Angriff etc., sichergestellt werden kann. Darüber hinaus kann auf den Einsatz verschiedener einzelner Kühlkörper für die einzelnen zu kühlenden Komponenten verzichtet werden. Der Luftkanal stellt für die zu kühlenden Komponenten den Kühlkörper dar. Die Anordnung der zu kühlenden Komponenten erfolgt dabei bevorzugt so, dass elektronische Bauteile mit hoher thermischer Leistungsabgabe im unteren Bereich (Bereich der kalten Umgebungsluft) eingebaut werden. Dabei ist die maximale zulässige Bauteiltemperatur zu berücksichtigen.
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Der Einsatz eines einzelnen zentralen Kühlkörpers, auf welchem die zu kühlenden Bauteile montiert sind, stellt einen hohen Integrationsgrad dar. Des Weiteren ermöglicht die von dem Innern des Schaltschrankes abgekoppelte Luftführung den Einsatz von lediglich einem einzelnen Lüfter zur Bewegung der Luft im Luftkanal. Die Bewegung der Luft wird auch als Luftstrom bezeichnet.
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Durch den Verzicht auf weitere Einheiten zur Bewegung der Luft, wie beispielsweise Lüfter oder Gebläse, können bei der Produktion durch den Skalierungseffekt Kosteneinsparungen erzielt werden. Dieser erfindungsgemäße Aufbau erlaubt zudem eine kostengünstige, hoch zuverlässige und reproduzierbare Produktion des Kühlkörpers. Die Montage sämtlicher Komponenten auf dem Luftkanal, d. h. auf einer zentralen Einheit, reduziert die Anzahl möglicher Montagebauteile und erhöht damit die mechanische Ausfallsicherheit. Für Redundanzzwecke können auch ein weiterer oder mehrere weitere Lüfter eingesetzt werden.
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Die Außenfläche des Luftkanals ist stückweise eben, so dass Komponenten mit einer ebenen Fläche einfach darauf befestigt werden können. Der Vorgang der Kühlung wird auch als Entwärmung bezeichnet. Auf der Außenfläche des Luftkanals können neben den zu kühlenden Komponenten auch weitere Komponenten angeordnet werden, die keiner Kühlung bedürfen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die zu kühlenden Komponenten über den Umfang des Luftkanals gleichmäßig verteilt anzuordnen. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung der Wärme über den Querschnitt, die durch den Luftstrom über die Luft abgeführt wird. Darüber hinaus ist die Gewichtbelastung durch die zu kühlenden Komponenten auf den Luftkanal gleichmäßig über den Luftkanal verteilt. Dadurch lässt sich der Luftkanal besonders einfach und kostengünstig konstruieren.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der Luftkanal zumindest abschnittsweise einen Querschnitt aufweist, der als regelmäßiges Vieleck, insbesondere als Hexaederform oder als Dreiecksform, ausgebildet ist. Die geometrische Gestaltung des zentralen Kühlkörpers ist bevorzugt als regelmäßiges Vieleck auszuführen. Dies ergibt eine kompakte Bauform (Umfang zu Volumenverhältnis). Dieses Verhältnis erlaubt zudem die Gestaltung der Luftführung mit einer großen, wirksamen Oberfläche. Damit wird eine gute Kühlwirkung erreicht. Die gute Kühlwirkung stellt sich auch bei der Bewegung nur geringer Luftmengen durch den Luftkanal ein. Bevorzugte Flächen für den Querschnitt des Luftkanals sind dabei eine Hexaeder- oder Dreiecksform. Im Falle der Dreiecksform können dabei bevorzugt über den Umfang zwei bis drei gleichartigen zu kühlenden Komponenten, wie beispielsweise Pack-Modulen von Stromrichtern, angeordnet werden. Im Falle der Hexaederform können auf besonders einfache Weise sechs zu kühlende Komponenten, wie beispielsweise Single-Module, über den Umfang verteilt angebracht werden. Die Kühlung von Stromschienen, auch als Busbars bezeichnet, die zur elektrischen Verbindung zwischen den zu kühlenden Komponenten dienen, kann dabei beispielsweise über eine wärmeleitfähige Folie oder über wärmeleitfähige Stege, welche mit dem Kühlkörper verbunden sind, erfolgen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung wird der Luftkanal durch ein Aluminium-Strangprofil gebildet. Der Einsatz von Aluminium-Strangprofilen hat sich aufgrund der für den Luftkanal benötigten Festigkeit als besonders günstig erwiesen. Die hohe Festigkeit ist daher erforderlich, da auf den Luftkanal die zu kühlenden Komponenten befestigt sind. Die Festigkeit ist erforderlich um die entsprechenden Gewichts- und ggf. Beschleunigungskräfte sicher führen zu können. Darüber hinaus hat sich Aluminium aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit für den Aufbau des Luftkanals, der als Kühlkörper dient, als besonders günstig erwiesen. Neben dem Einsatz eines Aluminiumstrangprofils können auch alle geläufigen Kühlkörperfertigungstechniken eingesetzt werden, wie beispielsweise Kleben, Fügen, Fräsen, usw.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist der Luftkanal im Innern Rippen auf. Durch diese Rippen, oftmals auch als Kühlrippen bezeichnet, lässt sich der Wärmeübergang von der zu kühlenden Komponente auf die Luft im Luftkanal deutlich verbessern. Damit ist eine besonders effektive Kühlung, auch bei nur geringen bewegten Luftmengen, möglich.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform ist zumindest ein Teil des Abschnitts des Luftkanals, dessen Querschnitt als Vieleck ausgebildeten ist, drehbar im Schaltschrank angeordnet. Die Verwendung einer drehbaren Lagerung für zumindest Teile des Luftkanals, der als zentraler Kühlkörper dient, erleichtert den Zugang für die Installation und Wartung der auf dem Luftkanal angebrachten Komponenten, da diese bei geöffneten Türen des Schaltschrankes durch entsprechendes Drehen des Luftkanals leicht zugänglich sind. Dies senkt Kosten für die Montage und die Wartung eines entsprechenden Schaltschrankes.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Dabei zeigen:
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1 die Seitenansicht eines Luftkanals,
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2 bis 4 den Querschnitt eines Luftkanals mit angeordneten Komponenten und
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5 und 6 einen Schaltschrank mit einem Luftkanal.
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1 zeigt einen Luftkanal 1 von der Seite. Die zu kühlenden Komponenten 2 sind an der Außenseite des Luftkanals 1 angeordnet. Mittels eines Lüfters 4 wird Luft durch den Luftkanal 1 in Strömung versetzt. Dabei ist üblicherweise der Lufteinlass 11 am unteren Ende des Luftkanals 1 angeordnet, während der Luftauslass 12 am oberen Ende des Luftkanals 1 angeordnet ist. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich die zu kühlenden Komponenten 2 mit höheren thermischen Verlusten im Bereich des Lufteinlasses 11 befinden, da hier aufgrund der geringeren Lufttemperatur eine höhere Kühlwirkung durch die Luft erzeugbar ist.
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2 zeigt den Querschnitt eines Luftkanals 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine quadratische Fläche. An der Außenseite des Luftkanals 1 sind die zu kühlenden Komponenten 2 angeordnet. 3 zeigt den Querschnitt eines Luftkanals 1 mit einer dreieckigen Fläche. Auf die Darstellung eines Lüfters 4 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. 4 zeigt eine Querschnittsfläche in Hexaederform. An der Außenseite des Luftkanals 1 sind auch hier die zu kühlenden Komponenten 2 angeordnet. Auch hier wurde auf die Darstellung eines Lüfters 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Des Weiteren sind zumindest Teile der zu kühlenden Komponenten 2 mit einer Stromschiene 5 verbunden. Die Kühlung, auch als Entwärmung bezeichnet, der Stromschiene 5 erfolgt über wärmeleitfähige Stege 6, mit denen die Stromschiene 5 und der Luftkanals 1 thermisch miteinander gekoppelt sind.
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5 zeigt einen Schaltschrank 3 mit geöffneten Türen 7. Im Innern dieses Schaltschrankes 3 ist ein Luftkanal 1 angeordnet. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den 1 bis 4 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. An der Außenseite des Luftkanals 1 sind die zu kühlenden Komponenten 2 angeordnet. Der Lüfter 4 bewirkt einen Luftstrom durch das Innere des Luftkanals 1. Es hat sich dabei als günstig erwiesen, den Lufteinlass 11 am unteren Ende und den Luftauslass 12 am oberen Ende des Schaltschrankes 3 anzuordnen. Mittels des Lüfters 4 wird in dieser Anordnung ein Luftstrom von unten nach oben erzeugt. Die Richtung des Luftstromes wird durch die Pfeile am Lufteinlass 11 und Luftauslass 12 symbolisiert. Bei geschlossenem Schaltschrank 3 ist das Innere des Schaltschrankes 3, insbesondere die zu kühlenden Komponenten 2 von der Luft der Umgebung isoliert. Verschmutzungen durch Partikel in der Umgebungsluft können somit an Komponenten im Innern des Schaltschrankes 3 zuverlässig vermieden werden. Es hat sich darüber hinaus als günstig erwiesen, den Luftkanals 1 drehbar, vorzugsweise um eine Achse in Richtung der Luftströmung, im Luftkanal 1 anzuordnen. Dies ist durch die kreisförmigen Pfeile in 5 dargestellt. Damit sind die an dem Luftkanal 1 angebrachten zu kühlenden Komponenten 2 auf einfache Weise von der Vorderseite des Schaltschrankes 3, an der sich üblicherweise die Türen 7 zum Zugriff auf das Innere des Schaltschranks befinden, erreichbar.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines geöffneten Schaltschrankes 3. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den 1 bis 5 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Im Unterschied zur Ausführung des 5 erfolgt der Luftansaug über den Lufteinlass 11 seitlich. Dies hat den Vorteil dass am Boden befindliche Schmutzpartikel nicht in den Luftkanals 1 angesaugt werden.
