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Die
Erfindung betrifft eine Luftzuführ-Anordnung,
insbesondere für
ein Gehäuse
zur Aufnahme elektrischer und/oder elektronischer Baueinheiten, insbesondere
Schaltschrank mit einer Gehäusewand,
die ein Wärmetauscherelement
aufweist oder bildet, wobei das Wärmetauscherelement eine wärmeaufnehmende
und eine wärmeabgebende
Seite aufweist, wobei im Bereich der wärmeaufnehmenden und/oder der
wärmeabgebenden
Seite ein Luftstrom geführt
ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Gehäuse zur Aufnahme elektrischer
und/oder elektronischer Baueinheiten mit einer derartigen Luftzuführ-Anordnung.
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Aus
der
DE 196 09 845
C1 ist ein Schaltschrank bekannt, der mit drei vertikalen
Seitenwänden
und einer frontseitigen Tür
sowie einem Boden und einem Dach einen Gehäuseinnenraum umschließt. Darin
sind elektrische Einbauten gehalten, die beim Betriebseinsatz Verlustwärme in den
Gehäuseinnenraum
abgeben. Zur Vermeidung einer Überhitzung
muss diese Wärme
an die Umgebung abgeführt
werden. Die Wärme
wird von den als Wärmetauscherelementen
ausgebildeten vertikalen Seitenwänden
aufgenommen. An der Gehäuseaußenseite
sind im Abstand zu den Seitenwänden
Kanalabdeckungen gehalten.
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Zwischen
den Kanalabdeckungen und den Seitenwänden ist ein Strömungskanal
gebildet, durch den ein Luftstrom geführt wird, dieser wird über den natürlichen
Kamineffekt in den Seitenwänden
erzeugt oder durch einen Lüfter
erzwungen. Der Luftstrom nimmt die Wärme von der Außenseite
der Seitenwand auf und führt
sie an die Umgebung ab. Es ist üblich,
die Luft am Rand der Wärmetauscherfläche einzuführen und
zwar so, dass die Öffnungen
möglichst
groß sind,
um die Strömungsverluste
zu reduzieren, wie dies beispielsweise in der
DE 296 05 555 U1 gezeigt
ist. Weiterhin sind Gehäuse
bekannt, bei denen keine zusätzlichen
Seitenwände
vorhanden sind, die die Luft führen.
Hier wird die Wärme über natürliche Konvektion
direkt an die Umgebungsluft abgegeben.
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Die
Wärmeabgabe
in dem Innenraum erfolgt auf ähnliche
Weise. Es sind weiterhin sowohl Gehäuse bekannt, die eine innere
Wandaufdopplung haben und einen Volumenstrom in diesen führen, der
die Wärme
an die Wand abgibt, als auch Gehäuse
ohne Doppelwand, wobei die Luft im Innenraum lediglich zirkuliert
wird und ein Volumenstrom infolge von Konvektion an den Wänden vorbeiströmt und die
Wärme an
diese abgibt. Bei Gehäusen
mit einer innen liegenden Wandaufdopplung ist erwähnenswert,
dass diese mit dem Lüfter
einen geschlossenen Kanal bilden insbesondere zwischen Lüfter und
Wärmetauscherfläche wobei
der Lüfter
in der Regel auf der Druckseite angeordnet ist. Der Volumenstrom
also vom Lüfter über geeignete
Kanäle
zu der Wärmetauscherflächen geführt wird.
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Aus
der
DE 195 31 310
A1 ist eine Gehäusewand
mit einer Luftzuführ-Anordnung
bekannt. Dabei wird eine Düsenplatte
zur Erzeugung eines gerichteten Luftstroms bekannt. Der Luftstrom
wird dabei in Richtung der zu kühlenden
Baueinheiten gerichtet. Die
DE 198 12 117 A1 offenbart ein Gehäuse, bei dem
die Gehäusewandungen
als Wärmetauscher verwendet
sind. Zur Vergrößerung der
Wärmetauscher-Oberfläche ist
diese mit Verwirbelungselementen ausgestattet.
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In
der
DE 101 19 095
A1 ist ein weiteres Gehäuse
offenbart, bei dem die Gehäusewände als Wärmetauscher
fungieren.
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Aus
der
DE 35 09 908 A1 geht
eine Luftzuführ-Anordnung
als bekannt hervor, bei der Düsen verwendet
sind. Die Düsen
sind so ausgestattet und angeordnet, dass Luftströmungen zu
lokalen Wärmenestern
geführt
werden können.
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Eine
weitere Luftzuführ-Anordnung
ist in der
EP 0 474
044 A1 beschrieben. Dabei ist eine Düsenplatte verwendet, über die
Luft einem Wärmetauscher
zugeführt
wird.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Luftzuführanordnung der eingangs erwähnten Art
bzw. ein Gehäuse
mit einer Luftzuführanordnung
zu schaffen, mit dem der Wirkungsgrad zur Verbesserung der Kühlleistung
gesteigert ist.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass eine Luftzuführ-Anordnung
mittels mindestens einer Düse
einen Luftstrahl bildet, die den Luftstrom erzeugt, wobei zwischen
der Strömungsrichtung
des Luftstrahls und der zugeordneten Fläche der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmende
Seite ein Winkel im Bereich von 0 bis 45° gebildet ist.
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Erfindungsgemäß weist
die Luftzuführ-Anordnung
eine oder mehrere Düsen
auf, die jeweils Luftstrahle mit hoher kinetischer Energie erzeugen. Diese
Luftstrahle werden parallel oder im flachen Winkel (< 45°) zugeführt. Die
Luftstrahle bilden aufgrund ihrer Ausrichtung und mit ihrer Strömungsgeschwindigkeit
einen Luftstrom, der direkt an der wärmeabgebenden/-aufnehmenden
Seite entlang geführt
und über
eine ausreichend große
Wegstrecke an dieser gehalten werden kann. Dort kann der an der
wärmeabgebenden/-aufnehmenden
Seite anstehende Wärmeabtausch
dann effektiv vorgenommen werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es dabei vorgesehen
sein, dass die Luftzuführ-Anordnung
dem Luftstrahl soviel kinetische Energie aufgibt, dass der Luftstrom
zumindest über
50% der Wanderstreckung in Strömungsrichtung des
Luftstroms an der Fläche
der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
Seite geführt
ist. Damit wird zumindest in einem ersten Teilbereich ein effektives
Anhaften des Luftstromes an der wärmeaufnehmenden/-abgebenden
Seite erreicht.
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Danach
löst sich
der Luftstrom ab und es werden Turbulenzen und Strömungswirbel
gebildet, die noch für
einen ausreichenden Wärmeabtausch sorgen.
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Eine
denkbare Erfindungsvariante ist dergestalt, dass im Bereich der
wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
Seite eine offener Strömungskanal
gebildet ist, der auf der der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
Seite abgewandten Seite des Luftstroms offen ist. Der Luftstrom
wird dabei ohne zusätzliche
Führungselemente
an dem Wärmetauscherelement
gehalten, was einfache Konstruktionen ermöglicht. Dabei kann es insbesondere
vorgesehen sein, dass die Luftzuführ-Anordnung mehre Düsen aufweist,
die zueinander derart angeordnet sind, dass die einzelnen Luftstrahle
einen gemeinsamen geschlossenen Luftstrom erzeugen. Dabei wird der
Luftstrom ausreichend nahe und parallel oder nahezu parallel zu
dem Wärmetauscherelement
zugeführt,
so dass die zwischen dem Wärmetauscherelement
und dem Luftstrom befindliche Luft mitgerissen und beschleunigt
wird. Dadurch entsteht dann zwischen dem Wärmetauscherelement und dem
Luftstrom ein geringerer Druck als der Umgebungsdruck.
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Als
Folge davon legt sich der Luftstrom an die wärmeaufnehmende bzw. die wärmeabgebende Seite
an. Auf der Umgebungsseite des Luftstromes wird aus dem Gehäuseinnenraum
Luft mitgerissen. Es entsteht somit ein Sekundärerstrom, der dem Luftstrom
zugeführt
wird. Der resultierende Strom hat einen deutlich größeren Volumenstrom,
als der zugeführte
Primärstrom.
Berechnungen haben gezeigt, dass dieser um ein Vielfaches größer sein
kann. Der Luftstrom hat nun die Möglichkeit, die Wärmetauscherseite
effektiv zu belüften
und den Wärmetausch zwischen
Luftstrom und Wärmetauscherelement
mit hohem Wirkungsgrad vorzunehmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es dabei vorgesehen
sein, dass die Luftzuführ-Anordnung
eine oder mehrere Düsen aufweist,
und dass die Düsen
zur wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
Seite im Abstand kleiner als 50 mm angeordnet sind.
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Bei
gängigen
Schaltschränken
hat sich gezeigt, dass gute Wärmetauscherergebnis
dann erreicht werden können,
wenn vorgesehen ist, dass mit der Luftzuführ-Anordnung der Luftstrahl in Richtung der
wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
Seite derart zuführbar
ist, dass zwischen dem Luftstrom und der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden Seite
ein geringerer Luftdruck vorliegt, als zwischen dem Luftstrom und
der an den Luftstrom anschließenden,
der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
abgewandten Seite des Luftstroms.
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Um
einen geschlossenen Volumenstrom an der Wand zu gewährleisten
können
die Düsen
in einem engen Raster oder Schlitzförmig beispielsweise auch mit
kleinen Stegen zwischen den Düsen
angeordnet sein, dadurch wird gewährleistet das keine Luft aus
der Umgebung hinter den Volumenstrom gelangen kann, wodurch dieser
sich von der Gehäusewand
abwenden könnte.
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Als
effektiv haben sich schlitzartige Düsen mit den Abmessungen von
2 × 25
mm im Raster von 50 mm und einem Abstand von 0 bis 4 mm von der Wärmetauscherwand
erwiesen.
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Besonders
geeignet sind auch Düsen
in Form von Bohrungen im 25 mm Raster, die in der Summe den gleichen
Querschnitt wie die vorgenannten schlitzförmigen Düsen haben.
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Um
eine ausreichende Sogwirkung zu erreichen, sollte die Strömungsgeschwindigkeit
mit der der Luftstrahl die Luftführ-Anordnung
verlässt,
im Bereich größer als
1 m/s betragen.
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Besonders
effektiv sind Strömungsgeschwindigkeiten
von 3 bis ca. 10 m/s. Mit gängigen Lüftern können jedoch
problemlos Strahlgeschwindigkeiten von bis zu 20 m/s und mehr erreicht
werden, bei diesen Geschwindigkeiten sind allerdings auch die Luftgeräusche in
den Düsen
deutlich hörbar, und
die Druckverluste stehen nicht mehr im Verhältnis zu der gewonnenen Mehrleistung.
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Ein
besonders guter Wirkungsgrad lässt
sich insbesondere dann erreichen, wenn vorgesehen ist, dass an der
wärmeaufnehmenden
oder der wärmeabgebenden
Seite des Wärmetauscherelementes ein
Strömungskanal
mittels einer Kanalabdeckung gebildet ist, wobei in dem Strömungskanal
ein Luftstrom im Wesentlichen in Strömungskanallängsrichtung förderbar
ist, dass in den Strömungskanal
eine oder mehrer Düsen
münden, über die
ein Teilluftstrom förderbar
ist, und dass die Strömungsrichtung des
Teilluftstromes nach der Düse
im Winkel zur Strömungsrichtung
des Luftstromes im Strömungskanal verläuft. Auf
der einen Seite des Wärmetauscherelementes
erfolgt dabei der Wärmeabtausch
effektiv in einem Strömungskanal.
Dabei werden dem Luftstrom die Teilluftströme überlagert, wobei diese im Winkel
zum Luftstrom fließen.
Auf diese Weise lassen sich an der wärmeaufnehmenden/wärmeabgebenden
Seite lokal Strömungsverwirbelungen
erzeugen, die dort für
eine Durchmischung der Luft im Strömungskanal sorgen. Auf diese
Weise kann ein effektiver Wärmeabtausch
erfolgen. (Die zweite Seite des Wärmetauscherelementes wird mit
einem Luftstrom gemäß der Ausführung nach
Anspruch 1 beaufschlagt.
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Eine
besonders gute lokale Verwirbelung des Luftstromes lässt sich
dadurch erreichen, dass der Winkel zwischen der Strömungsrichtung
des Teilluftstroms und der Strömungsrichtung
im Strömungskanal
im Bereich zwischen 5 und 90° beträgt.
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Die
das Gehäuse
betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass
das Gehäuse wenigstens
eine Luftzuführanordnung
nach einem der Ansprüche
1 bis 12 aufweist.
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Erfindungsgemäß kann es
vorgesehen sein, dass ein Gehäuseinnenraum
von Gehäusewänden begrenzt
ist, und dass wenigstens eine Gehäusewand zumindest in einem
Teilbereich das Wärmetauscherelement
bildet. Dabei wird eine oder mehrere der, beispielsweise aus Blech
bestehenden Gehäusewände als
Wärmetauscher verwendet.
Auf diese Weise wird mit geringem Teileaufwand eine effektive Kühlung des
Gehäuseinnenraumes
möglich,
ohne dass dabei der Gehäuseinnenraum
wesentlich eingeschränkt
wird.
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Eine
denkbare Erfindungsvariante kann dergestalt sein, dass zwei oder
mehrere Gehäusewände ein
Wärmetauscherelement
aufweisen, und dass den Wärmetauscherelementen
gemeinsam über
einen Zuführkanal
jeweils ein Luftstrom zuführbar
ist.
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Dann
lassen sich mit geringem Teileaufwand mehrere Gehäusewände zur
Klimatisierungszwecken heranziehen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
erörtert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Schaltschrank mit einer Klimatisierungsanordnung in Seitenansicht
und im Schnitt als Prinzipdarstellung;
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2 einen
weiteren Schaltschrank mit einer Klimatisierungseinrichtung in Seitenansicht
und im Schnitt als Prinzipdarstellung;
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3 einen
weiteren Schaltschrank, ähnlich wie
die Anordnung gemäß 2,
jedoch mit einer veränderten
Luftzuführung;
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4 die
Darstellung gemäß 3,
jedoch mit einer zusätzlichen
Seitenwand;
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5 die
Anordnung gemäß 4 mit
einer perforierten Wand;
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6 einen
weiteren Schaltschrank mit einer Klimatisierungseinrichtung in Seitenansicht
und im Schnitt mit einen innen liegenden Strömungskanal und
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7a–j verschiedene
Varianten von Düsenanordnungen.
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Die 1 zeigt
ein Gehäuse 10,
nämlich
einen Schaltschrank, der in üblicher
Bauweise ein aus Rahmenprofilen zusammengesetztes Rahmengestell
aufweist. Das Rahmengestell ist mit vier vertikalen Gehäusewänden 12 verkleidet,
wobei wenigstens eine als Schranktür ausgebildet ist.
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Die
Gehäusewände 12 bestehen
aus Blech und bilden ein Wärmetauscherelement 12.1. Über das
Blechmaterial kann Wärme
zwischen dem Gehäuseinnenraum
und der Umgebung abgetauscht werden. Der Schaltschrank weist auch
einen Boden und ein Dach 13 auf. Damit ist der Gehäuseinnenraum 11 gegenüber der
Umgebung luftdicht abgeschlossen.
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Im
Deckenbereich ist mittels eines Trennblechs 14 ein Zuführkanal 18 zwischen
dem Dach 13 und dem Trennblech 14 abgeteilt. In
den Zuführkanal 18 ist
ein Lüfter 15,
vorliegend ein Radiallüfter
zur Erzeugung hoher statischer Drücke angeordnet. Der Lüfter 15 saugt
aus dem Gehäuseinnenraum 11 Luft durch
eine düsenförmige Luftzuführung 15.1 des Trennbleches 14 an
und gibt diese in den Zuführkanal 18 ab,
wie dies die Luftströmung
symbolisierenden Pfeildarstellungen zeigen. Das Trennblech 14 weist
im Randbereich Düsen 14.1 auf.
Diese können schlitzförmig ausgestaltet
parallel zur zugeordneten Gehäusewand 12 verlaufen.
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Die
Düsen 14.1 können aber
auch mehrere Einzelöffnungen
mit kleinem Querschnitt sein, die entlang der Gehäusewand 12 in
einer Reihe verlaufen (siehe 7a–7j – verschiedene
Düsenvarianten).
Die Düsen 14.1 sind
im Abstand senkrecht zu der Gehäusewand 12 kleiner
als 60 mm positioniert.
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Die
einzelnen Düsen 14.1 haben
beispielsweise einen Öffnungsquerschnitt
von 20 bis 50 mm2. Die Düsen 14.1 erzeugen
jeweils einen Luftstrom, der parallel zur Gehäusewand 12 verläuft. Die
Strömungsgeschwindigkeit
am Düsenaustritt
sollte dabei im Bereich von 1 bis 20 m/s liegen. Wie die Zeichnung
erkennen lässt,
ist auf der der Gehäusewand 12 abgewandten
Seite des Luftstromes keine Abdeckung, so dass ein offener Strömungskanal
gebildet wird.
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Der
Luftstrom reißt
die zwischen Gehäusewand 12 und
Luftstrom stehende Luft mit und gibt ihr eine Strömungsgeschwindigkeit
auf. Auf diese Weise entsteht in diesem Bereich ein kleinerer Druck
als der Druck im Gehäuseinnenraum 11.
Diese Druckdifferenz bewirkt, dass der Luftstrom an die Gehäusewand 12 „gedrückt” wird.
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Damit
kann der Luftstrom die an der Gehäusewand 12 anstehende
Wärme gut
und über
einen großen
Bereich abführen,
wobei ersichtlich ein nur geringer technischer Aufwand erforderlich
ist.
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Die
Gehäusewände 12 können zur
Verbesserung der Kühlleistung
auch außenseitig
gekühlt sein.
Hierzu ist parallel beabstandet zu der Gehäusewand 12 zur Bildung
eines Strömungskanals 25 eine Kanalabdeckung 20 gehalten.
Die Kanalabdeckung 20 ist matrixartig mit einer Vielzahl
von Öffnungen durchdrungen,
die Düsen 21 bilden.
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Der
Durchtrittsquerschnitt aller Düsen 21 ist kleiner
als der Querschnitt des Strömungskanals 25. Seitenteile 22,
die senkrecht zur Gehäusewand 12 verlaufen,
verschließen
den Strömungskanal 25 randseitig.
Der Strömungskanal 25 geht
in einen Sammelkanal 26 über, in dem die Luftströmungen mehrerer
Strömungskanäle 25,
die verschiedenen Gehäusewänden 12 zugeordnet
sind, zusammengeführt
werden.
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Unter
Verwendung des Dachs 14 wird der Sammelkanal 26 von
einer Dachabdeckung 23 begrenzt. Auf der Dachabdeckung 23 ist
ein Lüfter 19 befestigt,
der wieder von einem Radiallüfter
gebildet ist. Der Lüfter 19 ist
in einem Abführkanal 27 zwischen
der Dachabdeckung 23 und einer dazu parallel im Abstand
gehaltenen Kanalabdeckung 24 untergebracht.
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Der
Lüfter 19 saugt
Umgebungsluft durch die Düsen 21 aus
der Umgebung U in den Strömungskanal 25.
Diese Teillüftströme sind
senkrecht auf die Außenseite
der Gehäusewand 12 gerichtet
und können
daher dort die Wärme
effektiv abführen.
Im Strömungskanal 25 bildet
sich ein Luftstrom (dicke Pfeildarstellung) der in Längsrichtung
des Strömungskanals 25 verläuft. Diesem
werden die Teilluftströme aus
den Düsen 21 überlagert.
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Damit
entstehen lokale Verwirbelungen, die für eine gleichmäßige Temperaturdurchmischung
im Luftstrom sorgen und so zur Steigerung des Wirkungsgrades beitragen.
Die erwärmte
Luft wird über den
Sammelkanal 26, den Lüfter 19 und
den Abführkanal 27 wieder
an die Umgebung U abgegeben.
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Die 2 zeigt
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung. Wie diese Darstellung veranschaulicht, ist die Luftführung im
Gehäuseinnenraum 11 identisch
zu der Luftführung
gemäß 1 gelöst. An der
Außenseite
der Gehäusewand 12 ist
nun ebenfalls eine offene Kanalführung
verwirklicht. Damit wird auf der Außenseite das gleiche Wirkprinzip wie
auf der Innenseite verwirklicht. Hierzu ist im Bodenbereich ein
Zuführkanal 18 angeordnet,
der in der Nähe
der Gehäusewand 12 Düsen 14.1 bildet.
Diese sind analog zu den Düsen 14.1 im
Gehäuseinnenraum 11 angeordnet
und ausgebildet. Der Zuführkanal 18 kann
beispielsweise von einem Leitungsabschnitt gebildet sein, der in
Richtung der Bildtiefe gemäß 2 verläuft und
in den die Düsen 14.1 zueinander
beabstandet in einer Reihe angeordnet sind, wobei diese Reihe ebenfalls
in Richtung der Bildtiefe verläuft.
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Wie
die 3 zeigt, kann der Zuführkanal 18 auch unterhalb
des Schaltschrankes unter dem Boden vorgesehen sein.
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In
Erweiterung dieses Prinzips kann auch zum Schutz vor Schmutz, Sonne
etc. außenseitig eine
Wand 28 vorgesehen sein. Diese ist bodenseitig mit einer
ausreichend großen
Luftzuführung 28.1 versehen,
wie dies 4 zeigt.
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Wie
aus 5 hervorgeht, kann die Wand 28 gemäß 4 auch
analog zu der Kanalabdeckung 20 gemäß 1 ausgeführt sein,
um eine weitere Wirkungsgradverbesserung zu erreichen.
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Auch
im Innenbereich des Schaltschrankes kann das Wirkprinzip gemäß 5 verwirklicht
sein, wie 6 veranschaulicht.
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In
den 7a bis 7j sind
verschiedene Varianten von Düsen 14.1 gezeigt.