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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung und
ein Verfahren zum Kühlen
eines Innenraumes eines Gehäuses.
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Beim Betrieb von elektrischen oder
elektronischen Bauelementen entsteht Wärme aufgrund der ohmschen Verluste
in den elektrischen oder elektronischen Bauelementen. Die thermische
Belastung der Bauelemente stellt eine absolute Betriebsgrenze dar,
die in entscheidender Weise von der am Bauteil montierten Kühlvorrichtungen
und der Art ihrer Ankopplung abhängt.
Die maximale thermische Belastung ist z.B. durch die vom Hersteller
angegebene maximal zulässige
Innentemperatur des Bauteils (z.B. Sperrschichttemperatur eines
Transistors) vorgegeben. Die von den Bauelementen erzeugte Wärme gilt
es an Kühlkörper und
von diesen weiter an die Umgebung zu leiten.
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Insbesondere beim Betrieb von Basisstationen
eines Mobilfunknetzes entwickeln die in einem Gehäuse angeordneten
elektrischen und elektronischen Bauelemente in erheblichem Maße Wärme. Die
Kühlung
der sich im Innenraum des Gehäuses befindenden
Luft erfolgt bei Basisstationen des GSM-Standards durch Kühlgeräte. Für Basisstationen zum Betrieb
des UMTS-Standards wird eine noch stärkere Wärmeentwicklung erwartet. Eine Kühlung dieser
Basisstationen mit den herkömmlichen
Methoden, nämlich
mit einem Kühlgerät, ist höchst unwirtschaftlich,
da die der abgeführten
Wärmemenge
entsprechende Leistung zum Betrieb der Kühlgeräte benötigt wird.
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Aufgabe der
Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, eine Kühlanordnung
der eingangs genannten Art weiter zu entwickeln, so dass eine wirtschaftliche, kosteneffektive
und umweltverträgliche
Kühlung
des Innenraumes des Gehäuses
erfolgen kann.
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Gegenstand
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Kühlanordnung
gelöst,
die mindestens einen Wärmetauscher
und mindestens ein Kühlgerät umfasst.
Die Kombination von Wärmetauscher
und Kühlgerät ermöglicht es,
je nach Umgebungstemperatur des Gehäuses und gewünschter
Innentemperatur des Gehäuses
nur den Wärmetauscher,
nur das Kühlgerät oder Wärmetauscher
und Kühlgerät zu betreiben.
Als Gehäuse
im Sinne der Erfindung wird sowohl ein Schaltschrank als auch ein
Gebäude
oder ein Raum mit darin befindlichen Schaltschränken verstanden. Als Kühlgerät im Sinne
der Erfindung wird ein Klimagerät
verstanden, das zur Kühlung
ein Kältemittel
verwendet. Mit einem Wärmetauscher kann
die Luft im Innenraum des Gehäuses
bis zu einer Temperatur gekühlt
werden, die etwas über
der Umgebungstemperatur außerhalb
des Gehäuses liegt.
Der Temperaturunterschied liegt in Verlusten innerhalb des Wärmetauschers
begründet.
Wenn die Umgebungstemperatur also hinreichend unter der gewünschten
Innenraumtemperatur liegt, kann die Kühlung des Innenraums ausschließlich über den Wärmetauscher
erfolgen. Erst wenn die Außentemperatur über einen
bestimmten Wert steigt, so dass eine ausschließliche Kühlung durch den Wärmetauscher
nicht mehr sichergestellt ist, muss das Kühlgerät für eine aktive Kühlung zugeschaltet
werden. Wenn beispielsweise eine maximale Innenraumtemperatur von
40°C vorgegeben
ist, kann eine Kühlung ausschließlich mit
einem Wärmetauscher
bis zu einer Umgebungstemperatur außerhalb des Gehäuses von
30°C erfolgen.
Bei höheren
Umgebungstemperaturen wird das Kühlgerät zugeschaltet.
Die Betriebszeit des Kühlgerätes ist
somit erheblich geringer als bei der bekannten Lösung, bei der ausschließlich ein
Kühlgerät eingesetzt
wird. Der Energiever brauch des Wärmetauschers
ist geringer als der des Kühlgeräts, so dass
in Summe zur Kühlung weniger
Energie verbraucht wird. Als weiterer Vorteil ist zu bemerken, dass
bestehende Basisstationen für den
GSM-Standard mit einem Wärmetauscher
nachgerüstet
werden können,
so dass sie auch den Anforderungen des UMTS-Standards genügen. In
einer einzigen Basisstation kann daher die Elektronik für den GSM-Standard und den
UMTS-Standard untergebracht werden. Außerdem ist es denkbar, dass eine
Basisstation von mehreren Mobilfunk-Netzbetreibern für den GSM-Standard
oder den UMTS-Standard
genutzt wird. Unter einer Basisstation wird ein Gehäuse, insbesondere
ein Gebäude,
mit im Innenraum angeordneten Schaltschränken bzw. im Innenraum angeordneter
Elektronik für
die Telekommunikation verstanden. Die Nachrüstung kann dadurch erleichtert
werden, dass mehrere kleinere Wärmetauscher
statt eines großen
Wärmetauschers eingesetzt
werden. Ebenfalls können
mehrere Kühlgeräte anstatt
eines einzigen verwendet werde. Wenn die maximal zulässige Innenraumtemperatur hoch
genug liegt, ist es auch denkbar, dass die Kühlanordnung ohne Kühlgerät ausschließlich mit dem
Wärmetauscher
betrieben wird. Beispielsweise in der Bundesrepublik Deutschland
kann eine ausschließliche
Kühlung
mit einem Wärmetauscher
erfolgen, wenn eine maximal zulässige
Innenraumtemperatur von 45°C
vorgegeben ist, da selbst bei einer Umgebungstemperatur von 35°C eine ausreichende Kühlung sicher
gestellt ist. In anderen Gegenden ist eine ausschließliche Kühlung mittels
eines Wärmetauschers
denkbar, wenn sicher gestellt ist, dass die Umgebungstemperatur
des Gehäuses
dauernd niedrig genug ist, z.B. in einem Land oder einer Gegend mit
einer Höchsttemperatur
von 14°C,
wenn eine Innenraumtemperatur von 24°C vorgegeben ist.
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Wenn die Kühlanordnung einen Wärmetauscher
aufweist, in dem die zu kühlende
Luft in mindestens zwei unterschiedlichen Strömungsrichtungen geführt ist,
kann eine besonders effektive Kühlung
durch den Wärmetauscher
erfolgen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist der Wärmetauscher
Wärmetauscherplatten
auf, bei denen mindestens ein Bereich als Gegenstromwärmetauscher
und mindestens ein Bereich als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet ist.
Mit einem Wärmetauscher
kann ein Wirkungsgrad von bis zu 90% erreicht werden, wenn er vollständig nach
dem Gegenstromprinzip arbeitet. Wird in Bereichen des Wärmetauschers,
in denen eine parallele Führung
der Luftströme,
also das Gegenstromprinzip, nicht möglich ist, das Kreuzstromprinzip
verwendet, wird der Wirkungsgrad nur geringfügig verschlechtert.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung
sind die Wärmetauscherplatten
im Lufteintritts- und/oder im Luftaustrittsbereich der zu kühlenden
Luft als Kreuzstromwärmetauscher
ausgebildet. Durch diese Maßnahme
können
auch die Lufteintrittsbereiche und/oder Luftaustrittsbereiche in
die Kühlung
mit einbezogen werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn
die Wärmetauscherplatten
Kunststoffwärmetauscherplatten sind.
Kunststoffwärmetauscherplatten
sind relativ leicht. Die Wärmetauscher
haben daher ein geringes Gewicht, was die Montage und Demontage
erheblich erleichtert.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist
der Wärmetauscher
mindestens eine, vorzugsweise zwei, dem Gehäuse zugewandte Lufteintrittsöffnungen
auf, denen eine oder mehrere Öffnungen in
der Gehäusewand
zugeordnet sind. Durch diese Maßnahme
wird eine schnelle, effektive Abführung der warmen Luft sicher
gestellt. Die warme Luft verbleibt nicht lange im Innenraum des
Gehäuses.
Eine Aufheizung der Gehäusewände wird
verhindert. Wenn die abzukühlende
Luft im Wärmetauscher
in unterschiedlichen Strömungsrichtungen
geführt
ist, kann eine besonders effektive Abkühlung erfolgen. Vorteilhafterweise
ist jedem abzukühlenden
Luftstrom ein wärmeaufnehmender
Luftstrom zugeordnet.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung
sind eine oder mehrere der Lufteintrittsöffnungen in der Nähe von einem
oder mehreren sich im Innenraum befindenden Wärmeerzeugern angeordnet. Durch
diese Maßnahme
wird die Wärme
da abgeführt,
wo sie erzeugt wird. Als Wärmeerzeuger
kommen die einzelnen elektrischen oder elektronischen Bauelemente
in Frage. Diese können
in Schaltschränken
zu größeren Einheiten
zusammengefasst sein.
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Vorzugsweise weist der Wärmetauscher mindestens
eine dem Gehäuse
zugewandte Luftaustrittsöffnung
auf, der eine oder mehrere Öffnungen
in der Gehäusewand
zugeordnet sind, wobei die Luftaustrittsöffnungen von dem Wärmeerzeuger
entfernt angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine besonders gute
Zirkulation der Luft im Innenraum des Gehäuses bewirkt. Auf dem Weg zu
den Lufteintrittsöffnungen
strömt
die Luft an den Wärmeerzeugern vorbei
und nimmt die von diesen abgegebene wärme auf. Es ist denkbar, dass
in der Gehäusewand
eine große Öffnung vorgesehen
ist, über
die sowohl die Lufteintrittsöffnungen
als auch die Luftaustrittsöffnungen
des Wärmetauschers
mit dem Innenraum des Gehäuses
in Verbindung stehen. Alternativ kann jeder Lufteintritts- bzw.
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Luftaustrittsöffnung eine eigene Öffnung in der
Gehäusewand
zugeordnet sein.
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Wenn der Wärmetauscher und/oder das Kühlgerät oben am
Gehäuse
angeordnet ist, kann der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht werden,
da warme Luft ohnehin nach oben steigt. Die Luft wird somit an der
Stelle des Gehäuses
abgeführt,
wo sich Innenraumluft mit der höchsten
Temperatur befindet. Außerdem
ist ein Wärmetauscher,
der nachgerüstet
wird, oben auf einem Gehäuse
besonders einfach montierbar. Denkbar ist es jedoch auch, den Wärmetauscher
an den Seitenwänden
des Gehäuses
anzuordnen.
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Vorzugsweise ist im Innenraum und/oder
außen
am Gehäuse
mindestens ein Temperatursensor vorgesehen. Mit den Temperatursensoren
kann die Innenraumtemperatur und die Umgebungstemperatur erfasst
werden. Aufgrund der erfassten Temperatur kann entschieden werden,
ob das Kühlgerät zugeschaltet
werden muss. Die Temperatursensoren können im Innenraum des Gehäuses grundsätzlich an beliebigen
Stellen angeordnet werden. Vorzugsweise werden sie jedoch an kritischen
Stellen angeordnet, d.h. an Stellen, an denen eine hohe Temperaturentwicklung
zu erwarten ist. Es ist auch denkbar, Temperatursensoren in Schaltschränken anzuordnen,
die sich im Gehäuse
befinden.
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Vorteilhafterweise ist eine Steuereinheit
zur Steuerung und Regelung des Kühlgerätes und
des Wärmetauschers
vorgesehen. Die Steuereinheit kann als Steuerelektronik realisiert
sein. Die Steuereinheit bestimmt, wann und mit welcher Leistung
der Wärmetauscher
und/oder das Kühlgerät betrieben werden.
Durch diese Maßnahme
kann die Innenraumtemperatur des Gehäuses besonders einfach unterhalb
des maximal zulässigen
Innenraumtemperaturwertes gehalten werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn
das Gehäuse
eine begehbare Mobilfunkstation ist. Bei begehbaren Mobilfunkstationen
wird in der Regel eine geringere maximal zulässige Innenraumtemperatur vorgegeben.
Die Kombination eines Wärmetauschers
mit einem Kühlgerät ist hier
besonders vorteilhaft. Bereits vorhandene Basisstationen für den GSM-Standard
können
mit der erfindungsgemäßen Kühlanordnung
ohne weiteres auch für
den UMTS-Standard verwendet werden.
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Es ist auch denkbar, im oder am Gehäuse Mittel
zur Temperaturerfassung und Temperaturspeicherung, insbesondere
einen Chip vorzusehen. Fällt die
Elektronik im Gehäuse
aus, so kann mittels der Temperaturaufzeichnung fest gestellt werden,
ob der Ausfall aufgrund einer zu hohen Temperatur erfolgte. Wurde
das Gehäuse
bislang nur mit einem Wärmetauscher
betrieben, kann, um zukünftige
Ausfälle
wegen Überschreitung
der maximal zulässigen
Temperatur zu vermeiden, ein Kühlgerät nachgerüstet werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß außerdem gelöst durch
ein Verfahren zum Kühlen
eines Gehäuses,
bei dem die Innenraumtemperatur und/oder die Umgebungstemperatur
des Gehäuses gemessen
wird. Die gemessene Innenraumtemperatur wird mit einem ersten vorgegebenen
Innenraumtemperaturwert und/oder die gemessene Umgebungstemperatur
wird mit einem vorgegebenen Umgebungstemperaturwert verglichen.
Eine ausschließliche
Kühlung
des Innenraums des Gehäuses
erfolgt mittels mindestens eines Wärmetauschers, wenn die gemessene
Innenraumtemperatur unterhalb des ersten vorgegebenen Innentemperaturwerts
liegt oder wenn der gemessene Umgebungstempe raturwert unterhalb
des ersten vorgegebenen Umgebungstemperaturwerts liegt. Ein Kühlgerät wird zugeschaltet, wenn
die gemessene Innenraumtemperatur oberhalb des ersten vorgegebenen
Innenraumtemperaturwerts liegt oder über diesen steigt oder wenn
die gemessene Umgebungstemperatur oberhalb des vorgegebenen ersten
Umgebungstemperaturwerts liegt oder über diesen steigt.
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Wenn innerhalb des Gehäuses angeordnete Bauelemente
in Betrieb genommen werden sollen und eine hohe Innenraumtemperatur
vorgefunden wird oder wenn die Innenraumtemperatur während des
Betriebs über
einen bestimmten Innenraumtemperaturwert steigt und eine schnelle
Kühlung
des Innenraums erfolgen soll, kann das Kühlgerät zugeschaltet werden. Alternativ
kann das Zuschalten des Kühlgeräts in Abhängigkeit
von der gemessenen Umgebungstemperatur erfolgen. Es ist bekannt,
bis zu welchen Umgebungstemperaturwerten eine ausschließliche Kühlung durch
den Wärmetauscher
effektiv vorgenommen werden kann. Steigt die Umgebungstemperatur über einen
vorgegebenen Umgebungstemperaturwert, so ist eine effektive und
ausreichende Kühlung
ausschließlich
durch den Wärmetauscher
nicht möglich.
In diesem Fall muss das Kühlgerät zugeschaltet
werden. Die Verwendung einer Kombination eines Wärmetauschers und eines Kühlgeräts ist wirtschaftlich,
da der Wärmetauscher kostengünstiger
betrieben werden kann. Das Kühlgerät wird nur
bei Bedarf zugeschaltet, insbesondere dann, wenn der Wärmetauscher
unterdimensioniert ist. Wird die maximal zulässige Innenraumtemperatur hoch
genug gewählt,
kann der Wärmetauscher
im Normalfall für
eine Kühlung
ausreichend sein. Das Kühlgerät könnte als „Backup" verwendet werden,
für den
Fall, dass die Umgebungstemperatur unerwartet hoch wird. Der geringere
Leistungsverbrauch wirkt sich nicht nur auf die Kosten aus. Wird
we niger Leistung verbraucht, muss weniger Energie erzeugt werden,
so dass der Verbrauch fossiler Brennstoffe und dadurch der Schadstoffausstoß reduziert
wird.
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Bei einer Verfahrensvariante ist
vorgesehen, dass das Kühlgerät beim Unterschreiten
einer zweiten vorgegebenen Innenraumtemperatur oder beim Unterschreiten
einer zweiten vorgegebenen Umgebungstemperatur ausgeschaltet wird.
Dabei ist vorzugsweise die zweite vorgegebene Innenraumtemperatur
bzw. die zweite vorgegebene Umgebungstemperatur niedriger gewählt als
die jeweils erste vorgegebene Innenraumtemperatur oder erste vorgegebene
Umgebungstemperatur. Sobald das Kühlgerät nicht mehr gebraucht wird
und eine ausreichende Kühlung
ausschließlich
durch den Wärmetauscher bewirkt
werden kann, wird das Kühlgerät ausgeschaltet.
Wird die jeweils zweite vorgegebene Temperatur geringer gewählt als
die jeweils erste vorgegebene Temperatur, so wird ein ständiges An-
und Ausschalten des Kühlgerätes verhindert.
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Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante
wird der Luftstrom im Wärmetauscher derart
geführt,
dass warme Luft von sich im Gehäuse befindenden
Wärmeerzeugern
abgesaugt wird und gekühlte
Luft in von den Wärmeerzeugern
entfernt gelegene Bereiche geleitet wird. Durch diese Maßnahme kann
Wärme an
mehreren Stellen im Gehäuse
an den Stellen abgeführt
werden, wo Wärme
erzeugt wird. Durch das Einströmen
der Luft in Bereiche, die von den Wärmeerzeugern entfernt liegen, wird
eine gute Zirkulation der Luft im Gehäuse bewirkt, so dass die Luftströme an den
Wärmeerzeugern
vorbei geleitet werden und möglichst
viel Wärme
aufnehmen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispie len
der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche
Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale
können
je einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante
der Erfindung verwirklicht sein.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühlanordnung
sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Kühlanordnung
im Querschnitt;
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2 eine
perspektivische Darstellung einer Kühlanordnung; und
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3 eine
Draufsicht auf mehrere Basisstationen.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
eine Querschnittsdarstellung des Aufbaus einer Kühlanordnung 1. Die
Kühlanordnung 1 weist
ein als begehbare Basisstation eines Mobilfunknetzes ausgebildetes
Gehäuse 2 auf.
In dem Gehäuse 2 sind
als Schaltschränke
ausgebildete Wärmeerzeuger 3 angeordnet.
An der Oberseite des Gehäuses 2 ist
ein Wärmetauscher 4 angeordnet,
der dem Innenraum 5 des Gehäuses 2 zugewandte
Lufteintrittsöffnungen 6 und
eine Luftaustrittsöffnung 7 aufweist.
Die Lufteintrittsöffnungen 6 sind
oberhalb der Wärmeerzeuger 3 angeordnet,
also an den Stellen, an denen die größte Innenraumtemperatur im Innenraum 5 des
Gehäuses 2 auftritt.
Durch die Luftaustrittsöffnung 7 wird
die gekühlte
Luft im Wesentlichen in die Mitte des Innenraums 5 zugeführt. Die
Strömungsrichtung
der zu kühlenden
Luft im Wärmetauscher 4 ist
durch die Pfeile 8 angedeutet. Im Wärmetauscher 4 wird
die zu kühlende
Luft in zwei im Wesentlichen entgegengesetzten Stömungsrichtungen
entlang der Pfeile 8 geführt. Der Wärmetauscher 4 weist
außerdem
nach außen
gerichtete Luftauslässe 9 und
einen Lufteinlass 10 auf. Umgebungsluft wird in Pfeilrichtung 11 durch
den Wärmetauscher 4 geführt, so
dass eine Abkühlung
des Luftstroms entlang der Pfeile 8 erfolgt. Jedem abzukühlenden
Luftstrom (Pfeilrichtung 8) ist ein im Wesentlichen in
entgegengesetzter Richtung strömender
abkühlender
Luftstrom (Pfeilrichtung 11) zugeordnet. Der Wärmeaustausch
erfolgt in angedeuteten Wärmetauschplatten 12.
Dabei sind die Wärmetauschplatten 12 in
den Lufteinlassbereichen 12a und Luftauslassbereichen 12b als
Kreuzstromwärmetauscher
und in den Zwischenbereichen 12c als Gegenstromwäremtauscher
ausgebildet. Unterhalb der Luftaustrittsöffnung 7 ist ein erster
Lüfter 13 angeordnet,
der die zu kühlende
Lift durch den Wärmetauscher 4 saugt
und in den Innenraum 5 bläst. Im Bereich der Luftauslässe 9 sind
zweite Lüfter 14, 15 angeordnet,
die die Umgebungsluft durch den Wärmetauscher 4 saugen
und wieder nach Außen
blasen. Außerdem
ist am Gehäuse
ein Kühlgerät 16 angeordnet,
das zugeschaltet wird, wenn aufgrund zu hoher Umgebungstemperatur
des Gehäuses 2 eine ausreichende
Kühlung
mittels des Wärmetauschers 4 nicht
mehr sicher gestellt ist. Die Zuschaltung erfolgt über eine
Steuereinheit 17, das mit Temperatursensoren 18 im Innenraum
und einem Temperatursensor 19 außen am Gehäuse 2 in Verbindung
steht und je nach gemessenen Temperaturen das Kühlgerät an- oder abschaltet und die
Leistung des Kühlgeräts 16 sowie
der Lüfter 13 – 15 regelt.
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In der 2 ist
Ausführungsbeispiel
einer Kühlanordnung 20 in
einer Explosionsdarstellung gezeigt. In einem Gehäuse 21 einer
begehbaren Basisstation sind als Schaltschränke ausgebildete Wärmeerzeuger 22 angeordnet. Über den
Wärmeerzeugern 22 sind Öffnungen 23 in
der Gehäusewand 24 vorgesehen,
die mit nicht gezeigten Lufteintrittsöffnungen eines Wärmetauschers 25 korrespondieren. Im
Wärmetauscher 25 wird
die durch die Öffnungen 23 aus
dem Innenraum 26 des Gehäuses 21 abgeführte Warmluft
gekühlt.
Dazu wird die. Luft durch an sich bekannte Wärmetauscherkanäle geführt und nach
Abgabe der Wärme über eine Öffnung 27 dem Innenraum 26 wieder
zugeführt.
In benachbarten Wärmetauscherkanälen wird
kühle Umgebungsluft geführt, die
die Wärme
aufnimmt. Die Umgebungsluft strömt
durch seitliche Lufteinlässe 28 und
wird nach der Wärmeaufnahme
durch den Luftauslass 29 abgeführt. Wenn die Kühlung durch
den Wärmetauscher 25 nicht
ausreicht, wird ein Kühlgerät 30 zugeschaltet,
welches wie der Wärmetauscher 25 oben auf
dem Gehäuse 21 montiert
ist.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf die auf einem Gehäuse 31 angeordneten
Wärmetauscher 32 bis 35.
Dabei ist jedem Wärmetauscher 32 bis 35 eine Basisstation
eines Mobilfunkanbieters zugeordnet. Alle Mobilfunkbasisstationen
sind innerhalb desselben Gehäuses 31 angeordnet.
Seitlich ist ein Kühlgerät 36 angeordnet,
das die Basisstationen gemeinsam nutzen. Der Lufteinlass der Wärmetauscher 32 bis 35 ist
durch eine Bedachung 40 bis 43 geschützt, um
das Eindringen von Regen und Schmutz zu verhindern.