DE29720765U1

DE29720765U1 - Luftgekühltes Elektrogerät

Info

Publication number: DE29720765U1
Application number: DE29720765U
Authority: DE
Original assignee: Sachsenwerk AG; AEG Sachsenwerk GmbH
Current assignee: Schneider Electric Sachsenwerk GmbH
Priority date: 1997-11-22
Filing date: 1997-11-22
Publication date: 1998-01-15
Anticipated expiration: 2007-11-23

Description

Anmelder:

AEG Sachsenwerk GmbH

Rathenaustraße 2

93055 Regensburg

Allgemeine Vollmacht: 4.3.5.-Nr.294/97AV

0123256 21.11.1997

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Titel: Luftgekühltes Elektrogerät Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein luftgekühltes Elektrogerät, insbesondere ein gekapseltes Mittelspannungs-Schaltgerät, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der deutschen Patentschrift DE 36 17 231 C2 ist ein gekapseltes Mittelspannungs-Schaltgerät bekannt, bei dem die im Betrieb des Geräts entstehende Verlustwärme durch eine Zwangsbelüftung abgeführt wird, um eine Überhitzung zu vermeiden. Hierzu weist das Gerät ein Gebläse auf, das über eine an der Unterseite des Gehäuses im Frontbereich befindliche Lufteintrittsöffnung Umgebungsluft ansaugt und diese an den zu kühlenden Bauteilen vorbeiführt, wobei sich die aufgenommene Umgebungsluft erwärmt. Anschließend wird die erwärmte

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Umgebungsluft über eine an der Oberseite des Gehäuses befindliche Luftaustrittsöffnung wieder an die Umgebung abgegeben, so daß ein kontinuierlicher Kühlmittelstrom durch das Gehäuse entsteht.

Nachteilig an dieser Kühltechnik ist zum einen, daß die bei einem Störlichtbogen im Gehäuse entstehenden gefährlichen Gase durch die Lufteintrittsöffnung nach vorne in den begehbaren Bereich austreten und das Bedienungspersonal gefährden können, was nur durch aufwendige Schließmechanismen verhindert werden kann. Zum anderen wird durch die bodennahe Anordnung der Lufteintrittsöffnung stark staubhaltige Luft angesaugt, was zu einem Zusetzen von Staubfiltern oder einer Verschmutzung des Geräts führen kann.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 43 08 476 Al ist weiterhin ein Mittelspannungs-Schaltgerät bekannt, das die vorstehend genannten Nachteile vermeidet, indem sowohl die Lufteintrittsöffnung als auch die Luftaustrittsöffnung an der Oberseite des quaderförmig ausgebildeten Gehäuses angeordnet sind. Zum einen treten die bei einem Störlichtbogen entstehenden Gase hierbei nach oben aus dem Gehäuse aus und führen somit nicht zu einer direkten Gefährdung von umstehenden Personen. Zum anderen wird auf diese Weise wesentlich staubfreiere Luft angesaugt als bei einer Anordnung der Lufteintrittsöffnung im Bodenbereich. Nachteilig an diesem Mittelspannungs-Schaltgerät ist jedoch, daß ein separates

Gebläse erforderlich ist, was bei einem Gebläseausfall zu einer Überhitzung des Geräts führt bzw. eine Abschaltung erforderlich macht.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Elektrogerät, insbesondere ein Mittelspannungs-Schaltgerät, zu schaffen, das eine ausreichende Kühlung durch Umgebungsluft ohne ein separates Gebläse ermöglicht.

Die Aufgabe wird, ausgehend von einem bekannten Elektrogerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Kühlung des Elektrogeräts durch einen Konvektionsstrom von angesaugter Umgebungsluft, der durch die oberhalb der zu kühlenden Bauteile entstehenden Thermikeffekte angetrieben wird.

Der Gehäuseinnenraum des Elektrogeräts wird hierzu durch eine Luftleiteinrichtung horizontal in einen Ansaugbereich und einen seitlich benachbarten Austrittsbereich aufgeteilt, wobei die zu kühlenden Bauteile mehrheitlich im Austrittsbereich angeordnet sind, damit die oberhalb dieser Bauteile auftretenden Thermikeffekte den Konvektionsstrom von der Lufteintrittsöffnung in Richtung der Luftaustrittsöffnung antreiben.

Die Luftleiteinrichtung kann in einer einfachen Ausführungsform aus einem einfachen Blech bestehen, das in dem Gehäuse im oberen Bereich zwischen der Lufteintrittsöffnung und der Luftaustrittsöffnung angeordnet ist und im wesentlichen senkrecht verläuft. Aus der eingangs angeführten deutschen Patentanmeldung DE 43 08 476 Al sind jedoch vielfältige weitere Ausführungsformen einer derartigen Luftleiteinrichtung bekannt, die sich auch im Rahmen der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung verwenden lassen. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung bilden darüber hinaus polteilisolierte Leistungsschalter einen Bestandteil der Luftleiteinrichtung, wodurch die Strömungswirkung durch die Polteile verbessert wird.

Weiterhin ist zu bemerken, daß der Begriff Umgebungsluft im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht auf Luft im engeren Sinne einer normalen atmosphärischen Zusammensetzung beschränkt ist, sondern auch andere Gase umfaßt, von denen das Elektrogerät umgeben ist und die zu Kühlungszwecken angesaugt werden. So ist es beispielsweise denkbar, daß sich ein Mittelspannungs-Schaltgerät in einem SF₆-gefüllten Schaltraum befindet, so daß als Kühlmittel entsprechend SF₆ verwendet wird.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der

Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein luftgekühltes Mittelspannungs-Schaltgerät im Querschnitt sowie

Figur 2a

bis 2c weitere Ausführungsbeispiele in vereinfachter Querschnittsdarstellung.

Das in Figur 1 dargestellte Mittelspannungsschaltfeld ist in einem aus Stahlblech bestehenden Gehäuse 1 gekapselt und weist zum Schalten einen mit einer Vakuumschaltröhre 2 ausgerüsteten Leistungsschaltwagen 3 auf, der aus einer in der Zeichnung dargestellten Betriebsstellung nach rechts in eine Trennstellung gefahren werden kann, wobei zur mechanischen Führung des Leistungsschaltwagens 3 zwei waagerecht verlaufende Schienen 4 in das Gehäuse 1 eingezogen sind.

An seiner Vorderseite weist der Leistungsschaltwagen 3 zwei übereinander angeordnete Kontaktarme 5.1, 5.2 auf, an deren freien Enden jeweils zwei Paare federnder Kontaktzangen angeordnet sind, die in der Betriebsstellung entsprechende Gegenkontaktstücke 6.1, 6.2 umgreifen und so einen elektrischen Kontakt herstellen. Zur Halterung der Gegenkontaktstücke 6.1, 6.2 sind jeweils hohlkegelförmige Isolatoren 7.1, 7.2 vorgesehen, die in entsprechende Durchbrüche einer das Gehäuse 1 horizontal teilenden Schottwand 8 eingelassen sind. Das in

dem oberen Isolator 7.1 befindliche Gegenkontaktstück 6.1 ist hierbei mit einer Sammelschiene 9 verbunden, die in dem durch die Schottwand 8 abgetrennten Raum des Gehäuses 1 angeordnet ist, während das in dem anderen Isolator 7.2 angeordnete Gegenkontaktstück 6.2 mit einem an der Gehäusewand befestigten Stromwandler 10 verbunden. Der Stromwandler 10 ist seinerseits mit einem Spannungswandler 11 sowie mit sieben Kabelanschlüssen 12 verbunden, die aus dem Gehäuse 1 herausgeführt sind. Die Funktionsweise eines derartigen Mittelspannungs-Schaltfeldes ist detailliert in der bereits eingangs zitierten deutschen Patentschrift DE 3 6 17 231 C2 beschrieben und bedarf deshalb keiner weiteren Erläuterung, so daß im folgenden näher auf die erfindungsgemäße Kühlung des Mittelspannungs-Schaltfeldes eingegangen wird.

Die Kühlung des dargestellten Mittelspannungs-Schaltfeldes erfolgt durch Umgebungsluft, die über eine Lufteintrittsöffnung 13 an der Oberseite des Gehäuses 1 aufgenommen wird, wobei auf die Lufteintrittsöffnung 13 ein Winkelstück 14 aufgesetzt ist, so daß die Umgebungsluft im wesentlichen seitlich von rechts angesaugt wird. Hierdurch wird verhindert, daß bereits erwärmte Umgebungsluft nochmals angesaugt wird, was wegen der erhöhten Temperatur dieser Umgebungsluft zu einer Verringerung der Kühlleistung führen würde. Die schräg ansteigende Fläche des Winkelstücks 14 bildet hierbei vorteilhaft eine Abdeckung für den Ansaugbereich des Gehäuses 1 und verhindert das Eindringen von Staub oder Tropfwasser in

das Schaltfeld. Darüber hinaus sind die vorne und hinten befindlichen dreieckigen Stirnflächen des Winkelstücks 14 frei, so daß auch von vorne und hinten Umgebungsluft angesaugt werden kann, was wegen des größeren Ansaugquerschnitts zu einer verbesserten Kühlwirkung führt.

Die angesaugte Umgebungsluft bildet dann im Inneren des Gehäuses 1 eine Konvektionsströmung und tritt schließlich an einer ebenfalls an der Oberseite des Gehäuses 1 angeordneten Luftaustrittsöffnung 15.2 wieder aus, wobei auf die Luftaustrittsöffnung 15.2 ebenfalls jeweils ein Winkelstück 16.2 aufgesetzt ist, das den austretenden Luftstrom um 90° nach links von der Lufteintrittsöffnung 14 weglenkt, um zu verhindern, daß die in dem Mittelspannungsschaltfeld erwärmte Umgebungsluft erneut angesaugt wird.

Der zur Kühlung erforderliche Konvektionsstrom von der Lufteintrittsöffnung 13 zu der Luftaustrittsöffnung 15.2 stellt sich hierbei selbständig aufgrund von Thermikeffekten im Gehäuse 1 ein, so daß kein separates Gebläse erforderlich ist. Das Gehäuse 1 ist hierzu durch ein senkrecht verlaufendes Trennblech 17 in einen Ansaugbereich auf der rechten Seite und einen Austrittsbereich auf der linken Seite des Trennblechs aufgeteilt, wobei die Wärme produzierenden Bauteile wie die Kontaktzangen und die Gegenkontakte 6.1, 6.2 in der Betriebsstellung des Mittelspannungs-Schaltfeldes im Austrittsbereich des Gehäuses 1 angeordnet sind, so daß die

oberhalb dieser Bauteile entstehende Thermik einen Konvektionsstrom von der Lufteintrittsöffnung 13 zu der Luftaustrittsöffnung 15.2 antreibt. Diese Konvektionsströmung wird angeregt, wenn im Bereich der Kontaktzangen und der Gegenkontakte 6.1, S. 2 thermische Verluste entstehen, so daß die umgebende Luft erwärmt wird und daraufhin aufgrund der entsprechend verringerten Dichte in dem kaminartigen Gehäusebereich zwischen der Trennwand 17 und der Schottwand 8 nach oben steigt. Hierdurch entsteht in dem bis auf die Lufteinbzw. Luftaustrittsöffnungen 13 bzw. 15.2 hermetisch abgedichteten Gehäuse 1 ein Unterdruck, so daß frische Umgebungsluft über die Lufteintrittsöffnung 13 angesaugt wird. Die Thermikeffekte nehmen hierbei mit der eingekoppelten thermischen Verlustleistung an Intensität zu, so daß auch die Kühlleistung aufgrund der stärkeren Konvektionsströmung entsprechend ansteigt, was vorteilhaft zu einer automatischen Regelung der Kühlleistung führt. Im links gelegenen Austrittsbereich des Gehäuses 1 in dem kaminartigen Gehäusebereich zwischen der Trennwand 17 und der Schottwand 8 strömt die erwärmte Luft dann nach oben zur Luftaustrittsöffnung 15.2.

Durch die Schottwand 8 und das Trennblech 17 wird der Gehäuseinnenraum in drei Räume aufgeteilt, nämlich in einen Leistungsschalterraum, einen Kabelanschlußraum sowie einen links gelegenen Sammelschienenraum, der von dem restlichen Gehäuse 1 durch die Schottwand 8 und die Isolatoren 7.1,

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vollständig abgeschottet ist, was den Vorteil bietet, daß die Sammelschiene 9 bei einem Störlichtbogen im restlichen Teil des Gehäuses weiter betrieben werden kann.

Auch in dem Sammelschienenraum bildet sich in der vorstehend beschriebenen Weise selbständig eine kühlende Konvektionsströmung aus. Zur Anregung dieses Konvektionsströmung ist der Sammelschienenraum durch die vertikal verlaufende Sammelschiene 9 in einen Ansaugbereich auf der rechten Seite und einen Austrittsbereich auf der linken Seite der Sammelschiene aufgeteilt. An der Oberseite des Sammeischienenraums weist das Gehäuse 1 eine Öffnung 15.1 auf, die sowohl zum Ansaugen von Umgebungsluft als auch zur Abgabe erwärmter Luft dient. Auf diese Öffnung 15.1 ist wiederum ein Winkelstück 16.1 aufgesetzt, dessen schräg ansteigende Fläche als Abdeckung dient und das Eindringen von Tropfwasser oder Staub verhindert.

Figur 2a verdeutlicht das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Prinzip der selbständigen Luftkühlung ohne Gebläse anhand einer vereinfachten Querschnittdarstellung eines Elektrogeräts, das in einem quaderförmigen Gehäuse 18 aus Metall angeordnet ist, wobei der Innenraum des Gehäuses 18 im oberen Bereich durch eine mittig angeordnete und senkrecht verlaufende Trennwand 19 in zwei nebeneinander liegende Bereich aufgeteilt wird. Der rechte Gehäusebereich dient hierbei als Luftansaugbereich und weist deshalb an der Ober-

seite in der Wandung des Gehäuses 18 eine Lufteintrittsöffnung 2 0 auf, während der linke Gehäusebereich zur anschließenden Abgabe der angesaugten Umgebungsluft dient, so daß in der Wandung des Gehäuses 18 oberhalb dieses Bereichs eine Luftaustrittsöffnung 21 angeordnet ist. Auf die Lufteintrittsöffnung 20 und auf die Luftaustrittsöffnung 21 ist jeweils ein Winkelstück 22, 23 aufgesetzt, das den ein- bzw. austretenden Luftstrom um 90° zur Seite ablenkt, wobei die beiden Winkelstücke 22, 23 entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind, um zu verhindern, daß die aus der Luftaustrittsöffnung 21 austretende und entsprechend erwärmte Luft erneut angesaugt wird, was zu einer Verringerung der Kühlleistung führen würde.

Im Luftaustrittsbereich des Gehäuses 18 befindet sich ein zu kühlendes Bauteil 24, welches die umgebende Luft aufgrund seiner erhöhten Oberflächentemperatur erhitzt, so daß sich über dem Bauteil 24 eine Thermikströmung ausbildet, die eine Konvektionsströmung von der Lufteintrittsöffnung 2 0 zur Luftaustrittsöffnung 21 antreibt, was zu einer ausreichenden Kühlung des Bauteils 24 führt. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Tatsache, daß die Intensität der Konvektionsströmung und damit die Kühlleistung mit der Bauteiltemperatur zunimmt, so daß sich die Kühlleistung automatisch an die thermische Verlustleistung des Bauteils anpaßt.

Figur 2b zeigt eine alternative Ausführungsform eines Elek-

trogeräts mit einer selbständigen Luftkühlung, das sich von dem vorstehend beschriebenen und in Figur 2a dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß das Gehäuse 25 im oberen Bereich durch zwei senkrecht verlaufende Trennwände 26, 27 in einen mittig liegenden kaminartigen Luftaustrittsbereich und zwei außenliegende Lufteintrittsbereiche aufgeteilt ist, wodurch sich ein anderer Strömungsverlauf im Gehäuse 25 ausbildet. Die Wandung des Gehäuses 25 weist entsprechend oberhalb der beiden Lufteintrittsbereiche jeweils eine Lufteintrittsöffnung 28, 29 und oberhalb des Luftaustrittsbereichs eine Luftaustrittsöffnung 3 0 auf, wobei sowohl auf die Luftaustrittsöffnung 3 0 als auch auf die beiden Lufteintrittsöffnungen 28, 29 jeweils ein Winkelstück 31, 32, 33 aufgesetzt ist, das den ein- bzw. austretenden Luftstrom um 90° zur Seite ablenkt.

Besonders vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, daß der Luftaustrittsbereich zwischen den beiden Trennwänden 2S, 27 kaminartig ausgebildet ist, wodurch die Anregung der Konvektionsströmung durch die Thermikeffekte oberhalb des zu kühlenden Bauteils 34 wesentlich erleichtert wird.

Figur 2c zeigt schließlich ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines luftgekühlten Elektrogeräts, das in einem aus Metall bestehenden Gehäuse 35 angeordnet ist, wobei das kühlende Bauteil 36 in einem Durchbruch einer senkrecht verlaufenden Trennwand 37 angeordnet ist. Aufgrund der

erhöhten Oberflächentemperatur dieses Bauteils 36 bildet sich über dem Bauteil 3 6 beiderseits der Trennwand 3 7 eine nach oben gerichtete Thermikströmung aus, die schließlich über zwei Luftaustrittsöffnungen 38, 3 9 an der Oberseite des Gehäuses 3 5 in die Umgebung austritt, wobei auf die Luftaustrittsöffnungen 38, 39 jeweils ein Winkelstück 40, 41 aufgesetzt ist, das den austretenden Luftstrom um 90° nach links ablenkt, um zu verhindern, daß die im Inneren des Gehäuses 35 erwärmte Luft erneut angesaugt wird.

Durch das Austreten der erwärmten Luft bildet sich im Inneren des Gehäuses 3 5 ein Unterdruck, so daß frische Umgebungsluft über eine ebenfalls an der Oberseite des Gehäuses 35 angeordnete Lufteintrittsöffnung 42 einströmt und neben einer weiteren Trennwand 43 zunächst nach unten strömt. Auf diese Weise entsteht eine Konvektionsströmung von der Lufteintrittsöffnung 43 zu den beiden Luftaustrittsöffnungen 38, 39, wobei sich die Konvektionsströmung links neben der Trennwand 43 in einen Hauptstrom und einen Nebenstrom aufteilt. Der Hauptstrom verläuft hierbei in dem kaminartigen Gehäusebereich zwischen den beiden Trennwänden 37, 43 senkrecht nach oben und verläßt schließlich das Gehäuse 35 durch die Luftaustrittsöffnung 38, während der Nebenstrom durch den Durchbruch in der Trennwand 37 hindurch unmittelbar an dem zu kühlenden Bauteil 36 vorbeifließt, was zu einer effektiven Kühlung des Bauteils 36 an seiner gesamten Oberfläche führt.

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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Schutzansprüche

1. Lufgekühltes Elektrogerät, insbesondere gekapseltes Mittelspannungs-Schaltgerät, mit einem Gehäuse (1), einer im oberen Bereich des Gehäuses (1) angeordneten Lufteintrittsöffnung (13) zur Aufnahme von Umgebungsluft zur Kühlung von im Betrieb sich erwärmenden Bauteilen (6.1, 6.2) in dem Gehäuse (1) und einer ebenfalls im oberen Bereich des Gehäuses (1) angeordneten Luftaustrittsöffnung (15.1, 15.2) zur Abgabe der von den zu kühlenden Bauteilen (6.1, 6.2) erwärmten Umgebungsluft sowie einer zwischen der Lufteintrittsöffnung (13) und der Luftaustrittsöffnung (15.2) angeordneten Luftleiteinrichtung (17) zur horizontalen Aufteilung des Gehäuseinnenraums im oberen Bereich in einen frische Umgebungsluft ansaugenden und einen erwärmte Umgebungsluft abführenden Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlenden Bauteile (6.1, 6.2) zur selbständigen Ausbildung eines von der Lufteintrittsöffnung (13) zur Luftaustrittsöffnung (15.1, 15.2) gerichteten Konvektionsstroms durch die sich oberhalb der zu kühlenden Bauteile (6.1, 6.2) bildende Thermik mehrheitlich in dem Umgebungsluft abführenden Bereich des Gehäuseinnenraums angeordnet sind.

2. Elektrogerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

auf die Lufteintrittsöffnung (13) und/oder auf die Luftaustrittsöffnung {15.1, 15.2) jeweils ein Winkelelement {14, 16.1, 16.2) aufgesetzt ist, welches die ein- bzw. austretende Luftströmung seitlich ablenkt.

3. Elektrogerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelelement (14) auf der Lufteintrittsöffnung (13) entgegengesetzt zu dem Winkelelement {16.1, 16.2) auf der Luftaustrittsöffnung (15.1, 15.2) ausgerichtet ist, um ein Wiederansaugen bereits erwärmter Luft zu verhindern.

4. Elektrogerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Umgebungsluft abführende Bereich des Gehäuseinnenraums durch eine im wesentlichen senkrecht verlaufende Trennwand (8) in zwei Teilbereiche mit jeweils einer Luftaustrittsöffnung (15.1, 15.2) in der Gehäusewand aufgeteilt ist, wobei die Trennwand (8) zur Durchleitung eines Nebenstroms des Konvektionsstroms einen Durchbruch aufweist und ein Polteil (6.1, 6.2) eines Leistungsschalters zur Kühlung in dem Durchbruch angeordnet ist.

5. Elektrogerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Durchbruch in der Trennwand (8) ein hohlzylindrischer oder hohlkegelförmiger Isolator (7.1, 7.2) angeordnet ist, wobei sich ein Polteil (6.1, 6.2) im

Inneren des Isolators (7.1, 7.2) befindet.

Elektrogerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Erstreckung des Umgebungsluft abführenden Bereichs des Gehäuses (1) zur Verstärkung der Kaminwirkung wesentlich größer ist als die horizontale Erstreckung des Umgebungsluft abführenden Bereichs des Gehäuses (1).