Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines elektrischen Leistungsschalters in einem Schaltschrank oder einer Schaltanlage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 . Üblicherweise werden elektrische Leistungsschalter in elektrischen Schaltanlagen oder Schaltschränken passiv über die elektrischen Anschlüsse des Leistungsschalters sowie die Umgebungsluft gekühlt, welche die Leistungsschalter innerhalb der Schaltanlage umgibt. Für den Fall, dass die dadurch bereitgestellte Kühlleistung nicht ausreicht, werden Luftkühler mit Zwangskühlung, beispielsweise durch einen elektrisch betriebenen Lüfter zur Kühlung des elektrischen Leistungsschalters eingesetzt, oder der elektrische Leistungsschalter wird mit verringerter Leistung betrieben, um die Abwärme zu reduzieren.

Ein solcher elektrischer Leistungsschalter ist zum Beispiel ein durch Luft isolierter Leistungsschalter, der in Fachkreisen auch als "Air Circuit Breaker" (ACB), bezeichnet wird, und der beispielsweise als Einschub in den Schaltschränken von industriellen Schaltanlagen für den Niederspannungs- und Mittelspannungsbereich eingesetzt wird. Während des Betriebes des elektrischen Leistungsschalters produziert dieser Abwärme, welche zur Erreichung seiner Nennleistung über einen Kühler abtransportiert werden muss. Die bisher bekannten passiven Kühler ermöglichen aufgrund der gekapselten Bauform sowie der Anordnung der elektrischen Leistungsschalter in den Einschubgehäusen, in denen diese in den Einschubfächern der Schaltschränke aufgenommen sind, lediglich einen sehr begrenzten Kühlluftstrom, so dass der Abtransport der Wärme durch Konvektion sehr gering und die maximal mögliche Kühlleistung entsprechend begrenzt ist.

Da der Abtransport der überschüssigen Wärme als Wärmestrahlung aufgrund der gekapselten Bauweise ebenfalls nur sehr beschränkt möglich ist, wird bei den zuvor beschriebenen elektrischen Leistungsschaltern ca. 95% der Abwärme über die elektrischen Anschlusskontakte aus den Einschubgehäusen der Leistungsschalter abgeführt. Aus diesem Grunde werden die elektrischen Kupfer-Anschlüsse der Leistungsschalter entsprechend groß dimensioniert, wodurch sich in Verbindung mit der lediglich begrenzten Wärmeleitfähigkeit von Kupfer der weitere Nachteil ergibt, dass sogenannte "Hot Spots" , d.h. Stellen mit erhöhter Temperatur entstehen, die zu nicht gleichmäßig erwärmten elektrischen Zuleitungen führen. Da der Querschnitt der Zuleitungen hierbei in der Regel konstant ist und nicht in Abhängigkeit von der abzuführenden Wärmemenge über die Länge der Anschlussleitung hinweg verändert wird, wird für eine ausreichende passive Kühlung der Leistungsschalter im Bereich der Sammelschienen zusätzliches Kupfer-Material eingesetzt, welches die Kosten der Schaltanlagen zusätzliche erhöht.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur passiven Kühlung eines elektrischen Leistungsschalters in einem Schaltschrank oder einer Schaltanlage zu schaffen, mit welcher sich die Kühlleistung in energiesparender Weise erhöhen lässt.

Erfindungsgemäß wird die zuvor genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung eines elektrischen Leistungsschalters in einem Schaltschrank umfasst einen Kühler mit einem Kühlkörper, welcher thermisch leitend mit dem elektrischen Leistungsschalter verbunden ist. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kühler einen sich in vertikaler Richtung, d.h. in Aufwärtsrichtung erstreckenden kaminartigen Abzug und ein mit dem Kühlkörper thermisch leitend verbundenes Wärmerohr umfasst, welches sich vom Kühlkörper aus in den kaminartigen Abzug hineinerstreckt. Im Innenraum des kaminartigen Abzugs sind an dem Wärmerohr angeordnete Kühlrippen vorgesehen, die von der im kaminartigen Abzug aufsteigenden Luft überströmt werden und die an die Kühlrippen vom Wärmerohr übertragene Wärmeenergie abgeben.

Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Abwärme des Leistungsschalters über den mit diesem thermisch gekoppelten Kühlkörper und das Wärmerohr in den Innenraum des kaminartigen Abzugs transportiert und dort mittels der Kühlrippen gezielt an die Umgebungsluft abgegeben wird. Die Umgebungsluft erwärmt sich und steigt im kaminartigen Abzug auf, wodurch neue kalte Umgebungsluft in den karminartigen Abzug eingesaugt und aus dem unteren Bereich des Abzugs zu den Kühlrippen transportiert wird. Aufgrund des verbesserten Kamineffekts, der sich durch die Kombination aus Zuleitung der Abwärme über ein Wärmerohr mit einem im Vergleich zum Durchmesser der kaminartigen Abzugs vergleichsweise kleinen Durchmesser sowie den daran befestigten, im Innenraum des Abzugs angeordneten Kühlrippen, ergibt sich erfindungsgemäß in einer sich parallel zur Strömungsrichtung der Luft erstreckenden Eben verlaufen, kann auf einen Ventilator zur Zwangsbelüftung verzichtet werden, obgleich ein solcher aus Sicherheitsgründen ergänzend ebenfalls vorgesehen sein kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass diese Art der Kühlung die ungleichmäßige thermische Belastung der Sammelschienen in den Schaltschränken, bzw. Schaltanlagen verhindert, die üblicherweise zum elektrischen Anschluss der Leistungsschalter verwendet werden, wobei es einen besonderen Vorteil der Erfindung darstellt, dass die elektrischen Leistungsschalter mit ihrer Nennleistung betrieben werden können und die thermische Belastung der Sammelschiene insgesamt reduziert wird.

Das bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzte Wärmerohr ist ein Wärmeübertrager, der mittels Verdampfungswärme große Wärmemengen transportieren kann. Das Wärmerohr umfasst hierzu ein hermetisch gekapseltes Rohr, in welchem sich ein flüssiges und/oder gasförmiges Arbeitsmedium befindet, beispielsweise Wasser oder eine andere Flüssigkeit wie Alkohol, die einen gegenüber Wasser niedrigeren Siedepunkt besitzt. Das flüssige Arbeitsmedium wird an einer Wärmequelle erhitzt und verdampft. Dabei entstehen im Wärmerohr ein lokaler Überdruck und ein leichtes Druckgefälle, wodurch das nun gasförmige Arbeitsmedium in einen Bereich geringeren Drucks strömt, der Wärmesenke. An der Wärmesenke kühlt das gasförmige Arbeitsmedium ab und kondensiert, wobei der Rücktransport des flüssigen Arbeitsmediums hin zur Wärmequelle entweder durch Schwerkraft oder Kapillarwirkung erreicht wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt in besonders vorteilhafter Weise ein im Stand der Technik auch als "Heat-Pipe" bezeichnetes Wärmerohr zum Einsatz, bei dem der Rücktransport des Arbeitsmediums mittels Kapillarkräften stattfindet. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der kaminartige Abzug ein umfänglich geschlossenes Rohr ist, welches einen an einem ersten unteren Ende angeordneten und sich vom ersten Ende weg verjüngenden ersten Teilabschnitt umfasst. Der erste Teilabschnitt ist vorzugsweise als eine strömungsoptimierte Düse ausgestaltet, deren Querschnitt die Form einer Kurve besitzt, deren Steigung sich in Aufwärtsrichtung, d.h. in Strömungsrichtung betrachtet, zunehmend vergrößert.

Weiterhin umfasst das geschlossene Rohr einen sich an den ersten Teilabschnitt anschließenden zweiten Teilabschnitt mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser sowie einen sich an den zweiten Teilabschnitt anschließenden dritten Teilabschnitt. Der dritte Teilabschnitt erweitert sich vom zweiten Teilabschnitt aus trichterartig zu einem zweiten oberen Ende des Rohres hin, wobei dieser dritte Teilabschnitt vorzugsweise als Diffusor wirkt, der den aus dem kaminartigen Abzug austretenden Luftstrom vergleichmäßigt.

Durch diese Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass kalte Luft am Wärmerohr und den daran angeordneten Kühlrippen erwärmt wird, nach oben strömt und frische kalte Luft unterhalb des Wärmerohrs mitreißt. Dies führt dazu, dass unterhalb des kaminartigen Abzugs verstärkt weitere Frischluft angesaugt und in Richtung des Wärmerohrs beschleunigt wird.

Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken ist das Wärmerohr vorzugsweise im zweiten Teilabschnitt des Abzugs horizontal verlaufend angeordnet, wohingegen die am Wärmerohr parallel nebeneinanderliegend angeordneten Kühlrippen sich im zweiten Teilabschnitt des Abzugs in vertikaler Richtung erstrecken. Durch die bevorzugte Einlauftrichter-Form des ersten Teilabschnitts wird die in den ersten Teilabschnitt eingesaugte kalte Luft mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit an den Kühlrippen vorbeigeführt und an diesen erwärmt. Aufgrund der vorzugsweise planparallelen Anordnung der Kühlrippen in parallel zueinander verlaufenden Ebenen wird diese wenig verwirbelt, was die Strömungsverluste in vorteilhafter Weise verringert. In dem sich zum Ende des kaminartigen Abzugs hin erweiternden dritten Teilabschnitt wird schließlich der mit der Erwärmung der Luft an den Kühlrippen im zweiten Teilabschnitt einhergehenden Volumenvergrößerung Rechnung getragen, was dazu führt, dass die Luft zusätzlich beschleunigt und dadurch vermehrt kühle Frischluft in den ersten Teilabschnitt eingesaugt wird.

Zudem wird die erwärmte Luft nach dem Verlassen des zweiten Teilabschnitts in dem dritten vorzugsweise diffusorartigen Teilabschnitt verlangsamt und an die Umgebung beziehungsweise den Schaltschrank abgegeben.

Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken erweitert sich der dritte Teilabschnitt vom zweiten Teilabschnitt aus zu dem zweiten Ende des Rohrs hin in einem Öffnungswinkel zwischen 0,1 ° bis 30°, vorzugsweise zwischen 0,1 ° bis 20°, besonders bevorzugt in einem Winkel kleiner 10° gegenüber der Vertikalen. Darüber hinaus erstreckt sich der dritte Teilabschnitt bevorzugt über mehr als 50% der Länge des karminartigen Abzugs.

Dies hat den Vorteil, dass die Strömungsgeschwindigkeit der aufsteigenden warmen Luft durch eine Veränderung des Öffnungswinkels maßgeblich beeinflusst und dadurch der Volumenstrom der Luft durch den kaminartigen Abzug auf einfache Art und Weise konstruktiv an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann.

So lässt sich durch eine Veränderung der Länge des dritten Teilabschnitts, die aufgrund der Auftriebskraft der erwärmten Luft maßgeblich die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt, welche von dem gesamten Strömungswiderstand der erfindungsgemäßen Vorrichtung begrenzt wird, die Strömungsgeschwindigkeit, bzw. die Kühlluftmenge auf ein gewünschtes Maß einstellen. Zudem wird durch eine gewisse Mindestlänge des dritten Teilabschnitts ein Rückströmen von erwärmter Luft zum Ansaugbereich des ersten Teilabschnitts größtenteils vermieden, wodurch der Wirkungsgrad, bzw. die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter erhöht wird.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Wärmerohr zwei oder mehr Wärmerohre. In vorteilhafter Weise kann durch die Anzahl der Wärmerohre die Kühlleistung des Kühlers an unterschiedliche elektrische Leistungsschalter und damit einhergehend unterschiedliche Abwärme angepasst werden. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung weist der Kühlkörper zumindest auf seiner dem Leistungsschalter zugewandten Seite eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf. Dabei besteht die dem Leistungsschalter zugewandte Seite des Kühlkörpers vorzugsweise zu einem Anteil von zumindest 50 Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff, vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder Silber.

Die zuvor beschriebene Ausführungsform der Erfindung besitzt den Vorteil, dass der Wärmewiderstand gering gehalten werden kann, was einen hohen Wärmestrom vom elektrischen Leistungsschalter zum Wärmerohr ermöglicht.

In besonders vorteilhafter Weise ist ein Ende des Wärmerohrs direkt mit dem elektrischen Leistungsschalter thermisch leitend in der Weise in Kontakt, dass das eine Ende des Wärmerohrs zwischen dem Kühlkörper und dem elektrischen Leistungsschalter angeordnet ist. Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung anhand einer beispielhaften Ausführungsform beschrieben. In der einzigen Zeichnung zeigt Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen

Kühlers mit einem seitlich angeordneten elektrischen Leistungsschalter sowie einer angedeuteten Sammelschiene.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Kühlung eines elektrischen Leistungsschalters 2 in einem Schaltschrank 3, der in Fig. 1 lediglich ausschnittsweise gezeigt ist und beispielsweise ein Schaltschrank mit einer Vielzahl von Einschubfächern 9 zur Aufnahme von Einschubgeräten 5 sein kann.

Wie in Fig. 1 angedeutet ist, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 vorzugsweise als ein solches Einschubgerät 5 ausgebildet, welches ein Gehäuse 7 besitzt, in welchem die Vorrichtung 1 aufgenommen ist und welches unter gleichzeitiger Erzeugung der elektrischen Anschlussverbindungen der Komponenten des Einschubgeräts mit den Anschlüssen des Einschubfachs 9 in bekannter Weise in ein Einschubfach 9 des Schaltschranks 3 eingeschoben werden kann. Der elektrische Anschluss des elektrischen Leistungsschalters 2 erfolgt dabei gleichzeitig oder alternativ zu der elektrischen Steckverbindung über eine oder mehrere elektrische Sammelschienen 26, die üblicherweise aus Kupfer bestehen und durch Schraubverbindungen an den elektrischen Leistungsschalter 2 angeschlossen sind. Obgleich die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bevorzugt in einem zuvor beschriebenen Einschubgerät 5 zum Einschieben in ein Einschubfach 9 eines Schaltschranks 3 oder einer Schaltanlage eingesetzt wird, kann dieses auch außerhalb eines solchen Einschubgerätes als eigenständiges Modul in einem Schaltschrank oder einer Schaltanlage eingesetzt werden. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 einen Kühler 4 mit einem Kühlkörper 6, welcher thermisch leitend mit dem elektrischen Leistungsschalter 2 verbunden ist und die vom Leistungsschalter 2 während seines Betriebs erzeugte Abwärme abtransportiert. Der elektrische Leistungsschalter 2 ist beispielsweise über Schraubverbindungen 24 mit dem Kühlkörper 6 des Kühlers 4 verbunden. Der Kühler 4 umfasst weiterhin einen sich in vertikaler Richtung erstreckenden kaminartigen Abzug 8 sowie mit dem Kühlkörper 6 thermisch leitend verbundene Wärmerohre 10, 102, 104, 106, welche sich vom Kühlkörper 6 aus in den kaminartigen Abzug 8 hinein erstrecken und an welchem im Innenraum des kaminartigen Abzugs 8 angeordnete Kühlrippen 12 vorgesehen sind, die vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff bestehen, wie die Wärmerohrel 0, 102, 104, 106. Die Wärmerohre 10, 102, 104, 106 sind vorzugsweise mit dem Kühlkörper 4 verlötet oder verschweißt und auf der dem Leistungsschalter 2 zugewandten Seite angeordnet. Alternativ kann der Kühlkörper 6 innenliegende Leitungen aufweisen, die nach außen geführt sind und dort vorzugsweise mittels einer Flanschverbindung mit einseitig geschlossenen Rohren verbunden sind. Die Wärmerohre 10, 102, 104, 106 sind mit einem Arbeitsmedium, wie z.B. mit Wasser oder einem Alkohol wie z.B. Methanol oder Ammoniak etc. gefüllt und bevorzugt mit einem Kupferdrahtgeflecht befüllt, wie dies von Wärmerohren her bekannt ist, die nach dem sogenannten Heat-Pipe Prinzip arbeiten. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Wärmerohre 10, 102, 104, 106 neben dem Arbeitsmedium keine weiteren Komponenten enthalten und vom Zentrum des kaminartigen Abzugs 8 aus zum Kühlkörper 6 hin im Winkel von wenigen Grad, z.B. 5 bis 20 Grad, abfallend geneigt angeordnet sind, so dass das im Bereich der Kühlrippen 12 kondensierte flüssige Arbeitsmedium durch die Schwerkraft getrieben zu dem mit dem Kühlkörper 6 gekoppelten Ende des Wärmerohres 10, 102, 104, 106 fließt, an dem es durch die vom Kühlkörper 6 übertragene Abwärme des Leistungsschalters 2 wieder verdampft wird und als Gas im Inneren des Rohres in den Bereich der Kühlrippen 12 aufsteigt, um dort erneut zu kondensieren.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Wärmetransport innerhalb des Rohres nach dem Heat-Pipe-Prinzip erfolgt, sind die Wärmerohre 10, 102, 104, 106 jedoch vorzugsweise horizontal im zweiten Teilabschnitt 18 angeordnet; und die an den Wärmerohren 10, 102, 104, 106 angeordneten Kühlrippen 12, die als ebene Metallbleche ausgestaltet sein können, verlaufen in parallelen vertikalen Ebenen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der kaminartige Abzug 8 ein umfänglich geschlossenes, vorzugsweise rotationssymmetrisches Rohr, welches einen an einem ersten unteren Ende 14 angeordneten und sich vom ersten Ende 14 weg verjüngenden ersten Teilabschnitt 16 umfasst, durch welchen kalte Luft angesaugt wird. Wie der Darstellung der Fig. 1 hierbei entnommen werden kann, besitzt der erste Teilabschnitt 16 eine Form, deren Querschnittsfläche, bzw. deren Durchmesser sich vom unteren eintrittsseitigen Ende 14 in Aufwärtsrichtung verjüngt. Nach dem Einströmen der kalten, beispielhaft durch die Strömungspfeile in Figur 1 angedeuteten Luft, tritt diese in den sich an den ersten Teilabschnitt 16 anschließenden zweiten Teilabschnitt 18 ein, der bevorzugte einen nahezu konstanten Durchmesser aufweist.

Im zweiten Teilabschnitt 18 umströmt die kalte Luft die Wärmerohe 10, 102, 104, 106 sowie die daran angebrachten Kühlrippen 12 und wird dadurch erwärmt. In Folge der Erwärmung vergrößert sich das Volumen der Luft im zweiten Teilabschnitt 18 und die erwärmte Luft steigt in den dritten Teilabschnitt 20 auf, der sich oberhalb an den zweiten Teilabschnitt 18 anschließt. Der Durchmesser des dritten, vorzugsweise ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildeten, bzw. sich konisch erweiternden Teilabschnitts 20 erweitert sich nahezu konstant unter einem Öffnungswinkel α von vorzugsweise 10° oder weniger bis hin zum oberen Ende 22 des Kühlers 4. Durch diese Erweiterung wird der Druck im dritten Teilabschnitt 20 verringert und die Strömungsgeschwindigkeit der erwärmten Luft nimmt ab.

Durch die Länge des dritten Teilabschnitts 20 und/oder dem Öffnungswinkel α lässt sich der Volumenstrom durch den Kühler 4 maßgeblich beeinflussen, was die Möglichkeit eröffnet, die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einfache Weise an die elektrischen Leistungen der Leistungsschalter 2 anzupassen. Vorzugsweise beträgt die Länge des dritten Abschnitts 20 mehr als 50% der Gesamtlänge des kaminartigen Abzugs 8 von dem ersten Ende 14 bis zum zweiten Ende 22.

Die gezeigten Kühlrippen 12 sind schematisch als Striche dargestellt und können zum Beispiel Bleche aus Kupfer, Aluminium, Stahl oder einer Legierung aus den zuvor genannten Materialen sein. Gemäß einer weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Kühlrippen 12 in besonders vorteilhafter Weise profiliert und/oder gewellt, um eine möglichst große Oberfläche zum Wärmeübertrag von den Kühlrippen 12 an die Luft zu erreichen.

Bezuqszeichenliste

1 Erfindungsgemäße Vorrichtung

2 Elektrischer Leistungsschalter

3 Schaltschrank

4 Kühler

5 Einschubgerät

6 Kühlkörper

7 Gehäuse des Einschubgeräts

8 Kam inartiger Abzug

9 Einschubfach

10 Wärmerohr

12 Kühlrippen

14 Erstes unteres Ende

16 Erster Teilabschnitt

18 Zweiter Teilabschnitt

20 Dritter Teilabschnitt

22 Zweites oberes Ende

24 Schraubverbindung

26 Sammelschienen

102 Wärmerohr

104 Wärmerohr

106 Wärmerohr

α Öffnungswinkel