Kühlgerät mit mehreren Arbeitsmodi zur Optimierung der Effektivität.Cooling device with several working modes to optimize efficiency.
Die Erfindung betrifft ein Kühlgerat zur Klimatisierung von Räumen, insbesondere von Schaltschranken, welches unter anderem mit Peltier-Elementen und Kühlkompressoren betrieben wird. Entsprechend den Anforderungen und den Umgebungsbedingungen wird das Kühlgerat zur Erhöhung der Effektivität &eegr; (Wirkungsgrad aus elektrischem Energieverbrauch und Kaiteerzeugung) in verschiedenen Arbeitsmodi betrieben.The invention relates to a cooling device for air conditioning rooms, in particular switch cabinets, which is operated with Peltier elements and cooling compressors, among other things. Depending on the requirements and the ambient conditions, the cooling device is operated in different operating modes to increase the effectiveness η (efficiency of electrical energy consumption and air generation).
Bei der Klimatisierung von Schaltschranken sind verschiedene Randbedingungen zu beachten. Die Temperaturobergrenze im Schaltschrank sollte im Allgemeinen ca. 35°C betragen. Dieses ist oft schon mit einer einfachen Durchlüftung des Schaltschrankes mittels Lüftern zu erreichen. Jedoch besteht hierbei die Gefahr der Verschmutzung des Schaltschrankes. In entsprechend belasteten Umgebungen ist es daher notwendig, die Warme aus den Schaltschränken abzuführen, ohne Umgebungsluft in das Innere des Schaltschrankes zu führen.When air conditioning control cabinets, various conditions must be taken into account. The upper temperature limit in the control cabinet should generally be around 35°C. This can often be achieved by simply ventilating the control cabinet using fans. However, this poses the risk of the control cabinet becoming dirty. In environments subject to such high loads, it is therefore necessary to remove the heat from the control cabinets without introducing ambient air into the interior of the control cabinet.
Ein gangiges Verfahren hierfür ist die Verwendung von Luft/Luft-Wärmetauschern, wie unter anderem in 06.03.97 - Kormos - DE 197 09 145 // 07.02.98 - Nicolai - DE 198 04 900 und 18.10.91-Euchner DE 41 34 429 vorgeschlagen. Dabei wird über große Flachen die Wärme zweier Medien ausgetauscht, ohne daß es zu einer Vermischung der Medien kommt. Auf dieses Weise kann die Warme Luft im Inneren des Schaltschrankes (erstes Medium) Wärme an die äußere Umgebungsluft (zweites Medium) abgeben. Jedoch funktioniert dieses nur, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien groß genug (mindestens At=IO0C) ist. Bei einer maximalen Schaltschrank-Innentemperatur von 350C sind demzufolge die Luft/Luft-Wärmetauscher nur bis zu einer Außentemperatur von ca. 25°C einsetzbar.A common method for this is the use of air/air heat exchangers, as proposed in 06.03.97 - Kormos - DE 197 09 145 // 07.02.98 - Nicolai - DE 198 04 900 and 18.10.91- Euchner DE 41 34 429, among others. This involves exchanging the heat of two media over large surfaces without the media mixing. In this way, the warm air inside the control cabinet (first medium) can give off heat to the outside ambient air (second medium). However, this only works if the temperature difference between the two media is large enough (at least At=100 C). With a maximum control cabinet internal temperature of 350 C, the air/air heat exchangers can therefore only be used up to an outside temperature of approx. 25°C.
Oberhalb einer Umgebungstemperatur von ca. 25°C muß in der Regel mit einem Kühlaggregat gekühlt werden. Am häufigsten werden dabei Kühlaggregate mit Kompressor-Kühlung eingesetzt. Beispielhaft werden einige Lösungen in 13.03.96 - Müller - DE 196 09 794 // 29.06.83 - Kümmerle - DE 33 23 412 und 12.09.81 - Seifert - DE 31 36 226 vorgeschlagen. Diese Kühlungen funktionieren seit vielen Jahren zuverlässig. Jedoch hat sich mit fortschreitender Entwicklung der Elektronik gezeigt, daß die Elektronik und die eingesetzten Schaltschranke immer kleiner werden. Es hat sich vielfach ebenfalls gezeigt, daß die Kompressor Aggregate sowohl in der Leistung,, als auch in der Größe oft überdimensioniert und zu teuer sind. Außerdem hat sich gezeigt, daß thermoelektrische Kühlungen aufgrund der Weiterentwicklung der Peltier-Elemente und der Kühlkörper (Wärmetauscher) heutzutage unter bestimmten Bedingungen eine wesentlich höhere Effektivität &eegr; haben, als Kompressor-Kühler. Diese Bedingungen sind gerade bei der Klimatisierung von Schaltschränken oft gegeben.Above an ambient temperature of approx. 25°C, cooling must generally be carried out using a cooling unit. Cooling units with compressor cooling are the most commonly used. Some examples of solutions are proposed in 13.03.96 - Müller - DE 196 09 794 // 29.06.83 - Kümmerle - DE 33 23 412 and 12.09.81 - Seifert - DE 31 36 226. This cooling system has worked reliably for many years. However, with the advancement of electronics, it has become apparent that the electronics and the control cabinets used are becoming smaller and smaller. It has also been shown many times that compressor units are often over-dimensioned and too expensive, both in terms of power and size. It has also been shown that, due to the further development of Peltier elements and cooling elements (heat exchangers), thermoelectric cooling systems are now much more effective under certain conditions. than compressor coolers. These conditions are often present when air conditioning control cabinets.
Eine Alternative hierzu sind Kühlaggregate auf der Basis von Peltier-Elementen. Dieses wird beispielhaft in 26.10.93 - O'Geary - US 5,255,520 // 28.10.87 - Sukrow - DE 37 36 566 // 08.11.88 Sterna et al. - US 4,782,664 und 14.09.87 - Buchmann - DE 37 30 830 vorgeschlagen. Schaltschrank-Kühlaggregate auf Peltier-Basis sind von mehreren Herstellern in den. verschiedensten Leistungsklassen und Größen verfügbar. Jedoch hat sich bei diesen Peltier-Aggregaten zum Einen gezeigt, daß die Effektivität &eegr; (Wirkungsgrad aus elektrischem Energieverbrauch und Kälteerzeugung) deutlich geringer ist, als die der Kompressor-Kühlung. Zum Zweiten hat sich ergeben, daß die bekannten Peltier-Kühler bei hohen Umgebungstemperaturen (z.B. 55°C) oft nicht mehr genügend Kühlleistung bringen, um die Wärme zuverlässig aus dem Schaltschrank abzuführen.An alternative to this are cooling units based on Peltier elements. This is proposed as an example in 26.10.93 - O'Geary - US 5,255,520 // 28.10.87 - Sukrow - DE 37 36 566 // 08.11.88 Sterna et al. - US 4,782,664 and 14.09.87 - Buchmann - DE 37 30 830. Control cabinet cooling units based on Peltier are available from several manufacturers in a wide range of performance classes and sizes. However, it has been shown with these Peltier units that the effectiveness η (efficiency of electrical energy consumption and cold generation) is significantly lower than that of compressor cooling. Secondly, it has been found that the well-known Peltier coolers often no longer provide sufficient cooling power at high ambient temperatures (e.g. 55°C) to reliably dissipate the heat from the control cabinet.
Das Peltier-Element verfügt über eine kalte und eine warme Seite. Es ist weiterhin bekannt, daß sich der Wirkungsgrad von Peltier-Elementen durch die Reduzierung der Temperatur Differenz At zwischen der kalten und der warmen Seite erhöht. Diese Effekte werden in den Schriften 20.02.68 - Lukomsky - US 3,552,133 undThe Peltier element has a cold and a warm side. It is also known that the efficiency of Peltier elements increases by reducing the temperature difference At between the cold and the warm side. These effects are described in the documents 20.02.68 - Lukomsky - US 3,552,133 and
31.01.95 - Gwilliam et al. - US 5,385,020 genutzt, um den Wirkungsgrad von Peltier-Luft/Luft-Tauscher Systemen zu erhöhen. Diese sind jedoch für die Klimatisierung von Räumen gedacht, bei denen es nicht zu extrem hohen Temperaturdifferenzen kommt. In der Praxis der Schaltschrank-Kühlung hat sich jedoch gezeigt, daß die Temperatur Differenz bei extremster Umgebung (55°C) zwischen dem Wärmetauscher im Inneren des Schaltschrankes und dem Wärmetauscher in der Umgebung durchaus 4 00C werden kann und muß.31.01.95 - Gwilliam et al. - US 5,385,020 used to increase the efficiency of Peltier air/air exchanger systems. However, these are intended for air conditioning rooms where there are not extremely high temperature differences. In practice, however, it has been shown that the temperature difference between the heat exchanger inside the control cabinet and the heat exchanger in the environment can and must be 4 00 C in the most extreme environment (55°C).
Es hat sich gezeigt, daß bei hohen Umgebungstemperaturen (z.B. 55°C) und einer inneren Schaltschranktemperatur von 35°C der Wärmeeintritt in den Schaltschrank über die Gehäusewände sehr groß ist. Daher müssen Schaltschränke mit entsprechenden Betriebsspezifikationen in der Regel isoliert werden. Dieses verringert den Bedarf für die Kühlung bei hohen Umgebungstemperaturen erheblich. Jedoch bewirkt dieses auch, daß bei niedrigen Temperaturen keine Wärme mehr vom Inneren über das Gehäuse an die Umgebung abgegeben werden kann, und auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen mit dem Kühlaggregat gekühlt werden muß, obwohl dieses ohne Isolation nicht nötig wäre.It has been shown that at high ambient temperatures (e.g. 55°C) and an internal control cabinet temperature of 35°C, the heat entering the control cabinet via the housing walls is very high. Therefore, control cabinets with corresponding operating specifications must generally be insulated. This significantly reduces the need for cooling at high ambient temperatures. However, this also means that at low temperatures no more heat can be released from the interior to the environment via the housing, and cooling must be carried out using the cooling unit even at low ambient temperatures, although this would not be necessary without insulation.
Üblicher Weise werden Peltier-Kühlgeräte über die Versorgungsspannung oder eine Begrenzung der Stromstärke geregelt. Eine Regelung über eine Taktung ist ungünstig, da es während der ausgeschalteten Phase zu einer thermischen Rückkopplung über das Peltier-Element kommt. Eine Regelung über die Versorgungsspannung oder die Stromstärke hat aber einerseits den Nachteil, daß die entsprechenden Schaltungen sehr kosten- und platzaufwändig sind.Peltier cooling devices are usually controlled via the supply voltage or a limit on the current. Control via a clock is not ideal because thermal feedback occurs via the Peltier element during the off phase. Control via the supply voltage or current has the disadvantage that the corresponding circuits are very expensive and take up a lot of space.
Andererseits reduzieren sie zum Teil die Gesamteffektivität &eegr; des Kühlgerätes erheblich, da sie je nach Regelverfahren eine Verlustleistung bis zu 50% haben.On the other hand, they sometimes significantly reduce the overall efficiency η of the cooling device, since they have a power loss of up to 50%, depending on the control method.
Zur Reduzierung des Energieverbrauchs ist aus 13.03.96 - Rittal DE-OS 196 09 651 der Einsatz von mehreren Kühlgeräten unterschiedlicher Technologie in einem Schaltschrank bekannt. Es wird beispielsweise die Kombination eines Kompressor-Kühlgerätes und eines Luft/Luft-Wärmetauschers vorgeschlagen. Über eine entsprechende Regelung wird je nach Bedarf zwischen denTo reduce energy consumption, the use of several cooling units with different technologies in a control cabinet is known from 13.03.96 - Rittal DE-OS 196 09 651. For example, the combination of a compressor cooling unit and an air/air heat exchanger is suggested. A corresponding control system is used to switch between the
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verschiedenen Kühlgeraten umgeschaltet, um möglichst oft den Luft/Luft-Wärmetauscher zu benutzen, da dieser den geringsten Stromverbrauch hat. Diese Lösung hat jedoch die Nachteile, daß zum einen der Platzbedarf für die Kühlgeräte sehr hoch ist, da zwei komplette Kühlgerate plus einer Regelung am Schaltschrank angebracht werden müssen. Zum zweiten sind die Anschaffungskosten für zwei komplette Kühlgerate und die Regelung entsprechend hoch.different cooling devices in order to use the air/air heat exchanger as often as possible, as this has the lowest power consumption. However, this solution has the disadvantages that, firstly, the space required for the cooling devices is very high, as two complete cooling devices plus a control unit have to be installed on the control cabinet. Secondly, the purchase costs for two complete cooling devices and the control unit are correspondingly high.
Des weiteren ist aus 19.04.94 - Rittal - DE-OS 44 13 128 die Problematik moderner, FCK freier, Kühlgeräte bekannt. Die dort verwendeten Kühlmittel sind zum Teil leicht entzündbar. Es wird daher vorgeschlagen, die gesamte Kühlmaschine inkl. Verdampfer außerhalb des Schaltschrankes zu belassen, und statt dessen über einen Wärmetauscher die Kälte an eine Flüssigkeit abzugeben, welche dann in das Innere des Schaltschrankes geführt wird, und dort die Kälte über einen Kühler abgibt.Furthermore, the problem of modern, CFC-free cooling devices is known from 19.04.94 - Rittal - DE-OS 44 13 128. The cooling agents used there are sometimes highly flammable. It is therefore suggested that the entire cooling machine including the evaporator be left outside the control cabinet and that the cold be transferred to a liquid via a heat exchanger instead, which is then fed into the interior of the control cabinet and there releases the cold via a cooler.
Aus der Schrift 30.03.98 - Zexel - DE OS 198 14 028 ist ein Wärmetauscher (Kühler) für Kraftfahrzeuge bekannt, welcher über mehrere Kühlkreisläufe verfügt. Ein Kreislauf ist hierbei vorgesehen für die Kühlung des Motors, ein zweiter für die Kühlung der Klimaanlage. Für eine Lösung mit nur einem Kühler für beide Kreisläufe ergeben sich entsprechende Kostenvorteile. Zur Beseitigung dieser Nachteile liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Kühlgerät auf Basis von Peltier- und/oder Kompressortechnik so zu schaffen, daß es einerseits bei extremen Umgebungsbedingungen zuverlässig kühlt, aber andererseits die Effektivität &eegr; (s.o.) insgesamt deutlich gesteigert wird, und somit die Betriebskosten sinken.From the document 30.03.98 - Zexel - DE OS 198 14 028 a heat exchanger (cooler) for motor vehicles is known which has several cooling circuits. One circuit is provided for cooling the engine, a second for cooling the air conditioning system. A solution with only one cooler for both circuits results in corresponding cost advantages. In order to eliminate these disadvantages, the invention is based on the object of creating a cooling device based on Peltier and/or compressor technology in such a way that on the one hand it cools reliably in extreme ambient conditions, but on the other hand the effectiveness η (see above) is significantly increased overall, thus reducing operating costs.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kühlgerät abhängig von der Umgebungstemperatur in mehreren Kühlmodi betrieben wird, bei denen unterschiedliche Kühltechnologien kombiniert werden können, um die Effektivität &eegr; der Kühlung zu erhöhen. Eine vorteilhafte Lösung mittels Peltiertechnik liegt darin, daß das Peltier-Kühlgerät zum Einen mit einer sehr hohen Maximalleistung versehen wird, welche unter den extremstenAccording to the invention, the object is achieved in that the cooling device is operated in several cooling modes depending on the ambient temperature, in which different cooling technologies can be combined in order to increase the effectiveness of the cooling. An advantageous solution using Peltier technology is that the Peltier cooling device is provided with a very high maximum output, which under the most extreme
Umgebungstemperaturen die nötige Kühlleistung gewahrleistet, und zum Anderen zur Erhöhung der Effektivität &eegr; in unterschiedlichen Kühlmodi betrieben wird. Bei den üblichen Umgebungsbedingungen für die Kühlung (00C bis 550C) ist eine Einteilung in vier Kühlmodi besonders effektiv. Dieses sind beispielhaft bei konstant 35°C Schaltschrank Innentemperatur und einer konstanten Verlustwärme im Inneren des Schaltschrankes, welche permanent abgeführt wird, abhängig von der Umgebungstemperatur:ambient temperatures, the necessary cooling performance is ensured, and on the other hand, to increase the effectiveness η is operated in different cooling modes. With the usual ambient conditions for cooling (00 C to 550 C), a division into four cooling modes is particularly effective. These are, for example, with a constant 35°C control cabinet internal temperature and a constant heat loss inside the control cabinet, which is permanently dissipated, depending on the ambient temperature:
Modus 1: Umgebung 470C bis 55°C
maximale realisierbare Leistung des Kühlgerätes beiMode 1: Ambient 470 C to 55°C
maximum achievable performance of the cooling device at
geringster Effektivität r|min.
Modus 2: Umgebung 370C bis 470Clowest effectiveness r|m in .
Mode 2: Ambient 370 C to 470 C
mäßig reduzierte Leistung bei erhöhter Effektivität von ca.r\min&khgr; 3.
Modus 3: Umgebung 270C bis 370Cmoderately reduced performance with increased effectiveness of approx.r\min &khgr; 3.
Mode 3: Ambient 270 C to 370 C
stärker reduzierte Leistung bei erhöhter EffektivitätMore reduced performance with increased effectiveness
von ca. -nmfrom approx. -nm
&khgr; 8.x 8.
Modus 4: Umgebung unter 27°CMode 4: Environment below 27°C
Luft/Luft-Wärmetauscher Modus. Dieser Modus kann auf mehrere Arten realisiert werden. Zum einen kann die Peltier-Kühlung mit höchst reduzierter Leistung bei sehr hoher Effektivität von ca. r|min &khgr; 30 betrieben werden.Air/air heat exchanger mode. This mode can be implemented in several ways. On the one hand, the Peltier cooling can be operated with extremely reduced power at a very high efficiency of approx. r|min &khgr; 30.
Zum anderen kann in das Kühlgerät eine entkoppelbare thermische Verbindung zwischen den Wärmetauschern der Innen- und der Außenseite integriert werden. Über diese arbeitet das Kühlgerät im Modus 4 als einfacher Luft/Luft-Wärmetauscher. In den Modi 1 bis 3 wird die thermische Verbindung getrennt, so daß es nicht zu einer thermischen Rückkopplung zwischen den kühlenden Peltier-Elementen und der thermischen Verbindung kommt. Die thermische Rückkopplung über die nicht eingeschalteten Peltier-Elemente im Modus 4 ist vernachlässigbar, bzw. nicht vorhanden.On the other hand, a decoupleable thermal connection between the heat exchangers on the inside and outside can be integrated into the cooling device. This allows the cooling device to operate as a simple air/air heat exchanger in mode 4. In modes 1 to 3, the thermal connection is separated so that there is no thermal feedback between the cooling Peltier elements and the thermal connection. The thermal feedback via the Peltier elements that are not switched on in mode 4 is negligible or non-existent.
Die einzelnen Kühlmodi 1 bis 4 der Peltier-Elemente werden über die Betriebsspannung oder die Stromstärke geregelt. In einerThe individual cooling modes 1 to 4 of the Peltier elements are controlled by the operating voltage or the current. In a
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vorteilhaften Ausführung wird das Kühlgerät mit mindestens 4 bis Peltier-Elementen ausgerüstet. Dadurch ist es möglich, durch andern der Verschaltung der Peltier-Elemente untereinander, die Betriebsspannungen der Peltier-Elemente zu ändern. Mit einer Stromversorgung von 12V= kann ein Kühlgerät mit 6 Peltier-Elementen beispielsweise wie folgt verschaltet und betrieben werden:In an advantageous design, the cooling device is equipped with at least 4 to 6 Peltier elements. This makes it possible to change the operating voltages of the Peltier elements by changing the connection of the Peltier elements to each other. With a power supply of 12V=, a cooling device with 6 Peltier elements can be connected and operated as follows:
Modus 1: 6 Peltier-Elemente parallel, 12V je Element.Mode 1: 6 Peltier elements in parallel, 12V per element.
Modus 2: je 2 Peltier-Elemente in Serie, 6V je Element. Modus 3: je 3 Peltier-Elemente in Serie, 4V je Element.Mode 2: 2 Peltier elements in series, 6V per element. Mode 3: 3 Peltier elements in series, 4V per element.
Modus 4: 6 Peltier-Elemente in Serie, 2V je Element.Mode 4: 6 Peltier elements in series, 2V per element.
In einer weiteren beispielhaften Ausführung mit 4 Peltier-Elementen für die Kühlmodi 1 bis 3 und einer entkoppelbaren thermischen Verbindung für den Modus 4 können die Peltier-Elemente wie folgt verschaltet werden:In another exemplary design with 4 Peltier elements for cooling modes 1 to 3 and a decoupleable thermal connection for mode 4, the Peltier elements can be connected as follows:
Modus 1: 4 Peltier-Elemente parallel, 12V je Element. Modus 2: je 2 Peltier-Elemente seriell, 6V je Element. Modus 3: 4 Peltier-Element seriell, 3V je Element. Modus 4: Thermische Verbindung, die Peltier-Elemente sind aus.Mode 1: 4 Peltier elements in parallel, 12V per element. Mode 2: 2 Peltier elements in series, 6V per element. Mode 3: 4 Peltier elements in series, 3V per element. Mode 4: Thermal connection, the Peltier elements are off.
Werden mehr als 6 Peltier-Elemente in das Kühlgerät eingebaut, so kann das Kühlgerät zur Erhöhung der Effektivität &eegr; auch in mehr als vier Kühlmodi betrieben werden.If more than 6 Peltier elements are installed in the cooling device, the cooling device can also be operated in more than four cooling modes to increase its effectiveness.
Durch die Änderbarkeit der Verschaltung kann sehr einfach eine Regelung aufgebaut werden, die zum Einen ohne Verlustleistung funktioniert, und zum Anderen sehr kostengünstig zu realisieren ist. Außerdem wird durch das Umschalten in Abhängigkeit von der Innentemperatur zwischen den einzelnen Kühlmodi immer wieder das At zwischen der Innen- und der Außenseite massiv gesenkt, wodurch die Effektivität &eegr; des Kühlgerätes steigt.Because the circuit can be changed, it is very easy to set up a control system that works without power loss and is also very cost-effective to implement. In addition, by switching between the individual cooling modes depending on the internal temperature, the Δt between the inside and the outside is massively reduced, which increases the effectiveness η of the cooling device.
Sowohl auf der warmen Außenseite, als auch auf der kalten Innenseite des Kühlgerätes werden moderne Hochleistungswärmetauscher mit großer Kühlfläche verwendet. Es sollten vorteilhafter Weise mindestes die Kontaktflächen der Wärmetauscher (Bodenplatten) mit den Peltier-Elemente aus Kupfer gefertigt sein. Auch eine ent-Modern high-performance heat exchangers with a large cooling surface are used on both the warm outside and the cold inside of the cooling device. It is advantageous for at least the contact surfaces of the heat exchangers (base plates) with the Peltier elements to be made of copper. A corresponding
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sprechende Heat-Pipe ist benutzbar. Die Dimensionierung der Wärmetauscher muß sich nach den Anforderungen des Modus 1 richten. Hierdurch ergibt sich, daß das At zwischen der Innen- und der Außenseite in den Kühlmodi 2 bis 4 erheblich sinkt. Der Wärmetransport eines Peltier-Elements ist in erster Linie von der Stromstärke abhängig. Da Peltier-Elemente Kaltleiter sind, fällt in den Modi 2 bis 4 mit verringertem At die elektrische Anschlußleistung deutlich stärker ab, als der Strom und der Wärmetransport. Daher steigt die Effektivität &eegr; erheblich.A heat pipe suitable for this purpose can be used. The dimensioning of the heat exchanger must be based on the requirements of mode 1. This means that the Δt between the inside and the outside drops considerably in cooling modes 2 to 4. The heat transport of a Peltier element depends primarily on the current strength. Since Peltier elements are thermistors, in modes 2 to 4 with reduced Δt the electrical connected load drops significantly more than the current and the heat transport. Therefore the effectiveness η increases considerably.
Die entkoppelbare thermische Verbindung des Modus 4 (bzw. des Modus für die niedrigsten Umgebungstemperaturen, in denen gekühlt werden muß) kann auf verschiedene Weise umgesetzt werden. Wichtig ist hierbei, daß in den Modi 1 bis 3 keine Wärme über die thermische Verbindung fließt, da die Funktion der Wärmetauscher in Modus 4 vertauscht werden. In den Modi 1 bis 3 wird der innere Wärmetauscher von den Peltier-Elementen gekühlt. Der äußere Wärmetauscher gibt die Abwärme der Peltier-Elemente an die Umgebung ab. So ist der Innere Wärmetauscher kälter als der Äußere. Im Modus 4 sind die Peltier-Elemente ausgeschaltet. Der innere Wärmetauscher nimmt die Verlustwärme der Elektronik auf. Durch die thermische Verbindung wird die Wärme zum äußeren Wärmetauscher geleitet. Dieser gibt die Wärme an die Umgebung ab. Dabei ist im Modus 4 der äußere Wärmetauscher kälter als der Innere.The decoupled thermal connection of mode 4 (or the mode for the lowest ambient temperatures in which cooling is required) can be implemented in various ways. It is important that in modes 1 to 3 no heat flows through the thermal connection, as the function of the heat exchangers is reversed in mode 4. In modes 1 to 3, the inner heat exchanger is cooled by the Peltier elements. The outer heat exchanger releases the waste heat from the Peltier elements to the environment. The inner heat exchanger is therefore colder than the outer one. In mode 4, the Peltier elements are switched off. The inner heat exchanger absorbs the heat lost from the electronics. The heat is conducted through the thermal connection to the outer heat exchanger. This releases the heat to the environment. In mode 4, the outer heat exchanger is colder than the inner one.
Die thermische Verbindung ist in einer vorteilhaften Ausführung mit einem einfachen Wasserkreislauf realisierbar. Dieser wird in die Bodenplatte der Wärmetauscher integriert und transportiert mit einer Pumpe die Wärme vom inneren Wärmetauscher zum äußeren Wärmetauscher. Zur Entkopplung der thermischen Verbindung muß lediglich der Wasserkreislauf gestoppt werden.The thermal connection can be implemented in an advantageous design with a simple water circuit. This is integrated into the base plate of the heat exchanger and uses a pump to transport the heat from the inner heat exchanger to the outer heat exchanger. To decouple the thermal connection, all you have to do is stop the water circuit.
In einer weiteren Vorteilhaften Ausführung wird die entkoppelbare thermische Verbindung mit einer Heat-Pipe realisiert. Das Funktionsprinzip der Heat-Pipe beruht auf der Verdampfung und Rekondensation von Flüssigkeiten. In der Regel wird hierbei WasserIn a further advantageous embodiment, the decoupled thermal connection is realized with a heat pipe. The functional principle of the heat pipe is based on the evaporation and recondensation of liquids. As a rule, water is used
bei erheblichem Unterdruck benutzt. Bei der Heat-Pipe verdampft·· · ·· ···· ; ;.&igr;used at considerable negative pressure. In the heat pipe evaporates·· · ·· ···· ; ;.&igr;
das Wasser unter Mitnahme von Wärme am inneren Wärmetauscher. Der Dampf gelangt durch aufsteigende Verbindungsrohre zum äußeren Wärmetauscher. Da dieser kälter ist, kondensiert dort der Dampf. So wird die Wärme mit dem Dampf vom inneren des Schaltschrankes nach außen transportiert. Die Verbindungsrohre zwischen den Wärmetauschern sind so angeordnet, daß sie von außen nach innen abfallen. Dadurch fließt das kondensierte Wasser zurück nach innen, und kann erneut verdampfen. In den Modi 1 bis 3 kann das Wasser nicht zurück fließen, so daß das System dann thermisch entkoppelt ist.the water, taking heat with it, at the inner heat exchanger. The steam passes through ascending connecting pipes to the outer heat exchanger. Since this is colder, the steam condenses there. The heat is thus transported with the steam from the inside of the control cabinet to the outside. The connecting pipes between the heat exchangers are arranged in such a way that they slope from the outside to the inside. This causes the condensed water to flow back inside and can evaporate again. In modes 1 to 3, the water cannot flow back, so that the system is then thermally decoupled.
In einer weiteren Vorteilhaften Ausführung wird in das Kühlgerät noch ein weiterer Betriebsmodus integriert. Bei diesem wird über die Peltier-Elemente das innere des Schaltschrankes beheizt. Dieses ist bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen notwendig.In another advantageous design, another operating mode is integrated into the cooling device. In this mode, the interior of the control cabinet is heated using the Peltier elements. This is necessary at very low ambient temperatures.
Eine zweite Vorteilhafte Lösung besteht darin, ein Kompressor-Kühlgerät bekannter Ausführung mit einem Zusätzlichen Kühlmodus für niedrige Umgebungstemperaturen zu versehen. In diesem Kühlmodus 2a soll das Gerät ohne Einsatz des Kompressors als Luft/Luft-Wärmetauscher arbeiten. Dieser Modus ist insbesondere für Umgebungstemperaturen unterhalb 27°C geeignet. In einer vorteilhaften Ausführung des Modus 2a wird dieses über die Bauteile des Kompressor Modus la realisiert. Die Kompressor-Kühlung verfügt über zwei Flüssigkeitskühler, welche als Verdampfer und Verflüssiger arbeiten. In einer vorteilhaften Ausführung werden die Kühler im Kühlmodus 2a über ein Ventil-System und ein System zum Druckausgleich miteinander über eine Pumpe verbunden.A second advantageous solution is to provide a compressor cooling device of known design with an additional cooling mode for low ambient temperatures. In this cooling mode 2a, the device should work as an air/air heat exchanger without using the compressor. This mode is particularly suitable for ambient temperatures below 27°C. In an advantageous embodiment of mode 2a, this is implemented using the components of compressor mode la. The compressor cooling has two liquid coolers, which work as evaporators and condensers. In an advantageous embodiment, the coolers in cooling mode 2a are connected to one another via a valve system and a pressure equalization system via a pump.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden die bekannten 2-Wege-Kühler (Kältemittel und Luft) durch 3-Wege-Kühler (Kältemittel, Luft und zusätzliches Wärmetransportmedium) ersetzt Die bekannten 2-Wege-Kühler sind oft schichtweise aufgebaut aus sich abwechselnden Schichten von 1) gefalteten Kühlrippen und 2) Kühlmittel-/Flüssigkeitsrohren. Dem gegenüber hat ein 3-Wege-Kühler beispielsweise einen sich abwechselnden Schichtaufbau von 1) gefalteten Kühlrippen, 2) Kühlmittelrohre, 1) gefaltete Kühlrippen und 3) Rohre des Wärmetransportmediums, oder einenIn a further advantageous embodiment, the known 2-way coolers (refrigerant and air) are replaced by 3-way coolers (refrigerant, air and additional heat transport medium). The known 2-way coolers are often constructed in layers from alternating layers of 1) folded cooling fins and 2) coolant/liquid pipes. In contrast, a 3-way cooler, for example, has an alternating layer structure of 1) folded cooling fins, 2) coolant pipes, 1) folded cooling fins and 3) heat transport medium pipes, or a
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Aufbau, wie in DE 198 14 028 vorgeschlagen. Für bestimmte Anwendungszwecke kann die Geometrie der Kühler vom vorher beschriebenen a3ber auch erheblich abweichen. Maßgeblich für einen 3-Wege-KUhler als solchen ist die thermische Speisung der Wärme abgebenden Oberfläche durch zwei verschiedene flüssige oder gasförmige Medien in zwei verschiedenen Kreisläufen.Structure as proposed in DE 198 14 028. For certain applications, the geometry of the cooler can differ considerably from that described above. The decisive factor for a 3-way cooler as such is the thermal supply of the heat-emitting surface by two different liquid or gaseous media in two different circuits.
Im Kühlmodus 2a wird am inneren Kühler (Verdampfer) die Wärme vom Wärmetransportmedium aufgenommen, und mittels einer Pumpe zum äußeren Kühler (Verflüssiger) transportiert, und dort an die Umgebung abgegeben. Im Kühlmodus 2a ist der Kompressor ausgeschaltet.In cooling mode 2a, the heat is absorbed by the heat transfer medium on the inner cooler (evaporator) and transported by a pump to the outer cooler (condenser), where it is released into the environment. In cooling mode 2a, the compressor is switched off.
In einer weiteren vorteilhaften Lösung für FCK freie Kompressor-Kühlgeräte ist der gesamte Kreislauf des Kühlmittels außerhalb des Schaltschrankes angebracht, da diese Kühlmittel oftmals leicht entflammbar sind. Im Kühlmodus Ib wird die Kälte nicht über den Verdampfer an den Schaltschrank abgegeben, sondern sie wird über einen Wärmetauscher an ein flüssiges Medium abgegeben. Das flüssige Medium bildet einen inneren Kreislauf. Es wird in den Schaltschrank transportiert. Dort wird die Kälte über einen Kühler in den Schaltschrank geblasen. Anschließend fließt das Medium zurück zum Wärmetauscher. Um einen Kühlmodus 2b zu realisieren, in dem das Gerät als Luft/Luft-Wärmetauscher arbeitet, ohne den Kompressor in Betrieb zu nehmen, wird der äußere Kühler der Kompressor-Kühlung (Verflüssiger) als 3-Wege-Kühler ausgelegt. Der zweite Flüssigkeitskreislauf des 3-Wege-Kühlers wird über ein Schaltventil mit dem inneren Kreislauf verbunden. Je nach Bedarf wird nun der innere Kreislauf aus dem 3-Wege-Kühler direkt gespeist. Auf diese Weise entsteht eine entkoppelbare thermische Verbindung, und das Gerät kann als Luft/Luft-Wärmetauscher arbeiten.In another advantageous solution for CFC-free compressor cooling devices, the entire coolant circuit is installed outside the control cabinet, as these coolants are often highly flammable. In cooling mode Ib, the cold is not released to the control cabinet via the evaporator, but rather it is released to a liquid medium via a heat exchanger. The liquid medium forms an internal circuit. It is transported into the control cabinet. There, the cold is blown into the control cabinet via a cooler. The medium then flows back to the heat exchanger. In order to implement a cooling mode 2b, in which the device works as an air/air heat exchanger without starting up the compressor, the external cooler of the compressor cooling (condenser) is designed as a 3-way cooler. The second liquid circuit of the 3-way cooler is connected to the inner circuit via a switching valve. Depending on requirements, the inner circuit is now fed directly from the 3-way cooler. This creates a decoupleable thermal connection and the device can work as an air/air heat exchanger.
Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Examples of embodiments are shown in the drawings and are described in more detail below. They show:
Fig. 1: Skizze einer beispielhaften Verschaltung in denFig. 1: Sketch of an exemplary wiring in the
verschiedenen Kühlmodi eines Kühlgerätes mit 6 Peltier Elementen.different cooling modes of a cooling device with 6 Peltier elements.
Fig. 2: Querschnitt eines Kühlgerätes mit Peltier-Kühlung herkömmlicher Art.Fig. 2: Cross section of a cooling device with conventional Peltier cooling.
Fig. 3: Querschnitt der entkoppelbaren thermischen Verbindung bei einem Kühlgerat mit Peltier-Kuhlung in einer Ausführung als Wasserkreislauf.Fig. 3: Cross-section of the decoupleable thermal connection in a cooling device with Peltier cooling in a water circuit design.
Fig. 3a: Isometrische Ansicht der entkoppelbaren thermischenFig. 3a: Isometric view of the decoupleable thermal
Verbindung bei einem Kühlgerät mit Peltier-Kühlung in einer Ausführung als Wasserkreislauf.Connection in a cooling device with Peltier cooling in a water circuit design.
Fig. 4: Querschnitt der entkoppelbaren thermischen Verbindung bei einem Kühlgerät mit Peltier-Kühlung in einerFig. 4: Cross section of the decoupleable thermal connection in a cooling device with Peltier cooling in a
Ausführung als Heat-Pipe.Designed as a heat pipe.
Fig. 4a: Isometrische Ansicht der entkoppelbaren thermischenFig. 4a: Isometric view of the decoupleable thermal
Verbindung bei einem Kühlgerät mit Peltier-Kühlung in einer Ausführung als Heat-Pipe.Connection in a cooling device with Peltier cooling in a heat pipe design.
Fig. 5: Funktionsdiagramm eines üblichen Kühlkreislaufes auf Kompressor Basis.Fig. 5: Functional diagram of a typical compressor-based cooling circuit.
Fig. 6: Funktionsdiagramm eines Kuhlgerätes mit Kompressor-Kühlung und einer entkoppelbaren thermischen Verbindung auf Basis von Ventilsteuerung.Fig. 6: Functional diagram of a cooling device with compressor cooling and a decoupleable thermal connection based on valve control.
Fig. 7: Funktionsdiagramm eines Kühlgerätes mit Kompressor-Kühlung und einer entkoppelbaren thermischen Verbindung auf Basis von 3-Wege-Kühlern.Fig. 7: Functional diagram of a cooling device with compressor cooling and a decoupleable thermal connection based on 3-way coolers.
Figur 1zeigt beispielhaft für ein Kühlgerät mit 6 gleichen Peltier-Elementen (3) die verschiedenen Möglichkeiten der Verschaltung der Peltier-Elemente (3) untereinander. Im Modus 1 sind alle Peltier-Elemente (3) parallel an einer Stromquelle von zum Beispiel 12V= angeschlossen. Am einzelnen Peltier-Element (3) liegen 12V= an, und es läuft mit maximaler Leistung bei geringster Effektivität &eegr;™&eegr;· Im Modus 2 sind jeweils zwei Peltier-Elemente (3) in Serie geschaltet, so daß am einzelnen Peltier-Element (3) jeweils 6V= anliegen. Die Leistung der Peltier-Elemente (3) ist hierbei deutlich reduziert, die Effektivität &eegr;6&ngr; ist jedoch deutlich erhöht. In den Modi 3 und 4 werden jeweils 3 bzw. 6 Peltier-Elemente (3) in Serie geschaltet, wodurch sich für die einzelnen Peltier-Elemente (3) Betriebsspannungen von 4V= bzw. 2V= ergeben. Dadurch lassen sich weitere Leistungsabstufungen erzeugen, wobei die Effektivität &eegr;2&ngr; im Modus 4 50-fach höher seinFigure 1 shows, as an example, the various ways of connecting the Peltier elements (3) to one another for a cooling device with 6 identical Peltier elements (3). In mode 1, all of the Peltier elements (3) are connected in parallel to a power source of, for example, 12V=. 12V= is applied to the individual Peltier element (3), and it runs at maximum power with minimal effectiveness &eegr;™&eegr;· In mode 2, two Peltier elements (3) are connected in series so that 6V= is applied to the individual Peltier element (3). The power of the Peltier elements (3) is significantly reduced, but the effectiveness &eegr;6v is significantly increased. In modes 3 and 4, 3 or 6 Peltier elements (3) are connected in series, resulting in operating voltages of 4V= or 2V= for the individual Peltier elements (3). This allows further power gradations to be created, whereby the effectiveness η2 ν in mode 4 can be 50 times higher
•44 &igr; . &igr; : J *: : &igr;•44 &igr; . &igr; : J *: : &igr;
kann, als die Effektivität r|min im Modus 1. Durch zusätzliche Verwendung eines Netzteils, welches die Versorgungsspannung ändern kann (z.B. von 12V= auf 9V=) können 8 statt 4 Modi implementiert werden (12V, 9V, 6V, 4.5V, 3V, 2V und 1.5V). Durch die feineren Abstufungen kann die Gesamteffektivitätr\sesfür das Kühlgerät nochmals erhöht werden. Dieser Regelmechanismus funktioniert nur für spezielle Einsatzgebiete, wie z.B. die Schaltschrankkühlung, und nur unter Verwendung von Hochleistungskühlkörpern, wenn das &Dgr;&Tgr; zwischen der kalten Innenseite und der warmen Außenseite des Peltier Kühlgerätes entsprechend klein gehalten werden kann.than the effectiveness r|min in mode 1. By additionally using a power supply that can change the supply voltage (e.g. from 12V= to 9V=) 8 instead of 4 modes can be implemented (12V, 9V, 6V, 4.5V, 3V, 2V and 1.5V). The finer gradations can further increase the overall effectivenessr\ses for the cooling device. This control mechanism only works for special applications, such as control cabinet cooling, and only when using high-performance heat sinks, if the Δ�T between the cold inside and the warm outside of the Peltier cooling device can be kept small.
Figur 2zeigt den Querschnitt eines Luft-Luft-Kühlgerätes mit Peltier-Kühlung herkömmlicher Art. Das Kühlgerät hat einen Kühlkörper (1) auf der Außenseite des zu kühlenden Gehäuses.Figure 2 shows the cross-section of an air-air cooling device with conventional Peltier cooling. The cooling device has a heat sink (1) on the outside of the housing to be cooled.
Dieser gibt die vom Peltier-Element (3) erzeugte Wärme an die Umgebungsluft ab. Das Peltier-Element (3) spaltet auf einer Seite Wärme ab, und gibt diese an den Kühlkörper (1). Dadurch wird die entgegengesetzte Seite kalt. Die Kälte wird an einen Distanzblock (4) aus z.B. Aluminium oder Kupfer abgegeben. Dieser leitet die Kälte in das Innere des zu kühlenden Gehäuses zu einem weiteren Kühlkörper (2). Über diesen Kühlkörper (2) wird die Kälte dann an das Innere des Gehäuses abgegeben. Zwischen den Kühlkörpern (1) und (2) wird eine Wand (5) aus z.B. Kunststoff eingesetzt. Der dadurch entstehende abgeschlossene Hohlraum zwischen den Kühlkörpern wird mit z.B. Schaum isoliert, so daß die warme und die kalte Seite voneinander isoliert getrennt sind.This releases the heat generated by the Peltier element (3) into the ambient air. The Peltier element (3) splits off heat on one side and transfers it to the heat sink (1). This makes the opposite side cold. The cold is transferred to a spacer block (4) made of aluminum or copper, for example. This conducts the cold into the interior of the housing to be cooled to another heat sink (2). The cold is then transferred to the interior of the housing via this heat sink (2). A wall (5) made of plastic, for example, is inserted between the heat sinks (1) and (2). The resulting closed cavity between the heat sinks is insulated with foam, for example, so that the warm and cold sides are separated from each other.
Figur 3zeigt einen Querschnitt eines Luft-Luft-Kühlgerätes mit Peltier-Kühlung und einer entkoppelbaren thermischen Verbindung in einer Ausführung als Wasserkreislauf. Dieser besteht analog zu Figur 1 aus einem Kühlkörper (11) auf der Außenseite, einem Peltier-Element (13), einem Distanzblock (14), einem Kühlkörper (12) auf der Innenseite und einer Wand (15). Die Funktionsweise dieser Bauelemente ist gleich mit der aus Figur 1. Zusätzlich verfügt dieses Kühlgerät jedoch über einen Flüssigkeitskreislauf. Dieser wird bei niedrigen Außentemperaturen (ab ca. 25°C bei z.B. Schaltschrankkühlung) anstelle der Peltier-Kühlung benutzt. Hierbei wird die im Inneren des Schaltschrankes erzeugte Wärme vonFigure 3 shows a cross-section of an air-air cooling device with Peltier cooling and a decoupleable thermal connection in a water circuit design. This consists, analogous to Figure 1, of a heat sink (11) on the outside, a Peltier element (13), a spacer block (14), a heat sink (12) on the inside and a wall (15). The functionality of these components is the same as in Figure 1. In addition, however, this cooling device has a liquid circuit. This is used at low outside temperatures (from approx. 25°C for example when cooling control cabinets) instead of the Peltier cooling. The heat generated inside the control cabinet is transferred from
dem Kühlkörper (12) aufgenommen, und über die Wärmetauschkammer
(16) an die Flüssigkeit abgegeben. Über Verbindungsschläuche (19) wird die warme Flüssigkeit mit einer Pumpe (18) in die Wärmetauschkammer
(17) gepumpt. Dort wird die Wärme an den äußeren
Kühlkörper (11) abgegeben, und über diesen in die Umgebungthe heat sink (12) and via the heat exchange chamber
(16) to the liquid. The warm liquid is pumped into the heat exchange chamber via connecting hoses (19)
(17) where the heat is transferred to the outer
Heat sink (11) and through it into the environment
verblasen. Anschließend wird die abgekühlte Flüssigkeit durch die Schläuche (19) wieder in die innere Kammer (16) zurückgepumpt. In einer entsprechenden kompakten Ausführung, bei der der thermische Fluß innerhalb der Kühlkörper (11) und (12) nicht behindert wird, können die Wärmetauschkamern (16) und (17) auch in die Kühlkörper integriert werden.blown away. The cooled liquid is then pumped back into the inner chamber (16) through the hoses (19). In a correspondingly compact design in which the thermal flow within the cooling elements (11) and (12) is not impeded, the heat exchange chambers (16) and (17) can also be integrated into the cooling elements.
Figur 3azeigt das Luft-Luft-Kühlgerät aus Figur 3 zum besseren
Verständnis in einer isometrischen Darstellung. Auf die
Darstellung der Kuhlrippen der Kühlkörper (11) und (12) wurde zur besseren Übersicht verzichtet. Die Funktionsweise und Numerierung ist analog zu Figur 3.Figure 3a shows the air-to-air cooling device from Figure 3 for better
Understanding in an isometric representation. On the
The cooling fins of the heat sinks (11) and (12) have not been shown for the sake of clarity. The functionality and numbering is analogous to Figure 3.
Figur 4zeigt einen Querschnitt eines Luft-Luft-Kühlgerätes mitFigure 4 shows a cross-section of an air-to-air cooling device with
Peltier-KUhlung und einer entkoppelbaren thermischen Verbindung in einer Ausführung als Heat-Pipe. Dieser besteht analog zu Figur 1 aus einem Kühlkörper (21) auf der Außenseite, einem Peltier-Element
(23), einem Distanzblock (24), einem Kühlkörper(22)auf der Innenseite und einer Wand (25). Die Funktionsweise dieserPeltier cooling and a decoupleable thermal connection in a heat pipe design. This consists, analogous to Figure 1, of a heat sink (21) on the outside, a Peltier element
(23), a spacer block (24), a heat sink(22) on the inside and a wall (25). The functionality of this
Bauelemente ist gleich mit der aus Figur 1. Zusätzlich verfügt
dieses Kühlgerät jedoch über einen thermischen Kreislauf unter
Verwendung von Heat-Pipes. Dieser wird bei niedrigen
Außentemperaturen (ab ca. 25°C bei z.B. Schaltschrankkühlung)
anstelle der Peltier-Kühlung benutzt. Hierbei wird die im Inneren des Schaltschrankes erzeugte Wärme von dem Kühlkörper (22)Components is the same as in Figure 1. In addition,
However, this cooling device has a thermal circuit under
Use of heat pipes. This is used at low
Outside temperatures (from approx. 25°C for example for control cabinet cooling)
instead of Peltier cooling. The heat generated inside the control cabinet is dissipated by the heat sink (22)
aufgenommen, und über die inneren Wärmetauschkammern (26) an eine Flüssigkeit abgegeben. Im Inneren der Kammern (26) besteht ein
starker Unterdruck, so daß die Flüssigkeit anfängt zu sieden. Der dabei entstehende Dampf gelangt durch die Verbindungsrohre (28) in die äußeren Wärmetauschkammern (27). Da hier die Temperaturand released to a liquid via the inner heat exchange chambers (26). Inside the chambers (26) there is a
strong negative pressure, so that the liquid begins to boil. The resulting steam passes through the connecting pipes (28) into the outer heat exchange chambers (27). Since the temperature here
niedriger ist, kondensiert die Flüssigkeit und gibt die Wärme an den äußeren Kühlkörper (21) ab. Von dort wird die Wärme in die
Umgebung verblasen. Nach der Kondensation fließt die Flüssigkeitis lower, the liquid condenses and transfers the heat to the outer heat sink (21). From there, the heat is transferred to the
environment. After condensation, the liquid flows
-464-464
über die Verbindungsrohre (28) zurück in die inneren Wärmetauschkammern (26) und verdampft von Neuem. Da die Flüssigkeit für den Rückfluß durch die Verbindungsrohre (28) nach der Kondensation ein Gefälle benötigt, kann dieses Kühlgerät nur in den Richtungen (29) in ein zu kühlendes Gehäuse eingebaut werden. In einer entsprechenden kompakten Ausführung, bei der der thermische Fluß innerhalb der Kühlkörper (21) und (22) nicht behindert wird, können die Wärmetauschkamern (26) und (27) auch in die Kühlkörper integriert werden.via the connecting pipes (28) back into the inner heat exchange chambers (26) and evaporates again. Since the liquid requires a gradient for the return flow through the connecting pipes (28) after condensation, this cooling device can only be installed in the direction (29) in a housing to be cooled. In a corresponding compact design in which the thermal flow within the heat sinks (21) and (22) is not impeded, the heat exchange chambers (26) and (27) can also be integrated into the heat sinks.
Figur 4azeigt das Luft-Luft-Kühlgerät aus Figur 4 zum besseren Verständnis in einer isometrischen Darstellung. Auf die Darstellung der Kühlrippen der Kühlkörper (21) und (22) wurde zur besseren Übersicht verzichtet. Die Funktionsweise und Numerierung ist analog zu Figur 4.Figure 4a shows the air-air cooling device from Figure 4 in an isometric view for better understanding. The cooling fins of the heat sinks (21) and (22) have been omitted for better clarity. The functionality and numbering is analogous to Figure 4.
Figur 5zeigt das Funktionsdiagramm eines Kühlkreislaufes z.B. eines Schaltschrank Kühlgerätes auf Kompressor Basis herkömmlicher Ausführung. Der Kreislauf ist zum besseren Verständnis vereinfacht dargestellt worden. DerKompressorkomprimiert das Kühlmittel, und pumpt es zum außen liegendenVerflüssiger,wo die gespeicherte Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Über dasExpansionsventil wird das dann stark abgekühlte Kühlmittel in das Innere eines Schaltschrankes zumVerdampfergeleitet. Dieser gibt die Kälte dann an das Innere des Schaltschrankes ab, und leitet das erwärmte Kühlmittel zurück zumKompressor.Figure 5 shows the functional diagram of a cooling circuit, e.g. a control cabinet cooling device based on a conventional compressor. The circuit has been simplified for better understanding. Thecompressor compresses the coolant and pumps it to the externalcondenser, where the stored heat is released into the environment. The coolant, which has then cooled down considerably, is then fed into the interior of a control cabinet tothe evaporator via theexpansion valve . This then releases the cold into the interior of the control cabinet and feeds the heated coolant back to thecompressor.
Figur 6zeigt das Funktionsdiagramm eines Kühlkreislaufes wie in Figur 5, jedoch erweitert um einen Mechanismus einer entkoppelbaren thermischen Verbindung. Dieser Mechanismus wird aufgebaut mit drei zusätzlichenVentilenund einer zusätzlichenPumpe.Über dieVentilekann zwischen zwei verschiedenen Betriebsmodi umgeschaltet werden. Im Betriebsmodus la wird von denVentilenein Kühlkreislauf, wie in Figur 5 beschrieben, geschaltet (einfache und doppelte Linien), welcher ausKompressor, Ventil, Verflüssiger, Ventil, Expansionsventil, VerdampferundVentil besteht, und dessen Funktionsweise mit der von Figur 5 identisch ist. Im Betriebsmodus 2a (für Umgebungstemperaturen von ca. 25°CFigure 6 shows the functional diagram of a cooling circuit as in Figure 5, but expanded to include a mechanism for a decoupleable thermal connection. This mechanism is constructed with three additionalvalves and an additionalpump. Thevalves can be used to switch between two different operating modes. In operating mode la, thevalves switch a cooling circuit as described in Figure 5 (single and double lines), which consists ofa compressor, valve, condenser, valve, expansion valve, evaporator andvalve , and whose functionality is identical to that of Figure 5. In operating mode 2a (for ambient temperatures of approx. 25°C
-♦17 ■· .-♦17 ■· .
und weniger) wird von denVentilenein Kühlkreislauf gebildet, in dem derKompressordurch einePumpeersetzt, und dasExpansionsventilüberbrückt wird. Der sich so ergebende Kreislauf (einfache und gestrichelte Linien) besteht aus einemVerdampferim Inneren des Schaltschrankes, welcher die dort entstehende Wärme aufnimmt, und an das Kühlmittel überträgt. EinePumpepumpt das Kühlmittel von dort über zweiVentilenach außen in denVerflüssiger.Dieser gibt die Wärme an die Umgebung ab. Über einVentilwird das abgekühlte Kühlmittel unter Umgehung desExpansionsventilsin das Innere zumVerdampferzurückgeführt.and less), thevalves form a cooling circuit in which thecompressor is replaced by apump and theexpansion valve is bypassed. The resulting circuit (single and dashed lines) consists of anevaporator inside the control cabinet, which absorbs the heat generated there and transfers it to the coolant. Apump pumps the coolant from there through twovalves to the outside into thecondenser. This releases the heat into the environment. The cooled coolant is returned to the inside of theevaporator via avalve , bypassing theexpansion valve .
Figur 7zeigt das Funktionsdiagramm eines Kühlkreislaufes wie in Figur 5, jedoch erweitert um einen zweiten Kreislauf einer entkoppelbaren thermischen Verbindung. Dieser zweite Kreislauf wird aufgebaut unter Verwendung von 3-Wege-Kühlern für denVerflüssigerund denVerdampferund einer zusätzlichenPumpe.Es ergibt sich für den Betriebsmodus la ein Kreislauf (2.Weg)wie in Figur 5 (dargestellt mit doppelten Linien) mit identischer Funktionsweise. Für den Betriebsmodus 2a (für Umgebungstemperaturen von ca. 250C und weniger), in dem der Kreislauf des Kompressors ausgeschaltet ist, wird ein kompletter zweiter Kreislauf bestehend ausVerdampfer, PumpeundVerflüssiger aufgebaut. In diesem Kreislauf zirkuliert ein flüssiges Medium zum Wärmetransport (z.B. Wasser). Dieses Medium wird im Inneren des Schaltschrankes voml.WegdesVerdampferserwärmt, und von derPumpein den1. WegdesVerflüssigersaußerhalb des Schaltschrankes gepumpt. Dort wird die Wärme vomVerflüssigeran die Umgebung abgegeben. Anschließend wird das abgekühlte Medium zurück ins Innere zumVerdampfergeführt.Figure 7 shows the functional diagram of a cooling circuit as in Figure 5, but expanded to include a second circuit with a decoupleable thermal connection. This second circuit is constructed using 3-way coolers for thecondenser and theevaporator and an additionalpump. For operating mode la, this results in a circuit (2ndpath) as in Figure 5 (shown with double lines) with identical functionality. For operating mode 2a (for ambient temperatures of approx. 25° C and less), in which the compressor circuit is switched off, a complete second circuit consisting ofevaporator, pump andcondenser is constructed. A liquid medium (e.g. water) circulates in this circuit to transport heat. This medium is heated inside the control cabinet by the1st path of theevaporator and pumped by thepump into the1st path of thecondenser outside the control cabinet. There the heat is released from thecondenser into the environment. The cooled medium is then fed back into theevaporator .
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