DE102006010714B4

DE102006010714B4 - Schaltschrank- oder Rackanordnung

Info

Publication number: DE102006010714B4
Application number: DE102006010714A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Suchanek; Daniel-Carsten Wölfel
Original assignee: Rittal GmbH and Co KG
Current assignee: Rittal GmbH and Co KG
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2006-03-08
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: DE102006010714A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltschrank- oder Rackanordnung mit mindestens einem Schaltschrank (1) und/oder Rack und einem darin aufgenommenen Versorgungsteil, insbesondere für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, wobei der Versorgungsteil eine aus mehreren zu einer oder mehreren Gruppen zusammengefassten Stromversorgungseinheiten (11) gebildete Stromversorgungsanordnung (10) und eine aus mindestens einer Spannungswandlereinheit (21, 22) gebildete Spannungswandleranordnung (20) aufweist. Eine hohe elektrische Leistungsabgabe des Versorgungsteils wird dadurch erreicht, dass die Stromversorgungseinheiten als Brennstoffzelleneinheiten (11) ausgebildet sind, die zur Kühlung an eine Wasserkühleinrichtung angeschlossen sind (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltschrank- oder Rackanordnung mit mindestens einem Schaltschrank und/oder Rack und einem darin aufgenommenen Versorgungsteil, insbesondere für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, wobei der Versorgungsteil eine aus mehreren zu einer oder mehreren Gruppen zusammengefassten Stromversorgungseinheiten gebildete Stromversorgungsanordnung und eine aus mindestens einer Spannungswandlereinheit gebildete Spannungswandleranordnung aufweist und die Stromversorgungseinheiten zur Kühlung an eine Flüssigkeitskühleinrichtung angeschlossen sind.
Eine derartige Schaltschrank- oder Rackanordnung mit darin aufgenommenem Versorgungsteil zur Stromversorgung ist in der DE 10 2004 007 728 A1 angegeben. Bei dieser bekannten Schaltschrank- oder Rackanordnung weist der Versorgungsteil eine Anordnung aus Stromversorgungseinheiten in Form von Akku-Einheiten auf, die in einer seitlichen, vertikalen Aufnahme eingesetzt sind. Mittels eines ebenfalls in die Aufnahme eingesetzten Einspeisemoduls kann mittels eines Netzteils eine Span nungsumsetzung oder Spannungsanpassung vorgenommen werden. Die Akku-Einheiten weisen insbesondere auch bedingt durch den begrenzten Einbauraum eine relativ geringe Energiekapazität auf. Es geht insbesondere darum, in dem Schaltschrank einen möglichst großen Einbauraum ungehindert zur Verfügung zu stellen und einen vorübergehenden Ausfall der Netzversorgung zu überbrücken oder zumindest Vitalfunktionen von Rechnerkomponenten aufrecht zu erhalten.
In der DE 10 2004 006 851 A1 ist eine weitere Schaltschrank- oder Rackanordnung angegeben, bei der die Hauptversorgung in erster Linie über das Stromnetz vorgehalten wird, wobei eine unterbrechungsfreie Stromversorgung ersatzweise die Energieversorgung übernehmen kann. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung mit einem Versorgungsteil kann dabei in einem eigenen Schrank untergebracht sein. Zu ihrer Ausbildung im Einzelnen sind keine näheren Angaben gemacht.
Die US 6,989,651 B1 zeigt als Brennstoffzelleneinheiten ausgebildete Stromversorgungseinheiten, die zur Vernetzung an eine übergeordnete Steuerung angeschlossen sind. Zur Kühlung wird Kühlwasser durch die Brennstoffzelleneinheiten geführt.
Weitere Stromversorgungseinheiten mit Brennstoffzelleneinheiten sind in der US 2004/0219415 A1, der US 2004/0265662 A1 und der US 6,764,785 B2 gezeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltschrank- oder Rackanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, in der der Versorgungsteil bei möglichst kompaktem Aufbau eine möglichst hohe elektrische Leistung liefern kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Stromversorgungseinheiten als Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet sind, dass auch die Gleichspannungswandlereinheiten an die Flüssigkeitskühleinrichtung angeschlossen sind, dass zumindest den Brennstoffzelleneinheiten einer Gruppe ein gemeinsamer Wärmetauscher zugeordnet ist und dass den Gleichspan nungswandlereinheiten ein von dem Wärmetauscher der Brennstoffzelleneinheiten separater gemeinsamer oder jeweils ein separater Wärmetauscher zugeordnet ist.
Die Brennstoffzelleneinheiten können kompakt in dem Schaltschrank oder Rack untergebracht werden und liefern umweltschonend eine hohe elektrische Leistung. Die dabei nachteilig auftretende Verlustwärme kann mittels der Flüssigkeitskühleinrichtung mit hohem Wirkungsgrad abgeführt werden, so dass die kompakte Ausbildung bei hoher elektrischer Leistungsabgabe unterstützt wird.
Eine vorteilhafte Verwendung ergibt sich in Verbindung mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung, deren ergänzenden Komponenten in einem anderen Schaltschrank oder Rack zur unterbrechungsfreien Versorgung von Verbrauchereinheiten angeordnet sein können.
Die kompakte Ausbildung der in dem Schaltschrank oder Rack in Verbindung mit den Brennstoffzelleneinheiten unterzubringenden Komponenten wird dadurch begünstigt, dass einer Gruppe von in einem Schaltschrank oder Rack untergebrachten Brennstoffzelleneinheiten eine gemeinsame Brennstoffzellensteuerungseinheit zugeordnet ist.
Ferner wird die Packungsdichte innerhalb des Schaltschranks oder Racks dadurch begünstigt, dass einer Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten eine Gleichspannungswandleranordnung mit mindestens einer Gleichspannungswandlereinheit zugeordnet ist, wobei die Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten größer ist als die Anzahl der Gleichspannungswandlereinheiten.
Für eine einfache Montage und kompakte Ausführung sind des Weiteren die Maßnahmen von Vorteil, dass der oder die Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist/sind.
Der Aufbau und die Installation werden ferner dadurch begünstigt, dass die Platte des jeweiligen Wärmetauschers mindestens eine schlangenförmig gewundene, in das Materialvolumen eingebettete, auf den flachen Außenseiten nicht vortretende Kühlwasserleitung aufweist, die an einer schmalen Randseite einströmseitig und ausströmseitig hervortritt oder mit Anschlusselementen zugänglich ist.
Vorteile für den Aufbau und die Kühlfunktion ergeben sich ferner dadurch, dass in eine flache Außenseite der Platte hinterschnittene Montagenuten und/oder Montagebohrungen eingearbeitet sind und dass die Brennstoffzelleneinheiten und/oder die Gleichspannungswandlereinheiten mittels der Montagenuten und/oder Montagebohrungen und weiteren Montageelementen unmittelbar auf der flachen Außenseite der zugeordneten Platte in engem Wärmeleitkontakt montiert sind.
Die Kühlung wird dadurch unterstützt, dass die Wasserkühleinrichtung an eine Rückkühleinrichtung angeschlossen ist. Durch diese Maßnahmen wird auch vermieden, dass sich der Raum um die zu kühlende Schaltschrankanordnung durch die Abwärme aufwärmt.
Zu einer leistungsstarken Kühlung tragen ferner die Maßnahmen bei, dass ein Kühlwasserkreislauf für die Gleichspannungswandlereinheiten und ein Kühlwasserkreislauf für die Brennstoffzelleneinheiten zueinander parallel geschaltet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Schaltschranks mit darin untergebrachtem Versorgungsteil und Betriebskomponenten in Verbindung mit derselben und
2 einen Kühlmittelkreislauf zur Kühlung des Versorgungsteils nach 1.
1 zeigt einen Schaltschrank 1 mit einem darin aufgenommenen Versorgungsteil zur elektrischen Stromversorgung von Verbrauchern mit einer Stromversorgungsanordnung 10, die eine Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten 11 umfasst, einer Gleichspannungswandleranordnung 20, die mehrere (vorliegend zwei) Gleichspannungswandlereinheiten 21, 22 umfasst, eine Brennstoffzellensteuerung 40 sowie eine Brennstoffzelleninstallationsvorrichtung 50, die Pumpen, eine Verrohrung, Wärmetauscher, eine Befeuchtung und dgl. für die Infrastruktur der Brennstoffzelleneinheiten 11 umfasst und sich im unteren Schaltschrankraum befindet und sich vorliegend über 18 HE erstreckt. Für den Start der Brennstoffzelleneinheiten sind z.B. Batterien vorhanden. Die Gruppe der Brennstoffzelleneinheiten 11 umfasst sechs Brennstoffzelleneinheiten 11, von denen jeweils drei nebeneinander über die Breite des Schaltschrankinnenraumes in einer Aufnahme von sechs Höheneinheiten aufgenommen sind, so dass sich für die Gruppe der Brennstoffzelleneinheiten 11 insgesamt zwölf Höheneinheiten an Einbauraum des Schaltschranks 1 ergeben. Der Gruppe der Brennstoffzelleneinheiten 11 sind zwei Gleichspannungswandlereinheiten 21, 22 zugeordnet, wobei vorliegend jeweils drei Brennstoffzelleneinheiten 11 einer Gleichspannungswandlereinheit 21 bzw. 22 zugeordnet sind, d.h. drei hinter einander geschalteten Brennstoffzelleneinheiten 11 sind jeweils mit einer Gleichspannungswandlereinheit 21 verbunden, wobei die Untergruppen aus drei Brennstoffzelleneinheiten 11 parallel zueinander mit den beiden Gleichspannungswandlereinheiten 21 bzw. 22 verbunden sind. Der gesamten Gruppe aus den sechs Brennstoffzelleneinheiten 11 ist eine gemeinsame Brennstoffzellensteuerung 40 zugeordnet, um deren Funktion zu koordinieren und zu steuern. Jede der Brennstoffzelleneinheiten 11 ist z.B. für eine elektrische Leistungsabgabe von etwa 10 KW ausgelegt, d.h. der in dem Schaltschrank 1 untergebrachte Versorgungsteil kann insgesamt ca. 60 KW an elektrischer Leistung abgeben. Dies gelingt durch die besondere Ausbildung der Kühleinrichtung als Flüssigkeits-, insbesondere Wasserkühleinrichtung, die in 2 näher dargestellt ist.
Bei der in 2 gezeigten Kühleinrichtung, bei der also ein Flüssigkeitskühlmittel, insbesondere Wasser, als Kühlmittel eingesetzt ist, wird den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 11 von einem Wärmetauscher 31, der als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist, das flüssige Kühlmittel über parallele Leitungen zugeführt. Die plattenförmige Ausbildung des Wärmetauschers 31 hat den Vorteil, dass sie bei hoher Kühlleistung kompakt ausgebildet ist und günstig in dem Einbauraum des Schaltschrankes untergebracht werden kann. Dabei kann der Wärmetauscher 31 getrennt von der Anordnung der Brennstoffzelleneinheiten 11 z.B. im Raum der Brennstoffzelleninstallationsvorrichtung 50 oder aber in unmittelbarer Nähe der Brennstoffzelleneinheiten 11 angeordnet sein und z.B. auf jeweils eine Untergruppe von drei Brennstoffzelleneinheiten 11 aufgeteilt sein.
Die Gleichspannungswandlereinheiten 21, 22 werden über einen zu dem Kühlweg der Brennstoffzelleneinheiten 11 parallelen Kühlweg mit dem Flüssigkeitskühlmittel, vorzugsweise also Wasser, beaufschlagt. Hierzu ist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 jeder Gleichspannungswandlereinheit 21, 22 ein separater Wärmetauscher 32, 33 in Form einer plattenförmigen Kühleinheit zugeordnet. Der plattenförmi ge Wärmetauscher 32, 33 weist dabei mindestens eine in dem Materialvolumen der relativ dicken Platte von z.B. mehr als 1 cm Stärke eine schlangenlinienförmig eingebettete Kühlleitung auf, die über die flache Außenseite der Platte nicht vortritt und an einem schmalseitigen Rand ein- bzw. austritt. Auf einer flachen Außenseite der vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehenden massiven metallischen Platte sind parallel zueinander verlaufende, hinterschnittene Montagenuten und/oder Montagebohrungen eingebracht, über die die jeweilige Gleichspannungswandlereinheit 21, 22 mit weiteren Montageelementen in engem Kontakt und stabil aufgebracht werden kann, so dass eine hohe Kühlleistung der Gleichspannungswandlereinheiten 21, 22 erreicht wird und diese für eine relativ hohe Wandlerleistung ausgelegt werden können. Mit diesen Maßnahmen kann die Gruppe der Brennstoffzelleneinheiten 11 sowie der ihnen zugeordneten Spannungswandlereinheiten 21, 22 trotz hoher elektrischer Leistungsabgabe sehr kompakt ausgebildet werden.
Die Flüssigkeitskühleinrichtung ist an eine Rückkühleinrichtung 30 außerhalb der Schaltschrankanordnung angeschlossen, so dass in der Umgebung der Schaltschrankanordnung praktisch keine Verlustwärme anfällt und andererseits eine hohe Kühlleistung unterstützt wird.
Der Versorgungsteil wird zur elektrischen Versorgung von Verbrauchern insbesondere in Verbindung mit einer unterbrechungsfreien Stromversorgung verwendet, wobei die Gleichspannung beispielsweise auf 360V angehoben wird.

Claims

Schaltschrank- oder Rackanordnung mit mindestens einem Schaltschrank (1) und/oder Rack und einem darin aufgenommenen Versorgungsteil, insbesondere für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, wobei der Versorgungsteil eine aus mehreren zu einer oder mehreren Gruppen zusammengefassten Stromversorgungseinheiten gebildete Stromversorgungsanordnung (10) und eine aus mindestens einer Gleichspannungswandlereinheit (21, 22) gebildete Gleichspannungswandleranordnung (20) aufweist und die Stromversorgungseinheiten zur Kühlung an eine Flüssigkeitskühleinrichtung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheiten als Brennstoffzelleneinheiten (11) ausgebildet sind, dass auch die Gleichspannungswandlereinheiten (21, 22) an die Flüssigkeitskühleinrichtung angeschlossen sind, dass zumindest den Brennstoffzelleneinheiten (11) einer Gruppe ein gemeinsamer Wärmetauscher (31) zugeordnet ist und dass den Gleichspannungswandlereinheiten (21, 22) ein von dem Wärmetauscher (31) der Brennstoffzelleneinheiten (11) separater gemeinsamer oder jeweils ein separater Wärmetauscher (31) zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer Gruppe von in einem Schaltschrank (1) oder Rack untergebrachten Brennstoffzelleneinheiten (11) eine gemeinsame Brennstoffzellensteuerungseinheit (40) zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einer Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten (11) eine Gleichspannungswandleranordnung (20) mit mindestens einer Gleichspannungswandlereinheit (21, 22) zugeordnet ist, wobei die Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten (11) größer ist als die Anzahl der Gleichspannungswandlereinheiten (21, 22).
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Wärmetauscher (31) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist/sind.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte des jeweiligen Wärmetauschers (31) mindestens eine schlangenförmig gewundene, in das Materialvolumen eingebettete, auf den flachen Außenseiten nicht vortretende Kühlwasserleitung aufweist, die an einer schmalen Randseite einströmseitig und ausströmseitig hervortritt oder mit Anschlusselementen zugänglich ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in eine flache Außenseite der Platte hinterschnittene Montagenuten und/oder Montagebohrungen eingearbeitet sind und dass die Brennstoffzelleneinheiten (11) und/oder die Gleichspannungswandlereinheiten (21, 22) mittels der Montagenuten und/oder Montagebohrungen und weiteren Montageelementen unmittelbar auf der flachen Außenseite der zugeordneten Platte in engem Wärmeleitkontakt montiert sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserkühleinrichtung an eine Rückkühleinrichtung (30) angeschlossen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlwasserkreislauf für die Gleichspannungswandlereinheiten (21, 22) und ein Kühlwasserkreislauf für die Brennstoffzelleneinheiten (11) zueinander parallel geschaltet sind.