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Dokumentenidentifikation DE102004041387A1 30.03.2006
Titel Anordnung zum Kühlen von elektrischen Baugruppen in einem Gehäuse
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Kling, Helmut, Dr., 89275 Elchingen, DE
DE-Anmeldedatum 26.08.2004
DE-Aktenzeichen 102004041387
Offenlegungstag 30.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.03.2006
IPC-Hauptklasse F24F 11/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H05K 7/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die erfindungsgemäße Anordnung zum Kühlen einer in einem Gehäuse angeordneten elektrischen Baugruppe weist zumindest ein in jeweils einem Lufteinlass des Gehäuses angeordnetes Filter für zumindest eine Filterung von zumindest Schmutzpartikeln aus einströmender Kühlluft zum Kühlen der elektrischen Baugruppe sowie zumindest eine Kühleinrichtung zum Aufbauen einer Luftströmung in dem Gehäuse und zum Herausführen der gefilterten, aufgrund eines Durch- und/oder Umströmens der Baugruppe erwärmten Kühlluft aus zumindest einem Luftauslass aus dem Gehäuse auf. Kennzeichnend ist zumindest eine Einrichtung zum Ermitteln eines Differenzdruckwertes aus jeweils einem stromauf- und stromabwärts des Filters bestimmten Druck der Umgebungsatmosphäre, zum Vergleichen des ermittelten Differenzdruckwertes mit einem vorgegebenen Differenzdruckwert sowie zum Ausgeben eines Signals bei einem Über- oder Unterschreiten des vorgegebenen Differenzdruckwertes vorgesehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen von in einem Gehäuse angeordneten elektrischen Baugruppen, insbesondere zur Verwirklichung in Basisstationen eines Funk-Kommunikationsssystems.

In einem elektrisch betriebenen technischen Gerät führt die Verlustleistung stromdurchflossener Bauelemente und Baugruppen zu einer Erwärmung des Gerätes. Da elektrische Standardbauelemente für technische Geräte nur einen begrenzt zulässigen Betriebstemperaturbereich von beispielsweise bis zu 70°C aufweisen, werden diese durch Kühleinrichtungen gekühlt. Diese Kühleinrichtungen sind beispielsweise Ventilatoren, die in dem Gehäuse eine die elektrischen Bauelemente und Baugruppen um- bzw. durchströmende Luftströmung aufbauen und somit ein Abführen der erzeugten Verlustleistung bzw. Wärme bewirken.

Bei einem Betrieb der technischen Geräte außerhalb geschlossener Räume oder in widrigen Verhältnissen innerhalb geschlossener Räume ist neben einer Wärmeabfuhr zusätzlich ein ausreichender Schutz vor Umwelteinflüssen wie beispielsweise Schmutzpartikeln und Flüssigkeiten vorzusehen. Hierbei müssen Schutzbestimmungen nach den spezifizierten IP-Klassen eingehalten werden, um eine dauerhafte Funktion der technischen Geräte sicherzustellen.

Aus der DE 19755944 ist bekannt, in einem Lufteinlass eines Gehäuses ein Membranfilter für ein Abscheiden von Schmutzpartikeln und Flüssigkeiten an der Oberfläche des Membranfilters aus einströmender Kühlluft vorzusehen. Im Vergleich zu einem beispielsweise aus der DE 19626778 bekannten Gehäuse mit einem Luft/Luft-Wärmetauscher, der eine vollständige Trennung eines inneren Kühlkreislaufes von einem äußeren Kühlkreislauf sicherstellt, kann durch den Einsatz des Membranfilters in einfacher Weise ein ausreichender Schutz der elektrischen Baugruppen für die oben genannten Einsatzgebiete des technischen Gerätes mit den entsprechenden Schutzbestimmungen erreicht werden. Gleichzeitig wird eine für die Kühlung benötigte Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Umgebungsatmosphäre und der Temperatur im Inneren des Gehäuses verringert.

Ein derartiges Membranfilter basiert beispielsweise auf einer unter der Bezeichnung Goretex, Sympatex etc. für die Anwendung in Bekleidungsgegenständen bekannten Membran. Diese Membran besteht aus einem feinen Geflecht oder Gewirk von Fasern, das eine sehr kleine Porengröße ermöglicht. Als Material wird hierfür beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen), auch unter dem Namen Teflon bekannt, verwendet. Die Membran wird in der Regel auf einem Trägermaterial wie beispielsweise Polyamid oder Polypropylen verwirklicht, um eine bestimmte Stabilität und Resistenz des Membranfilters zu erreichen.

Durch die sehr kleine Porengröße des Membranfilters ist dieser im Vergleich zu herkömmlichen so genannten Tiefenfiltern verschmutzungsresistenter, da beispielsweise Schmutzpartikel bis zu einer sehr kleinen Teilchengröße bereits an der Oberfläche der Membrane abgeschieden werden und sich daher nicht in dem Gewirk der Membran festsetzen können, und undurchlässig gegenüber Flüssigkeiten wie beispeilsweise Wassertröpfchen oder gelöste Salzkristalle. Trotz dieser Eigenschaft lagern sich an der Oberfläche des Membranfilters jedoch mit der Zeit Schmutzparktikel ab und bilden einen so genannten Filterkuchen, der für die das Membranfilter durchströmende Kühlluft einen zusätzlich zu überwindenden Widerstand darstellt. Nachteilig kann sich dieser Filterkuchen hinsichtlich einer Verringerung des Kühlluftdurchsatzes aufgrund des gestiegenen Gegendruckes und einer daraus folgenden Erhöhung der Temperatur im Inneren des Gehäuses auswirken. Bei Erreichen der Grenztemperatur hätte dies beispielsweise zur Folge, dass einzelne Bauteile oder Baugruppen Selbstschutzmechanismen aktivieren, die letztlich zu einem Abschalten der Baugruppen oder sogar des technischen Gerätes führen können. Aber auch eine über einen längeren Zeitraum bestehende thermische Belastung der Baugruppen unterhalb der Grenztemperatur führt zu einer Verringerung der durchschnittlichen Einsatzzeit (MTBF – Mean Time Before Failure) der elektrischen Bauteile bzw. Baugruppen.

Um derartige Schädigungen der Baugruppen bzw. einen Totalausfall des technischen Gerätes zu verhindern, muss das eingesetzte Filter rechtzeitig gereinigt oder ausgetauscht werden. Der Zeitraum, in dem ein bestimmter Grad der Verblockung des Filters auftritt, hängt dabei jedoch in hohem Maße von der Qualität der Kühlluft ab. So kann eine kritische Verblockung des Filters in ländlichen Gebieten erst nach einem weit längerem Zeitraum als beispielsweise in städtischen Gebieten mit hohen Abgasbelastungen oder in Meeresnähe mit einer hohen Salzkonzentration auftreten.

Für Betreiber von Mobilfunksystemen, die Basisstationen mit derartigen Filtern in sehr unterschiedlichen Umgebungen zur Funkversorgung von Teilnehmern aufstellen, stellen nicht oder nur schwer vorhersehbare Wartungsintervalle für die Filter einen hohen Kostenfaktor dar. Zum einen sollten die vergleichsweise teuren Filter nicht ausgetauscht oder gereinigt werden, wenn diese eine noch ausreichende Betriebsbereitschaft der Basisstation gewährleisten können, hier kommt erschwerend hinzu, dass die Basisstationen teilweise an nur schwer erreichbaren Standorten installiert sind, zum anderen sollte jedoch auch in jedem Fall ein Ausfall einer Basisstation und damit der Verlust der Funkversorgung von Teilnehmern in einem geographischen Gebiet vermieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Kühlen anzugeben, die einen Schutz vor einem Ausfall bzw. einem unkontrollierten Abschalten von elektrischen Baugruppen in einem Gehäuse sicherstellt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Anordnung zum Kühlen sowie der Filteranordnung nach den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Anordnung zum Kühlen einer in einem Gehäuse angeordneten elektrischen Baugruppe weist zumindest ein in jeweils einem Lufteinlass des Gehäuses angeordnetes Filter für zumindest eine Filterung von zumindest Schmutzpartikeln aus einströmender Kühlluft zum Kühlen der elektrischen Baugruppe sowie zumindest eine Kühleinrichtung zum Aufbauen einer Luftströmung in dem Gehäuse und zum Herausführen der gefilterten, aufgrund eines Durch- und/oder Umströmens der Baugruppe erwärmten Kühlluft aus zumindest einen Luftauslaß aus dem Gehäuse auf. Kennzeichnend ist zumindest eine Einrichtung zum Ermitteln eines Differenzdruckwertes aus jeweils einem stromauf- und stromabwärts des Filters bestimmten Druck der Umgebungsatmosphäre, zum Vergleichen des ermittelten Differenzdruckwertes mit einem vorgegebenen Differenzdruckwert, sowie zum Ausgeben eines Signals bei einem Über- oder Unterschreiten des vorgegebenen Differenzdruckwertes vorgesehen.

Der erfindungsgemäße Einsatz einer Einrichtung zur Ermittlung eines Differenzdruckwertes nutzt vorteilhaft die Tatsache, dass bei einer Erhöhung des Strömungswiderstandes aufgrund einer ganz- oder teilweisen Verblockung des Filters die Kühleinrichtung, beispielsweise ein Lüfter, einen mit steigendem Strömungswiderstand steigenden Unterdruck in dem Gehäuse erzeugt. Ein Differenzdruck zwischen dem Druck der Umgebungsatmosphäre und dem Druck im Inneren des Gehäuses stellt somit ein Maß für den Verblockungsgrad des Filters dar. Sollte bei einem Vergleich des ermittelten Differenzdruckwertes mit einem vorgegebenen Differenzdruckwert, beispielsweise einen maximalen Differenzdruckwert, ein Überschreiten festgestellt werden, so wird ein Signal, beispielsweise ein Alarmsignal, von der Einrichtung ausgegeben.

Nach Ausgestaltungen der Erfindung kann das ausgegebene Signal einer Steuereinrichtung zugeführt werden, welche ein Abschalten der elektrischen Baugruppe, eine Änderung der Funktionsweise der Kühleinrichtung und/oder eine Ausgabe eines Alarmsignals zu einer zugeordneten Überwachungseinrichtung steuert. Physikalisch kann die Steuereinrichtung sowohl als eine getrennte als auch als eine in der Einrichtung zum Ermitteln des Differenzdruckwertes integrierte Einrichtung verwirklicht sein.

Durch ein Abschalten der elektrischen Baugruppen aufgrund des Signals der Einrichtung zum Ermitteln des Differenzdruckwertes kann die Baugruppe vorteilhaft vor einer Beschädigung bzw. Zerstörung aufgrund einer Überhitzung geschützt werden. In gleicher Weise kann die Steuerung der Kühleinrichtung, beispielsweise in Form einer Erhöhung der Drehzahl des Lüfters oder ein Zuschalten eines weiteren Lüfters eine Überhitzung in dem Gehäuse vorteilhaft verhindern. Die Ausgabe eines Alarmsignals ist insbesondere für die Anwendung in zentral überwachten Systemen vorteilhaft. So kann im Falle eines einleitend beschriebenen Funk-Kommunikationssystems von der betroffenen Basisstation ein Alarmsignal, gegebenenfalls zusammen mit weiteren Status- oder Alarmsignalen, zu einem zentralen Operations- und Wartungszentrum übermittelt werden. Von diesem Operations- und Wartungszentrum ausgehend wird Wartungspersonal mit dem Austausch oder der Reinigung des Filters betraut und gegebenenfalls die Basisstation abgeschaltet oder in ihrem Funktionsumfang eingeschränkt.

Die Einrichtung zum Ermitteln des Differenzdruckwertes besteht nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung aus zumindest zwei Drucksensoren, die außerhalb und innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, sowie einer Auswerteeinrichtung, die aus den von den Drucksensoren ermittelten Absolutdrücken der Umgebungsatmosphären einen Differenzdruck berechnet.

Als Drucksensoren können handelsübliche Drucksensoren, beispielsweise der Firma Honeywell, Typ Precision Pressure Transducer PPT, genutzt werden, die den gemessenen Druck in ein diesem entsprechendes analoges oder digitales Signal umsetzen.

In einer alternative Ausführungsform kann die Einrichtung zum Ermitteln des Differenzdruckwertes als ein Differenzdrucksensor ausgestaltet sein. Dieser besteht nach dem Stand der Technik beispielsweise aus zwei durch eine Membran hermetisch voneinander getrennten Messkammern, wobei die Auslenkung der Membran ein Maß für die Größe des Differenzdruckes ist. In Differenzdrucksensoren können vorteilhaft zusätzlich ein Vergleich des ermittelten Differenzdruckes mit vorgegebenen Grenzwerten erfolgen und entsprechende Signale bei einem Überschreiten dieser Grenzwerte ausgegeben werden.

Ein Differenzdrucksensor kann besonders vorteilhaft direkt in einem das Filter umschließenden Rahmen integriert werden, wobei jeweils eine der beiden Messkammer vor und hinter dem Filter den aktuellen Absolutdruck der Umgebungsatmosphäre bestimmt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird jeweils ein gemittelter Differenzdruckwert mit dem vorgegebenen Differenzdruckwert verglichen, wobei die Mittelwertbildung über eine Anzahl von Messungen erfolgt. Vorteilhaft werden hierdurch kurzzeitige Schwankungen des Druckes, die beispielsweise aufgrund von Windböen auftreten können, ausgeglichen und damit die Sicherheit bei der Bestimmung des Verblockungsgrades des Filters erhöht. Alternativ zu einer Mittelwertbildung können in gleicher Weise beispielsweise Extremwerte oder Statistiken über gemessene Differenzdrücke nach festgelegenden Algorithmen ausgewertet werden.

Die Erfindung umfasst weiterhin eine Filteranordnung bestehend aus einem Filter sowie einem das Filter umschließenden Rahmen, wobei in oder an dem Rahmen zusätzlich eine vorangehend beschriebene Einrichtung zum Ermitteln eines Differenzdruckwertes angeordnet ist. Diese Filteranordnung eignet sich insbesondere für einen Einsatz in Gehäusen von technischen Geräten mit elektrischen Baugruppen. Derartige technische Geräte sind beispielsweise Basisstationen von Funk-Kommunikationssystemen, Verkehrsleiteinrichtungen, Versorgungseinrichtungen oder Schaltschränken zur Steuerung von industriellen Maschinen. In gleicher Weise ist die erfindungsgemäße Anordnung auch für einen Einsatz in kleineren elektrischen Geräten, wie beispielsweise tragbaren oder stationären Heimcomputern oder in elektrischen Messgeräten, geeignet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen

1 eine Basisstation eines Mobilfunksystems mit der erfindungsgemäßen Anordnung zum Kühlen von elektrischen Baugruppen in einer Seitenansicht,

2 eine Basisstation eines Mobilfunksystems mit der erfindungsgemäßen Anordnung zum Kühlen von elektrischen Baugruppen in einer alternativen Ausführungsform,

3 Komponenten eines Funk-Kommunikationssystems, und

4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens nach der Erfindung.

Ein technisches Gerät, beispielsweise eine Basisstation BTS eines Funk-Kommunikationssystems bzw. Mobilfunksystems, gemäß 1 weist eine oder mehrere elektrische Baugruppen BG auf. Dies können beispielsweise so genannte TRX-Baugruppen (Transceiver) sowie weitere Baugruppen für eine Basisband-Signalverarbeitung und Kommunikation mit weiteren Komponenten des Systems sein. Hier sei beispielhaft auf die Konfiguration von Basisstationen des Typs BS-41, BS-241 oder NB-441 der Siemens AG hingewiesen. Nach einer bekannten Bauart bestehen die Baugruppen BG beispielsweise aus Einschubgehäusen mit darin befindlichen elektronischen Bauelementen und Hochleistungsschaltkreisen. Unter Baugruppen BG werden im Umfang der Erfindung weiterhin alle elektrischen Einrichtungen eines technischen Gerätes verstanden. So sind hierzu beispielsweise in einem Personal-Computer verwirklichte Leiterplatten sowie Peripherieeinheiten wie beispielsweise Festplatten zu zählen.

Während des Betriebes der Basisstation BTS führt die Verlustleistung der einzelnen elektrischen Baugruppen BG zu einer Erwärmung, wodurch die Notwendigkeit einer Kühlung entsteht, um eine maximal zulässige Betriebstemperatur der Baugruppen BG oder einzelner elektrischer Bauelemente nicht zu überschreiten.

Das in einer Seitenansicht bzw. Durchsicht dargestellte Gehäuse G einer Basisstation BTS bzw. allgemein eines elektrischen Gerätes weist an einer Stirnseite einen Lufteinlass LE mit einem darin angeordneten Membranfilter MB auf. Die Ausmaße des Lufteinlasses LE sind derart dimensioniert, dass durch das Membranfilter MB eine zur Kühlung der elektrischen Baugruppen ausreichende Menge Kühlluft aus der Umgebungsatmosphäre der Basisstation BTS in das Gehäuse G, auch bei einem teilweisen Zusetzen des Membranfilters MB durch Schmutzpartikel oder Flüssigkeit, einströmen kann. Zum Schutz des Membranfilters MB vor mechanischer Beschädigung sowie einer direkten Exposition gegenüber Spritzwasser sind Lamellen LAM vorgesehen.

Das Membranfilter MB ist als ein Oberflächenfilter ausgeführt, welches die besonders vorteilhafte Eigenschaft besitzt, Schmutzpartikel und Flüssigkeiten der Umgebungsatmosphäre bereits an der Oberfläche der Membrane abzuscheiden, wodurch beispielsweise empfindliche elektronische Bausteine oder Schaltungen in den Baugruppen BG gegen Umwelteinflüsse geschützt werden. Ein derartiges Membranfilter MB basiert beispielsweise auf einer unter der Bezeichnung Goretex, Sympatex etc. für die Anwendung in Bekleidungsgegenständen bekannten Membran, die jedoch auf die speziellen Anforderungen eines Einsatzes in technischen Geräten, beispielsweise bezüglich der Porengröße oder Feuerfestigkeit, angepasst ist. Die Membran des Filters besteht aus einem feinen Geflecht oder Gewirk von Fasern. Eine sehr kleine Porengröße verhindert ein Eindringen der Schmutzpartikel und somit ein irreversibles Zusetzen der Membran. Gleichwohl können sich an der Oberfläche der Membran Schmutzpartikel zu einem Filterkuchen ablagern. In gleicher Weise können Flüssigkeiten bis zu einem speziellen Druck pro Flächeneinheit die Membran nicht passieren. Als Material wird für die Membran beispielsweise PTFE, auch unter dem Namen Teflon bekannt, verwendet. Die Membran wird in der Regel auf einem grob gewebten Trägermaterial wie beispielsweise Polyamid oder Polypropylen aufgetragen, um eine hohe Stabilität und Resistenz des Membranfilters MB zu erreichen.

Durch eine spezielle Auslegung des Membranfilters MB können Schutzbestimmungen nach den IP-Richtlinien bis beispielsweise IP55 erfüllt werden, wodurch ein Einsatz des technischen Gerätes außerhalb geschlossener Räume bzw. unter widrigen Umgebungsbedingungen, wie sie beispielsweise bei der industriellen Produktion auftreten, ermöglicht wird. Durch eine spezielle Auswahl des Membranfiltermaterials kann darüber hinaus eine individuelle Anpassung an die realen Umweltbedingungen, wie beispielsweise eine Resistenz gegen Säuren, erfolgen.

Die nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen sind jedoch nicht auf den Einsatz von Membranfiltern in dem technischen Gerät bzw. der Basisstation beschränkt. Weitere bekannte Filter, wie beispielsweise herkömmliche Tiefenfilter für eine Filterung von ausschließlich Schmutzpartikeln, oder Filter aus hydrophoben Material mit mit einem Membranfilter vergleichbaren Eigenschaften für eine Filterung von Schmutzpartikeln und Flüssigkeiten, sind in gleicher Weise in der erfindungsgemäßen Anordnung einsetzbar.

Die in der 1 dargestellten elektrischen Baugruppen BG sind in dem Gehäuse übereinander liegend angeordnet. Durch das Membranfilter MB einströmende Kühlluft – durch Pfeile dargestellt – wird in einem Einströmkanal KE und über eine Luftleiteinrichtung LLE unter die elektrischen Baugruppen BG geführt. Die Luftleiteinrichtung LLE, beispielsweise ein Luftleitblech, besitzt dabei die Aufgabe, die Kühlluft gleichmäßig über die Grundfläche der untersten elektrischen Baugruppe BG zu verteilen, sodass es zu einer homogenen Durchströmung der gesamten Baugruppe BG kommt. Die Kühlluft durchströmt die mit Lüftungsschlitzen versehenen Einschubgehäuse bzw. Baugruppen BG und führt Wärme von den elektrischen Bauelementen und Schaltkreisen ab.

Die Kühlung der elektrischen Baugruppen BG mittels einer direkten Durchströmung des Gehäuses G mit Kühlluft besitzt den Vorteil einer gegen Null tendierenden erforderlichen Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Umgebungsatmosphäre bzw. der Temperatur der einströmenden Kühlluft und der Temperatur im Inneren des Gehäuses G, wodurch der Betrieb der elektrischen Baugruppen BG auch bei einer Temperatur der Umgebungsatmosphäre von beispielsweise +70°C, die der Grenztemperatur der Bauelemente entspricht, vermindert um den Grad der inneren Erwärmung, gesichert ist.

Eine Kühlanordnung VE, welche in der 1 beispielhaft oberhalb der obersten Baugruppe BG angeordnet ist, saugt die bei der Durchströmung der Baugruppen BG erwärmte Kühlluft an und führt sie über einen Ausströmkanal KA sowie einen an der Rückseite des Gehäuses G vorgesehenen Luftauslass LA an die Umgebungsatmosphäre ab. Der Luftauslass LA ist wiederum durch Lamellen sowie gegebenenfalls ein – nicht dargestelltes – Membranfilter vor mechanischer Beschädigung und Eindringen von Spritzwasser geschützt. Als Kühleinrichtungen VE werden beispielsweise ein oder mehrere Ventilatoren eingesetzt, die temperaturgesteuert eine variierende Luftströmung erzeugen.

Zur Regelung der Temperatur im Inneren des Gehäuses G wird die Drehzahl des Ventilators durch eine Steuereinrichtung ST geregelt. Zur Erfassung von Parametern für diese Regelung können beispielsweise in dem Bereich des Lufteinlasses LE, des Luftauslasses LA sowie an verschiedenen Stellen innerhalb des Gehäuses G Temperaturfühler vorgesehen werden, die permanent die Temperaturen der einströmenden Kühlluft und der Atmosphäre im Inneren des Gehäuses G bzw. die Temperatur von speziellen Bauelementen ermitteln, und die von der Steuereinrichtung ST ausgewertet werden. Bei dieser Regelung wird durch die Drehzahl des Ventilators der Kühleinrichtung VE der Durchsatz der Kühlluft in dem Gehäuse G variiert, um beispielsweise eine konstante Temperatur im Inneren des Gehäuses G unabhängig von der Temperatur der Umgebungsatmosphäre zu erhalten.

Eine konstante Betriebstemperatur der Baugruppen BG wirkt sich beispielsweise positiv auf die Betriebsdauer von elektrischen Bauelementen und Hochleistungsschaltkreisen aus. Zusätzlich ermöglicht eine stets niedrig gehaltene Drehzahl der Kühleinrichtung VE, unter der Bedingung, dass die Grenztemperatur der Bauelemente nicht überschritten wird, eine Minimierung der Geräuschemission des technischen Gerätes. Weiterhin kann durch die Regelung bei einem Kaltstart des Gerätes anfangs von dem Betrieb der Kühleinrichtung VE abgesehen werden, um die Baugruppen BG schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur erwärmen zu lassen und erst nach Erreichen dieser Betriebstemperatur eine weitere Regelung der Kühleinrichtung VE zum Beibehalten der konstanten Betriebstemperatur durchzuführen.

Bei einer bestimmten Einschränkung des Kühlluftdurchsatzes durch das Membranfilter MB, beispielsweise aufgrund des vorangehend beschriebenen sich an der Oberfläche bildenden Filterkuchens oder Ablagerungen von Schmutzpartikeln, fördert die Kühleinrichtung VE beispielsweise eine größere Menge Kühlluft über den Luftauslass LA aus dem Gehäuse G heraus als durch den Lufteinlass LE in das Gehäuse G einströmen kann, um die teilweise Verblockung des Membranfilters MB auszugleichen und einen konstanten Kühlluftstrom sicherzustellen. Hierdurch entsteht in dem Gehäuse G ein Unterdruck.

In dem Beispiel der 1 wird von zwei handelsüblichen Drucksensoren S1,S2, beispielsweise des Typs Honeywell PPT, jeweils ein absoluter Druck innerhalb und außerhalb des Gehäuses G gemessen. Der erste Drucksensor s1 kann dazu beispielsweise an beliebiger Stelle der Außenseite des Gehäuses angebracht werden, jedoch ist auch hier ein Schutz des Sensors vor mechanischer Beschädigung und sonstigen Umwelteinflüssen, welche die Funktionsweise des Sensors einschränken können, sinnvoll. Der zweite Drucksensor S2 wird innerhalb des Gehäuses G angeordnet, beispielsweise wie dargestellt nahe der Rückseite des Membranfilters MB. Jedoch kann der zweite Drucksensor S2 in gleicher Weise an beliebiger Stelle in dem Gehäuse G angeordnet sein, da in der Regel ein konstanter Absolutdruck in dem Gehäuse G besteht.

Die von den Drucksensoren S1,S2 gemessenen Absolutdrücke der Umgebungsatmosphären außerhalb und innerhalb des Gehäuses, bzw. die aus diesen Druckmessungen in den Sensoren abgeleiteten digitalen oder analogen Signale, werden in einer Auswerteeinrichtung AE miteinander verglichen, um einen Differenzdruckwert zu ermitteln. Aus einem Vergleich des ermittelten Differenzdruckwertes mit einem vorgegebenen Grenzwert wird bei einem Überschreiten des Grenzwertes ein Signal generiert, das von der Auswerteeinrichtung AE an eine zentrale Steuereinrichtung ST der Basisstation BTS weitergegeben wird. Das hierbei zugrunde liegende Verfahren wird bezugnehmend auf 4 nachfolgend noch ausführlich erläutert.

Die Steuereinrichtung ST, welche auch weitere Funktionalitäten der Basisstation BTS wie beispielsweise die Funktion der Leistungsverstärker, der Stromversorgung oder sonstiges überwacht, wiederum gibt aufgrund des Signals der Auswerteeinrichtung AE ein Alarmsignal an ein der Basisstation BTS zugeordnetes Operations- und Wartungszentrum OMC. Ausgehend von dem Operations- und Wartungszentrum wird eine Wartung bzw. ein Austausch des Membranfilters MB veranlasst und gegebenenfalls Funktionen der Basisstation BTS, beispielsweise das Abschalten von TRX-Baugruppen zur Verringerung der generierten Wärme, den Bedingungen angepasst. Die Signalisierung des Erfordernisses der Wartung des Membranfilters besitzt den Vorteil, dass einerseits die Wartungsintervalle verlängert werden können, und dass andererseits die Betriebskosten der Basisstation aufgrund einer in einem optimalen Temperaturbereich gehaltenen Betriebsweise bzw. die Gefahr des Auftretens von Störungen verringert werden können.

Neben der beschriebenen Realisierung mit getrennt voneinander angeordneten Sensoren S1,S2 und Auswerteeinrichtung AE kann die Funktionalität auch in einer einzigen Einrichtung verwirklicht werden. Dies ist beispielhaft in 2 dargestellt. In dieser alternativen Ausführungsform wird ein handelsüblicher Differenzdrucksensor DD eingesetzt. Ein Differenzdrucksensor besteht in der Regel aus zwei durch eine Membran hermetisch voneinander getrennten Messkammern, wobei die Auslenkung der Membran ein Maß für die Größe des Differenzdruckes ist.

In dem Differenzdrucksensor DD erfolgt entsprechend der vorhergehenden Beschreibung ein Vergleich des ermittelten Differenzdruckes mit zumindest einem vorgegebenen Grenzwert und ein Ausgeben von entsprechenden Signalen bei einem Überschreiten dieses Grenzwertes zu der Steuereinrichtung ST.

Nach der 2 ist der Differenzdrucksensor DD in einem das Membranfilter MB umschließenden Rahmen R integriert, wobei jeweils eine der beiden Messkammern über eine Öffnung in dem Rahmen R Messungen stromauf- bzw. stromabwärts des Membranfilters MB bezüglich des jeweiligen aktuellen Absolutdruckes der Umgebungsatmosphäre durchführen kann.

Die aktive Oberfläche des Membranfilters MB ist in dem Beispiel der 2 durch eine Faltenbildung vergrößert und nimmt dadurch lateral ein größeres Volumen ein. Gleichzeitig wird jedoch die Stabilität des Filters und der Kühlluftdurchsatz erhöht. Die Anordnung des Membranfilters MB in einem Rahmen R ermöglicht eine schnelle Herausnahme der aus dem Membranfilter und dem Rahmen bestehenden Membranfilterkassette zu Wartungs- und Reinigungszwecken bzw. für einen Austausch.

In der 3 sind beispielhaft Komponenten eines bekannten GSM- (Global System for Mobile Communication) bzw. UMTS-Mobilfunksystems (Universal Mobile Telecommunication System) dargestellt. Ein Mobilfunksystem besteht aus einer Anzahl von Vermittlungseinrichtungen MSC (Mobile Switching Center), die einen Übergang zu öffentlichen Telekommunikationsnetzen PSTN (Public Switched Telephone Network) und Paketdatennetzen, beispielsweise dem Internet, gewährleisten. Mit den Vermittlungseinrichtungen MSC sind jeweils eine Vielzahl von Basisstationssystemen BSS (Base Station System), bestehend aus Basisstationssteuerungen BSC (Base Station Controller) und Basisstationen BTS (Base Transceiver Station), verbunden. Die Basisstationen BTS einen geographischen Bereich, auch Funkzelle Z genannt, mit funktechnischen Ressourcen. Auf der Funkschnittstelle zwischen den Basisstationen BTS und Teilnehmerendgeräten UE (User Equipment) werden Signale in Aufwärts- UL (Uplink) und Abwärtsrichtung DL (Downlink) übertragen.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird besonders vorteilhaft in außerhalb geschlossener Räume aufgestellten Basisstationen BTS eines derartigen Mobilfunksystems eingesetzt. Derartige Basisstationen werden auch als Outdoor-Basisstationen bezeichnet.

Mit einer Vermittlungseinrichtung MSC verbunden ist weiterhin ein so genanntes Operations- und Wartungszentrum OMC (Operation and Maintenance Center). In diesem laufen Informationen über Stati der einzelnen Komponenten des Systems zusammen, sodass von einer zentralen Stelle des Systems die Funktionalität überwacht werden kann. Zu diesem Operations- und Wartungszentrum würde nach der Erfindung ein Alarmsignal von der Basisstation BTS gesendet werden, wenn festgestellt würde, dass ein Austausch bzw. eine Reinigung des Membranfilters MB in der Basisstation BTS erforderlich ist. In Folge dieses Alarms könnte beispielsweise für die Wartung des Filters verantwortliches Wartungspersonal zu der Basisstation entsandt werden. Wie vorangehend beschrieben, kann in gleicher Weise als Reaktion auf das Alarmsignal der Funktionsumfang der Basisstation seitens des Operations- und Wartungszentrums OMC, beispielsweise durch Abschalten einer oder mehrerer Baugruppen, eingeschränkt werden, um eine Überhitzung der Baugruppen zu vermeiden. Alternativ oder ergänzend führt die Überwachungs- bzw. Steuereinrichtung in der Basisstation selbsttätig ein Abschalten von Baugruppen durch, und informiert das Operations- und Wartungszentrum mittels bekannter Signalisierungen entsprechend darüber.

In 4 ist schließlich ein Ablaufdiagramm dargestellt, dessen einzelne Schritte in der erfindungsgemäßen Einrichtung, beispielsweise in einem vorangehend beschriebenen Differenzdrucksensor, durchgeführt werden.

In einem ersten Schritt werden Absolutdrücke d1, d2 der Umgebungsatmosphäre außerhalb und innerhalb des Gehäuses bzw. stromauf- und stromabwärts des Filters gemessen. Die Messungen erfolgen beispielsweise periodisch in bestimmten Zeitabständen. Aus diesen Messungen d1, d2 bzw. diese repräsentierende digitale oder analoge Werte wird in einem zweiten Schritt ein Druckdifferenzwert dd berechnet. Alternativ zu diesen zwei Schritten können entsprechend der vorangehend beschriebenen Weise auch direkt Differenzdruckmesswerte in einem Schritt aufgenommen werden.

Um kurzzeitige Druckschwankungen und dadurch gegebenenfalls ausgelöste Fehlalarme zu vermeiden, wird eine Auswertung der ermittelten Differenzdruckwerte durchgeführt. So kann in einem dritten Schritt beispielsweise über eine Anzahl n von berechneten Druckdifferenzwerten dd eine Mittelung durchgeführt werden, aus der der Betrag eines mittleren Druckdifferenzwertes mdd bestimmt wird. Die Mittelung kann dabei beispielsweise laufend, d.h. unter Berücksichtigung einer jeweiligen Anzahl zuletzt berechneter Werte, erfolgen, sodass mit jeder Messung ein neuer Mittelwert bestimmt wird.

In einem vierten Schritt wird ein Vergleich des mittleren Druckdifferenzwertes mdd mit einem Grenzwert bzw. einem maximalen Differenzdruckwert ddmax durchgeführt. Der Grenzwert ddmax kann beispielsweise abhängig von der Konfiguration der Basisstation und/oder dem Standort unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen, dimensioniert und in der Einrichtung gespeichert werden. Wird in diesem Vergleich festgestellt, dass der gemittelte Druckdifferenzwert mdd größer als der maximale Druckdifferenzwert ddmax ist, so wird von dem Druckdifferenzsensor DD oder der Steuereinrichtung ST der Basisstation in einem fünften Schritt ein Alarmsignal al ausgegeben. Sofern der Vergleich ergibt, dass der maximale Druckdifferenzwert ddmax von dem gemittelten Druckdifferenzwert nicht überschritten wird, werden nachfolgend weitere Messungen, Berechnungen und Vergleiche entsprechend der beschriebenen Schritten durchgeführt.

Alternativ hierzu können in gleicher Weise Extremwerte der Differenzdrücke bzw. allgemein Statistiken über die gemessenen Differenzdrücke nach festgelegten Algorithmen mit einem vorgegebenen Alarmkriterium verglichen werden. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass die gemessenen Differenzdruckwerte über einen Zeitraum von ca. einer Stunde ausgewertet werden, und ein Alarmsignal nur dann ausgegeben wird, wenn alle in diesem Zeitraum ermittelten Differenzdruckwerte einen Grenzwert nicht überschreiten.


Anspruch[de]
  1. Anordnung zum Kühlen von zumindest einer in einem Gehäuse (G) angeordneten elektrischen Baugruppe (BG), mit zumindest einem in jeweils einem Lufteinlass (LE) des Gehäuses (G) angeordneten Filter (MB) für eine Filterung von zumindest Schmutzpartikeln aus einströmender Luft zum Kühlen der elektrischen Baugruppe (BG), und zumindest einer Kühleinrichtung (VE) zum Aufbauen einer Luftströmung in dem Gehäuse (G) und zum Herausführen der gefilterten, aufgrund eines Durch- und/oder Umströmens der Baugruppe (BG) erwärmten Kühlluft aus zumindest einem Luftauslass (LA) des Gehäuses (G), gekennzeichnet durch zumindest eine Einrichtung (S1,S2,DD) zum Ermitteln eines Differenzdruckwertes (dd,mdd) aus jeweils einem stromauf- und stromabwärts des Filters (MB) bestimmten Druck der Umgebungsatmosphäre, zum Vergleichen des ermittelten Differenzdruckwertes (dd,mdd) mit einem vorgegebenen Differenzdruckwert (ddmax), und zum Ausgeben eines Signals (al) bei einem Über- oder Unterschreiten des vorgegebenen Differenzdruckwertes (ddmax).
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (MB) als ein Membranfilter ausgestaltet ist, welches Schmutzpartikel und Flüssigkeiten an der Oberfläche der Membrane abscheidet.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Einrichtung zum Ermitteln der Differenzdruck aus zumindest zwei Drucksensoren (S1,S2), die außerhalb und innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, sowie einer Verarbeitungseinrichtung (AE), die aus den von den Drucksensoren (S1,S2) ermittelten Drücken (d1,d2) die Differenzdruck (dd,mdd) berechnet.
  4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Einrichtung zum Ermitteln der Differenzdruck als ein Differenzdrucksensor (DD) ausgestaltet ist.
  5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Einrichtung (S1,S2,DD) zum Ermitteln des Differenzdruckwertes (dd,mdd) das bei einem Über- oder Unterschreiten des vorgegebenen Differenzdruckwertes (ddmax) ausgegebene Signal (al) einer Steuereinrichtung (ST) zuführt, welche ein Abschalten der elektrischen Baugruppe (BG), eine Änderung der Funktionsweise der Kühleinrichtung (VE) und/oder eine Ausgabe eines Alarmsignals zu einem der Anordnung (BTS) zugeordneten Überwachungseinrichtung (OMC) steuert.
  6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einrichtung (S1,S2,DD) zum Ermitteln des Differenzdruckwertes über eine Anzahl von ermittelten Differenzdruckwerten (dd) gemittelt, und der gemittelte Differenzdruckwert (mdd) mit dem vorgegebenen Differenzdruckwert (ddmax) verglichen wird.
  7. Filteranordnung für ein Gehäuse (G) mit darin angeordneten elektrischen Baugruppen (BG), mit

    zumindest ein durch einen Rahmen (R) umschlossenes Filter (MB) für eine Filterung von zumindest Schmutzpartikeln aus in das Gehäuse (G) einströmender Luft zum Kühlen der elektrischen Baugruppe (BG), wobei der Rahmen (R) mit dem Filter (MB) für eine Anordnung in einem Lufteinlass (LE) des Gehäuses (G) ausgestaltet ist,

    gekennzeichnet durch

    zumindest eine in oder an dem Rahmen (R) angeordneten Einrichtung (DD,AE) zum Ermitteln eines Differenzdruckwertes (dd,mdd) zwischen einem jeweils stromauf- und stromabwärts des Filters (MB) bestimmten Druck (d1,d2) der Umgebungsatmosphäre, zum Vergleichen des ermittelten Differenzdruckwertes (dd,mdd) mit einem vorgegebenen Differenzdruckwert (ddmax) und zum Ausgeben eines Signals (al) bei einem Überschreiten des vorgegebenen Differenzdruckwertes (ddmax).
  8. Filteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Einrichtung zum Ermitteln der Differenzdruck als ein Differenzdrucksensor (DD) ausgestaltet ist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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