Wärmemanagement Grundlagen der Schaltschrank- Klimatisierung, Teil 1

Autor / Redakteur: Ralf Schneider und Hans-Robert Koch * / Kristin Rinortner

Die immer leistungsfähigere Technik in den Produktionsprozessen lässt auch die Verlustleistung in Schaltschränken rasant anwachsen. Wir stellen Klimatisierungskomponenten und Kühlsysteme vor.

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System-Klimatisierung: Kühlsysteme bieten heute einen um mehr als 40% höheren Wirkungsgrad.
System-Klimatisierung: Kühlsysteme bieten heute einen um mehr als 40% höheren Wirkungsgrad.
(Bild: Rittal)

Schaltschränke müssen nicht selten hohe Schutzarten bieten und entsprechend dicht sein. Damit lässt sich das Eindringen von ölhaltiger und feuchter Umgebungsluft oder Staub in den Schaltschrank verhindern. Jedoch kann die Verlustwärme, die durch die elektronischen Komponenten entsteht, nicht nach außen abgeführt werden. Diese Wärme (Verlustleistung) ist der größte Feind der hochleistungsfähigen Mikroelektronik und Elektronikkomponenten im Schaltschrank: Eine Erhöhung der Temperatur um 10 K, bezogen auf die maximal zulässige Betriebstemperatur, halbiert ihre Lebensdauer und verdoppelt die Ausfallrate.

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Zwar ist – bezogen auf jede einzelne Komponente – die Verlustleistung der elektronischen Bauelemente in den letzten Jahren deutlich kleiner geworden. Zugleich aber hat sich die Packungsdichte in den Schaltschränken deutlich erhöht, wodurch die Verlustleitung insgesamt um 50 bis 60% gestiegen ist. Damit verändern sich auch die Anforderungen an die Wärmeabführung aus dem Schaltschrank und Elektronikgehäuse. Die moderne Schaltschrank-Klimatisierung muss hier die jeweils beste technische Lösung mit größtmöglicher Energieeffizienz vereinen.

Drei Möglichkeiten der Wärmeabführung

Es gibt grundsätzlich drei Arten der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. In Schaltschränken und Elektronikgehäusen überwiegen Wärmeleitung und Konvektion. Eine untergeordnete Rolle spielt die Wärmestrahlung, bei der die Wärme in Form von Strahlungsenergie ohne einen Träger von Körper zu Körper übertragen wird. Bei offenen, also luftdurchlässigen Gehäusen kann die Wärme über den Luftstrom von innen nach außen abgeführt werden (Wärmeleitung). Muss der Schrank geschlossen bleiben, also luftundurchlässig, kann dies nur über die Gehäusewand erfolgen (Konvektion).

Voraussetzung ist jedoch, dass die Umgebungstemperatur niedriger ist als die Innentemperatur im Schaltschrank, für die sich ein empfohlener Mittelwert von 35°C etabliert hat. Er ist auch die Grundlage aller Berechnungen für Klimatisierungslösungen. Wichtig ist zudem die Aufstellungsart: Ein rundum freistehendes Gehäuse kann über seine Oberfläche natürlich mehr Verlustleistung an die Umgebung abgeben als der in einer Nische oder Maschine integrierte Schaltschrank.

Manchmal muss auch geheizt werden

Die Funktionssicherheit der elektrischen und elektronischen Bauteile im Schaltschrank ist nicht nur bei zu hohen, sondern auch bei zu tiefen Temperaturen gefährdet. So muss etwa zur Vermeidung von Feuchtigkeit und zum Schutz vor Frost der Innenraum erwärmt werden. Ebenso ist zu vermeiden, dass sich ein Kondensatfilm an den Komponenten niederschlägt. Empfohlen wird eine im Bodenbereich des Schaltschranks platzierte Heizung, um eine optimale Temperaturverteilung und damit auch Wirksamkeit zu erzielen. Die notwendige Heizleistung hängt von der Umgebungstemperatur und der Schrankoberfläche ab.

Technologische Varianten für unterschiedliche Aufgaben

Für die aktive Wärmeabführung aus dem Schaltschrank wiederum gibt es verschiedene Methoden. Bei der Zwangsumwälzung werden Umluftventilatoren eingesetzt, um die Konvektion, also den Wärmeübergang an den Gehäusewänden von innen nach außen zu verbessern. Diese Lüfter wälzen die Innenluft um und sollen eine bessere Wärmeverteilung im Schrank und an den Wänden bewirken. Das Ergebnis einer solchen Lösung ist aber sehr begrenzt.

In den meisten Fällen reicht es nämlich nicht aus, die geforderte konstante Innentemperatur von 35°C allein durch Konvektion sicher zu stellen. Die einfachste Lösung bieten hier die Filterlüfter (Bild 1). Geräte mit Diagonallüftertechnik bieten eine gleichmäßig konstante Luftleistung bei optimierter Luftführung und sehr geringer Einbautiefe, was im Vergleich zu herkömmlichen Filterlüftern mit Axiallüftertechnik viel Platz spart.

Je nach Anforderung können diese Filterlüfter sowohl in den Schaltschrank „blasend“ als auch aus ihm „saugend“ eingebaut werden. Zu empfehlen ist ein blasender Einbau, um Unterdruck im Schaltschrank zu vermeiden. Denn bei Unterdruck (Saugvariante) strömt die Zuluft unkontrolliert ein, und zwar nicht nur über die Filteransaugung, sondern auch über alle Kabeldurchführungen und andere undichte Stellen. Auf diese Weise einströmende ungefilterte Umgebungsluft sowie Staub kann zu Problemen führen. In der blasenden Variante wird die Luft gezielt in den Schaltschrank geführt, ein unkontrolliertes Einströmen der Umgebungsluft ist ausgeschlossen.

Einfaches Prinzip mit großer Wirkung

Muss für einen Schaltschrank die Schutzart IP54 eingehalten werden, können Luft/Luft-Wärmetauscher zum Einsatz kommen. Ihr Funktionsprinzip ist einfach, aber sehr wirkungsvoll. Die warme Innenluft wird im oberen Schrankbereich mit einem Ventilator angesaugt und über einen Kreuzstrom-Wärmetauscher geführt. Die kältere Umgebungsluft wird ebenfalls per Ventilator angesaugt und auch über diesen Wärmetauscher geführt, ohne dass sich die beiden Luftströme vermischen.

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