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Wärmemanagement

Schaltschrankklimatisierung im Zeitalter von Industrie 4.0

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Der Luftkanal und seine Varianten: offener Luftkanal

Die einfachste Variante des Luftkanals ist ein offener Luftkanal (Bild 1). Ganz links befindet sich ein Luftfilter gefolgt von einem Axialgebläse, das an einer Schmalseite des Lüfterrahmens auf der Hutschiene befestigt ist. Das Gebläse bläst nach rechts in Anordnungsrichtung der weitern Anwendermodule (Hutschienennetzteile, SPS- und Feldbusmodule sowie I/O Systeme, Anwendereigene Module und ähnliches). Ganz am Ende befindet sich ein Temperaturfühler, der die Schaltschrankinnentemperatur und die Luftkanaltemperatur am Luftaustritt misst. Der Temperaturfühler enthält auch eine Steuerung der Lüfterdrehzahl und eine Überwachung im Falle einer Störung.

Der DC-Axiallüfter muss über einen bürstenfreien Antrieb verfügen und ein Tachosignal sowie Störmeldungen liefern.

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Was ist damit gewonnen? Das hängt davon ab, von welcher Situation man ausgeht.

Beispiel 1: Nehmen wir an, ein Schaltschrank (kann auch ein IT-Schrank sein) kommt mit einer Filterlüftung aus, es ist also kein Kühler vorhanden. Nehmen wir weiterhin an, die Betriebsräume hätten Temperaturen von 20 °C und die Schaltschrankinnentemperatur beträgt im Betrieb 35 °C. In den Elektronikmodulen auf der Hutschiene kann man dann (je nach umgesetzter Leistung) 47 bis 50 °C messen. Das ist momentaner Stand der Technik.

Mit der zusätzlichen Lüftung direkt durch die Elektronikmodule ergeben sich zwei Effekte, die die Ausfallquote der Elektronikmodule mindestens halbieren dürften: Das ist erstens die mittlere Temperatur in den Modulen. Die Temperatur beträgt nun in den ersten Modulen (links) 35°C und am Ende der Anordnung ca. 37°C. Das bedeutet, die Temperatur in den Modulen entspricht ungefähr der Schaltschrankinnentemperatur.

Zweitens sind die Temperaturunterschiede auf der Leiterplatte in den Modulen deutlich geringer. Dieser zweite Effekt, das geringere ΔT, wurde bezüglich Ausfallrate noch nicht untersucht. Der Effekt dürfte aber den ersten Effekt in der Bedeutung übertreffen.

Fazit: In der Standardsituation „Schaltschrank ohne Kühlgerät“ halbiert sich mindestens die Ausfallrate der Elektronik. Die zunehmende Verdichtung der Elektronik und die damit einhergehenden thermischen Probleme sind mit dieser Technik einfacher in den Griff zu bekommen.

Beispiel 2: Nehmen wir nun an, ein Schaltschrank muss mit einem Komressorkühler gekühlt werden, weil ohne diesen Kühler die Schaltschrankinnentemperatur die zulässigen Grenzwerte für die Elektronik übersteigen würde (trotz Filterlüfter). Man kann im Schaltschrank Temperaturen von 50°C zulassen (also nicht 35°C wie bisher).

Fazit: Eine Schaltschrankinnentemperatur von 50°C ist ohne Kompressorkühler bedenkenlos zulässig. Dabei ist ein Vorteil nicht zu unterschätzen: Das geringere ΔT gewinnt an Bedeutung, je wärmer es wird. Es wären also bei gleicher Ausfallrate der Elektronik sogar Temperaturen von mehr als 50°C zulässig, deshalb braucht man keine Kühlgeräte. Energie-, Wartungs- und Anschaffungskosten werden geringer.

Noch eine Anmerkung: Man kann die Gebläseluft durch die Elektronikmodule am Ende einer Hutschienenzeile mittels eines vertikalen Luftschachts auf die nächsten Hutschienenzeile umleiten. Somit entsteht ein Luftkanal, der sich über mehrere Hutschienenzeilen fortsetzen kann.

Umlaufender, geschlossener Luftkanal

Ein umlaufend geschlossener Luftkanal entsteht, wenn sich die Gebläseluft in zwei Hutschienenzeilen im Kreis bewegt (Bild 2). Dazu werden die beiden Hutschienenzeilen auf beiden Seiten durch einen vertikalen Luftschacht verbunden.

Beispiel 3: Bei hohen Umgebungstemperaturen und hoher Verlustleistung im Schaltschrank ist der offene Luftkanal nicht ausreichend. In Dubai werden schon mal Lufttemperaturen von 50 °C gemessen. Kommt noch die Eigenwärme der Elektrik und Elektronik dazu, wird es im Schaltschrank schnell zu warm.

Der Klimatisierungsaufwand wird von der Umgebungstemperatur außerhalb des Schaltschrankes und der Summe aller Wärmeerzeuger im Schrank bestimmt. Nicht alle Wärmequellen im Schaltschrank benötigen aber eine aktive Klimatisierung durch Kühl- oder Heizgeräte. Die herkömmliche Schaltschrankkühlung arbeitet unsinnigerweise nicht nur gegen die gerade beschriebe Außentemperatur, sondern vollkommen anachronistisch auch gegen die Abwärme von Elektrik wie Stromschienen, Trafos, Relais und ähnlichem.

Dieser gewaltige Energieeinsatz wird aktuell betrieben, um gegebenenfalls einem kleinen Rest an empfindlicher Elektronik die spezifizierte Umgebungstemperatur im Schaltschrank sicherzustellen. Fakt ist: Für die grobe Elektrik genügt eine Ventilation des Schrankes auch dann, wenn sich dieser Schrank am Äquator befindet. Die empfindliche Elektronik kann in einem umlaufenden Luftkanal gekühlt werden. Auf einen teuren wartungsintensiven Kompressorkühler kann so meistens verzichtet werden, es reicht eventuell eine Peltierkühlung aus. Bei hoher Verlustleistung der Elektronikmodule könnte man statt eines Peltierkühlers einen Wärmetauscher in den Luftkanal auf der Hutschiene integrieren, technischen Weiterentwicklungen sind keine Grenzen gesetzt.

Fazit: Der Energieaufwand zur Kühlung mittels Peltier- oder Kompressorkühler wird ausschließlich von der aufgenommenen Leistung der Elektonikmodule bestimmt. Die Wärme durch die Umgebungstemperatur von Schaltschränken und die Abwärme der Elektrik spielen eine untergeordnete Rolle. Die Vorteile liegen auf der Hand:

  • Keine Kondenswasserprobleme, denn die Kühlung samt Elektronik befindet sich in einem geschlossenen System.
  • Energie- und damit CO2- sowie Kosteneinsparung.
  • Deutlich kleinere Klimageräte, meistens reicht ein wartungsfreier Peltierkühler.
  • Geringer Anschaffungspreis.
  • Geringer oder kein Wartungsaufwand.
  • Montage sehr einfach und schnell.
  • Deutlich erhöhter Temperaturbereich bei Außenanwendung ohne voluminöse Klimatechnik.
  • Intelligentes Temperaturmanagement.
  • Höhere Packungsdichte der Elektronik auf der Platine (Stichwort „Industrie 4.0).
  • Gezielte Entwärmung von Hotspots durch geleitete Luftströmung.
  • Einsatz im Hygienebereich, da keine Staubablagerung und damit Keimbildung auf der Elektronik.
  • Staubfreier Axiallüfter (häufigste Fehlerursache: Lagerschaden durch Schmutz).
  • Geringere Ausfallrate der Elektronik
  • Raumausnutzung der Tiefe des Schaltschrankes, dadurch weniger Platzbedarf auf der Hutschiene.
  • Reduktion des vertikalen Hutschienenabstands, da die vertikale Konvektion keine Rolle spielt.
  • Kleinere Schaltschränke.

Anwendungen finden sich z.B. bei der Steuerung des Straßen- und Schienenverkehrs, im Trink- und Abwasserbereich, bei der Stromversorgung, digitalen Kommunikation, in Sportanlagen, bei der Gebäudeüberwachung, in Sicherheits- Beleuchtungsanlagen, bei der Wettererfassung und nicht zuletzt in der Auto-, Chemie-, Öl- und Gasindustrie.

Beispiel 4: Falls ein Schaltschrank beheizt werden muss, z.B. im Außenbereich in Sibirien, ist bei umlaufendem Luftkanal keine elektrische Heizung erforderlich. Die Eigenwärme der Elektronik reicht für alle denkbaren Minusgrade aus. Ohne detaillierter auf dieses eigene Themenfeld einzugehen, lässt sich in diesem Zusammenhang festhalten: Das Heizen eines Schaltschrankes erfordert deutlich mehr Energie als das Kühlen. Die CO2-Einsparung ist hier somit besonders hoch. Der Heizungs- und Entfeuchtungsaufwand wird nur noch bestimmt durch die Anforderungen der unempfindlichen Elektrik im Schaltschrank.

Fazit: Alle Vorteile im Beispiel 3 gelten hier ebenso. Die Einsatzgebiete sind ebenfalls identisch. Die Energieeinsparung ist noch höher.

Beispiel 5: Im Hygienebereich oder bei aggressiver Atmosphäre findet der umlaufend geschlossene Luftkanal auch im Normaltemperaturbereich Anwendung. Es gibt so keine Staubablagerung, die Elektronik bleibt vor aggressiver Atmosphäre geschützt.

Offener Luftkanal und umlaufender geschlossener Luftkanal

Beispiel 6: Mit einer Klappe, die von einer Steuerung geschaltet wird, ist es möglich, alle Vorteile von Beispiel 1 bis 5 zu vereinen. Die Klappe kann durch eine kleine Drehbewegung um 30° zwischen einem offene Luftkanal und einem umlaufend geschlossenen Luftkanal umschalten (Bild 3). Der blaue Pfeil an der Klappe stellt den umlaufenden Luftkanal dar, die beiden roten Pfeile zeigen die Strömungssituation beim offenen Luftkanal.

Anwendungen finden sich beispielsweise am Oberdeck eines Schiffes. Die Elektronik im Schaltschrank kann vom Äquator bis an die Pole betrieben werden.

* * Armin Meininger ... ist staatlich geprüfter Techniker mit Schwerpunkt Datentechnik.

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