Wärmemanagement So geht Schaltschrankkühlung mittels Peltier-Technik

Autor / Redakteur: Wilfried Schmitz * / Kristin Rinortner

Extrudierte Aluminium-Kühlkörper unterstützen die Kühlwirkung thermoelektrischer Schaltschrank- und Oberflächenkühler. So gelingt die optimale Wärmeübertragung zwischen Umgebungsluft und Halbleiterelementen.

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Schaltschrankkühlung: Bei dem Schaltschrankkühler der Serie FR-416-AC von DNPT bilden zwei CNC-bearbeitete und eloxierte Aluminium-Strangpress-Kühlkörper die Verbindung zwischen dem Peltier-Element des Kühlers und der Umgebungsluft.
Schaltschrankkühlung: Bei dem Schaltschrankkühler der Serie FR-416-AC von DNPT bilden zwei CNC-bearbeitete und eloxierte Aluminium-Strangpress-Kühlkörper die Verbindung zwischen dem Peltier-Element des Kühlers und der Umgebungsluft.
(Bild: Dr. Neumann Peltier Technik)

Der französische Physiker Jean Peltier entdeckte 1834 den nach ihm benannten Peltier-Effekt. Dieses thermodynamische Phänomen beschreibt die Tatsache, dass Strom, der durch metallische Thermopaare fließt, eine Temperaturdifferenz erzeugt. Viele Jahre später wurde dieser Effekt dann durch die Verwendung von Halbleitern technisch nutzbar gemacht.

Auch die thermoelektrischen Kühl- und Temperierlösungen der Dr. Neumann Peltier-Technik (DNPT) aus Neuried bei München basieren auf eben diesem Effekt. Das 1956 gegründete mittelständische Familienunternehmen ist spezialisiert auf die Entwicklung, Konstruktion und Fertigung thermoelektrischer Produkte, deren Kern Peltier-Module sind.

Im Zusammenspiel mit klassischen Aluminiumstrangpresskühlkörpern und Lüftern fungieren die Halbleitermodule bei Anlegen eines Stroms als Wärmepumpe. Sie transportieren die Wärme gezielt von einem Kühlkörper zum anderen und ermöglichen so eine effektive und aktive Kühlung eines Schaltschrankes, Gehäuses oder Bauteils.

Peltier-Kühler finden sich überall dort, wo es auf hohe Effizienz bei kleinen und mittleren Verlustleistungen und gleichzeitig sehr kompakte Abmessungen ankommt. Zudem trägt die Peltier-Technik zu einer hohen Regelgenauigkeit und Robustheit der Geräte bei. Sie kommen vor allem in der Schaltschrank- und Oberflächenkühlung sowie bei der Entfeuchtung zur Anwendung.

Sonderapplikationen gibt es unter anderem im Bereich der Sensor- und Labortechnik, Halbleiter-Industrie sowie der Medizintechnik. Da sich die Wirkrichtung der Elemente durch Umpolen der angelegten Gleichspannung umkehrt, lassen sie sich bei Bedarf auch als kombinierte Kühl- und Heiz­elemente einsetzen.

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Peltier-Kühler erbringen zudem präzise definierte, kleine Kälteleistungen und bieten sich daher als Miniaturkühlung beispielsweise für Kleinstbauteile und Gehäuse in Bereichen der Lasertechnik sowie Optomechanik an.

Schaltschränke effektiv kühlen für präzise Funktion

Elektronische Komponenten erzeugen im Betrieb hohe Verlustleistungen – und zwar umso mehr, je leistungsstärker sie sind. Allerdings zeigen viele der komplexen Systeme bei Temperaturen ab 40 °C Ausfallerscheinungen. Diese Temperatur ist schnell erreicht, wenn in einem Schaltschrank eine Vielzahl an leistungsfähigen Steuer- und Regeleinheiten verbaut ist.

Daher ist eine Kühlung des Schaltschrankinneren unerlässlich, um die einwandfreie Funktion der Komponenten und damit der angeschlossenen Maschinen und Anlagen aufrechtzuerhalten.

Die thermoelektrischen Schaltschrankkühlungen von DNPT klimatisieren Schaltschränke zuverlässig und präzise. Sie schützen vor Überhitzung und Feuchtigkeit, können bei Bedarf jedoch auch auf Heizbetrieb umschalten. Eine Hälfte des Kühlaggregats ragt dabei in den Schaltschrank. Hier saugen oftmals Lüfter schrankinnenseitig warme Luft an und leiten sie über extrudierte Kühlkörper aus Aluminium.

Extrudierte Alu-Kühlkörper: Wärmetransport zum Peltier-Element

Diese stellen den Wärmetransport zum Peltier-Element im Zentrum des Geräts sicher, das die dem Schaltschrank entzogene Energie über die außerhalb des Schaltschranks liegenden Aluminium-Rippenkühlkörper und Lüfter an die Umgebung ableitet. Überschüssige thermische Energie wird so dem Schrank entzogen, ohne Luftaustausch zur Umgebung.

Das Peltier-Element zwischen den Kühlkörpern wirkt dabei wie ein leistungssteigernder Kompressorkühler, jedoch ohne klima- und umweltschädliche Kältemittel einsetzen zu müssen.

Im Fall seiner Schaltschrankkühler der Serie FL/FR-416-AC mit einer Kühlleistung von 240 bzw. 300 W bei Innen- und Außentemperaturen von 35 °C setzt DNPT als Verbindung zwischen dem Peltier-Element des Kühlers und der Umgebungsluft CNC-bearbeitete und eloxierte Strangpresskühlkörper aus Aluminium von CTX ein.

Der Full-Line-Anbieter aus Nettetal ist Spezialist für anwendungsspezifische und standardisierte Kühllösungen für industrielle sowie medizintechnische Hochleistungselektronik und hält für nahezu jede Applikation die optimale Kühllösung bereit. Für die Schaltschrankkühler fertigt CTX Aluminium-Rippenkühlkörper nach Abstimmung der Zeichnungen von DNPT.

Oberflächenkühler für spezielle Einsatzbereiche

Eine andere Möglichkeit Schaltschränke zu temperieren, stellen Oberflächenkühler dar, die auf die Schrankoberfläche verschraubt werden. Einschnitte in den Schrank, wie bei der Installation von Schaltschrankkühlern, sind nicht erforderlich. Daher eignet sich diese Geräteart auch für das Temperieren von Flüssigkeitsbehältern oder das direkte und hochpräzise Temperieren von Objekten oder Bauteilen.

Oberflächenkühler für spezielle Einsatzbereiche

Bei den Oberflächenkühlern der Serie GL/GR-104-C (Aufnahmeleistung: 50/100 W) von DNPT gewährleisten Aluminium-Rippenkühlkörper von CTX den Energietransport von der Objektoberfläche zum Peltier-Element. Dabei bildet die Kühlkörperbasis die Kontaktfläche zur Gehäuse-, Behälter- oder Bauteiloberfläche.

Ihre hohe Oberflächengüte ist entscheidend für den vollflächigen Kontakt und damit für eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Jede Unebenheit, jeder Luftspalt verhindert einen optimalen Wärmeübergang. Daher ist die hochgenaue CNC-Bearbeitung der Kühlkörperbasis durch CTX maßgeblich für die Effizienz des Temperiergeräts.

Auslegung der Kühlkörper und Materialwahl

DNPT bezieht diverse Kühlkörpertypen von CTX – darunter die extrudierten Aluminium-Kühlkörper für die Serienproduktion von Schaltschrank- und Oberflächenkühlern. Auch bei seinen Mini-Entfeuchtern, die eine unerwünschte Kondensatbildung im Schaltschrank verhindern, verlässt sich DNPT auf Aluminium-Rippenkühlkörper von CTX. Die kleinen kompakten Kühlkörper fungieren bei dieser Anwendung als Kältefallen, in denen die Feuchtigkeit der Luft kondensiert. Zum Schutz vor Korrosion sind die Kühlkörper in diesem Fall eloxiert.

Weitere extrudierte Kühlkörper, Wasserkühlplatten und CNC-Frästeile kommen in Sonderanwendungen zum Einsatz. Je nach Anwendung und Einsatzgebiet werden die Kühlkörper einer Oberflächenbehandlung unterzogen. Eine Eloxalschicht schützt die Kühlkörper gegen Witterungseinflüsse. Auf Wunsch ist auch die farbliche Gestaltung mittels Lackierung oder Pulverbeschichtung machbar.

Kühlkörper-Auslegung: Welche Parameter sind essentiell?

Bei der Auslegung der Kühlkörper und der Wahl des Materials gilt es jedes Mal einen Kompromiss zu finden aus größtmöglicher Oberfläche für eine maximale Wärmeübertragung bei gleichzeitig minimalem Gewicht und minimalem Materialeinsatz, damit die Geräte handhabbar sind und die Kosten im Rahmen bleiben.

Allerdings gibt es bestimmte Parameter, die kompromisslos eingehalten werden müssen. Dazu zählt beispielsweise eine ausreichend hohe mechanische Festigkeit des Kühlkörpermaterials, um eine sichere Montage zu gewährleisten. Die Aluminium-Strangpress-Kühlkörper von CTX erfüllen diese Vorgaben vollumfänglich.

Die Kühlkörper für Serienprodukte liefert das Unternehmen aus Nettetal gemäß Zeichnungsvorgaben von DNPT. Auch bei Sonderanfertigungen erstellt DNPT zunächst das Kühlkonzept und erste Zeichnungen. „Wir prüfen die Machbarkeit und stimmen ggf. Änderungswünsche seitens der Fertigung mit DNPT ab. Allerdings sind uns generell weder Geometrien noch Innenleben der jeweiligen Anwendung bekannt“, erläutert Arthur Brinkmann aus dem Vertrieb von CTX das Vorgehen.

„Für uns sind neben der exakten Fertigung nach unseren Vorgaben und Toleranzen auch die zuverlässige Einhaltung der Liefertermine und eine saubere, beschädigungsfreie Lieferung essentiell“, erklärt Maximilian Freundorfer, Geschäftsführer von DNPT.

„Bei CTX können wir uns darauf absolut verlassen.“ DNPT schätzt neben der verlässlichen Liefertreue, dem großen Fertigungsumfang und der gleichbleibend hohen Fertigungsqualität zu marktfähigen Preisen auch die zahlreichen kostenlosen Zusatzleistungen von CTX – u.a. thermische Simulationen inklusive Bereitstellung der Ergebnisse – sowie das freundliche Vertriebspersonal und den hervorragenden technischen Support.

* Wilfried Schmitz ist Geschäftsführer von CTX Thermal Solutions in Nettetal.

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