Bauteile und Elektronik im Schaltschrank werden bei gleichbleibender Schaltfunktion immer kompakter. Dies führt jedoch nicht zu einer sinkenden Wärmeverlustleistung und kann auch die Wärme-Entwicklung im Schaltschrank nicht verhindern. Ganz im Gegenteil: Durch wärmeproduzierende Bauteile addiert sich Hitze und die Wärme nimmt kontinuierlich zu. Die Folge: Es entstehen ‚Hot Spots‘. Bei den an diesen Wärmenestern positionierten Bauteilen ist von einer sinkenden Lebensdauer auszugehen. Mit anderen Worten: Ein schleichender Wärmetod ist vorprogrammiert. Letztendlich bringen die Komponenten nicht mehr die gewünschte Leistung, fallen aus und führen zu einem Stillstand der Anlage beziehungsweise Maschine. Kurzum: Innovative Bauteile im Schaltschrank bringen in der Regel die negative Konsequenz mit sich, dass zunehmend gekühlt werden muss.

Ist der Einsatz eines herkömmlichen Kühlgerätes die Lösung? Bisher erfolgt die Dimensionierung der Kühlgeräte für eine Innentemperatur im Schaltschrank von etwa 25 bis 30 °C bei einer höchstmöglichen Umgebungstemperatur auf die theoretisch maximal notwendige Kühlleistung. Dies bedeutet, dass überdimensionierte Kühlleistungen eingebaut, aber meist nicht unmittelbar benötigt werden. Verschärft wird die Problematik noch durch die Erderwärmung mit ihren Temperaturspitzen – auch in gemäßigten Zonen, wie zum Beispiel Deutschland.

Bild 1: Rückansicht eines Airstream-Rahmens mit Airblade zur zielgerichteten Kühlluftführung (unten links) und Airblower zur Homogenisierung des Schaltschrankklimas (oben).

© Lütze

Demnach ist die Lösung des Problems nicht der Einsatz eines überdimensionierten Kühlgerätes; vielmehr geht es um die Entwicklung einer intelligenten Kühlluftführung im Schaltschrank (Bild 1). Wie ein solches Lösungskonzept aussehen kann, soll im Folgenden am Beispiel des sogenannten AirStream-Konzeptes von Lütze veranschaulicht werden. Dieses umfasst neben dem Verdrahtungssystem, welches mit allen gängigen Schaltschränken kompatibel ist, einen Online-Konfigurator sowie ein Online-Tool zur Berechnung der Thermik und Optimierung bestehender wie neu geplanter Schaltschränke.

Bevor mit Hilfe des Online-Konfigurators der Verdrahtungsrahmen geplant wird, gilt es Hintergrundinformationen für die Geometrie und die Definition, wie beispielsweise die Höhe, die Breite oder die Tiefe des Schaltschrankes, zu sammeln. Der Verdrahtungsrahmen wird individuell an die Komponenten angepasst. Der Rahmen selbst besteht aus Aluminium-Modulen, bei dem für die Verdrahtung eine weitere Ebene in der Tiefe des Schaltschranks hinter den Bauteilen genutzt wird. So gibt es keine lüftungstechnisch ungünstigen Kabelkanäle mehr. Der Rahmen kann dann optimal angepasst werden und ist in wenigen Schritten online planbar. Das Resultat dieser Planung wird in einer Datei ausgegeben, die sich in jedes CAD-Programm importieren lässt. Konstrukteure profitieren mit der Integration des Verdrahtungssystems im Eplan-Portal darüber hinaus von Engineering-Tools wie Projektierung, 3D-Layout, Fertigung und Montage.

Zusätzliche Hilfestellung bei der Planung des Verdrahtungssystems bietet seit Kurzem die webbasierte AirTemp-Anwendung. Das Tool zur Wärme-Analyse ermöglicht spontane und schnelle Analysen unterschiedlicher Verdrahtungsarten und Kühlsysteme und liefert darauf basierend fundierte Ergebnisse zur Wärme-Entwicklung und -verteilung im Schaltschrank. Mit anderen Worten: Der Wärmesimulator bietet die Möglichkeit einer Wärmeprognose, die über eine einfache Ist-Zustandsbeschreibung hinausgeht, und erlaubt damit bereits in der Konstruktionsphase eine Bestimmung der Wärme-Entwicklung im Schaltschrank.

Unter anderem lassen sich auf diese Weise die unterschiedlichen Temperaturschichten im Schrank – egal ob mit Montageplatte oder Verdrahtungssystem – präzise bestimmen. Hierzu wird der Schaltschrank in drei Zonen (oben, Mitte, unten) eingeteilt. In den Zonen kann die Temperatur exakt definiert werden. Zunächst muss der Anwender die Eckdaten bestimmen. Beispielsweise ob der Schaltschrank freistehend ist oder ob er an eine Wand angebaut wird. Anschließend muss lediglich die Verlustleistung der eingebauten Komponenten eingegeben werden. Darauf basierend liefert das Tool schließlich Daten und Informationen beispielsweise darüber, wie sich die Anordnung der Bauteile im Schaltschrank aus thermischen Gesichtspunkten verbessern lässt beziehungsweise wie Kühlmöglichkeiten sich innerhalb des Schaltschrankes auswirken. Ziel muss es letztlich sein, die Bauteile bereits in der Planungsphase des Schaltschrankes optimal zu platzieren und so die Effizienz zu steigern.

Luftströme zielgenau führen

Eine sehr effiziente Möglichkeit, das Klima im Schaltschrank zu homogenisieren beziehungsweise Wärmenester direkt zu belüften, ist die zielgenaue Führung der Luftströme über Luftleitbleche (AirBlades) in Kombination mit entsprechenden Lüftern (AirBlower). Die Entwärme-Leistung des Schaltschranks wird dadurch deutlich verbessert. Die Praxis zeigt, dass auf diese Weise das Temperaturniveau im Schaltschrank innerhalb weniger Minuten ausgeglichen und um bis zu 10 Kelvin gesenkt werden kann.