Zugegeben: Kompressorkühler der neuesten Generation sind erstaunlich energieeffizient. Der verhältnismäßig hohe Anschaffungspreis wird von den Nutzern in der Regel akzeptiert, da sich die Kosten nachweisbar über die Energie-Einsparung amortisieren. Es stellt sich jedoch die Frage, ob nicht grundsätzlich das bestehende Klimatisierungskonzept im Schaltschrank zu überdenken ist. Seit Jahrzehnten ist es üblich, Elektronik durch eine Begrenzung der Schaltschrank- Innentemperatur zu schützen. Unnötigerweise ist dabei die Elektronikmodul-Innentemperatur meist um etwa 12 bis 15 °C höher, als die Schaltschrank-Innentemperatur. Die Ursache hierfür sind die Gehäuse, welche die Elektronikmodule umgeben und somit die Wärme-Abfuhr an die Umgebung behindern.

Nochmals zum Verständnis: Gegenwärtig wird die Schaltschranktemperatur auf etwa 35 °C begrenzt, diese Einstellung der Thermos-tate hat sich in der Praxis bewährt. Die Elektronikmodule sind dann aber bereits 47 bis 50 °C warm. Für letztere stellt dies kein Problem dar – dafür sind sie gebaut beziehungsweise hinsichtlich ihrer spezifizierten Lebensdauer ausgelegt. Warum also nicht eine Temperatur von 50 °C im Schaltschrank zulassen, sofern die Elektronikmodul-Temperatur nicht höher ist als die Temperatur im Schaltschrank? Dafür wäre dann aber in unserer Klimazone kein Kühlgerät mehr nötig. Stattdessen reichte ein normaler Filterlüfter am Schrank. Für die kräftige horizontale Konvektion durch die Elektronikmodule sorgt ein Axiallüfter auf der Hutschiene.

Der nachfolgend im Detail beschriebene Lösungsansatz setzt auf einem weiteren, bereits etablierten Industriestandard auf – der Hutschienen-Technologie. Wie in Bild 1 zu sehen, befindet sich auf der oberen Hutschiene zunächst ein Luft- beziehungsweise Staubfilter gefolgt von einem Axiallüfter. Nach einem größeren Zwischenraum folgt ein Temperatursensor mit integrierter ‚Intelligenz‘ zur Überwachung und Steuerung aller Betriebszustände. Der Zwischenraum lässt sich durch anwendungs- beziehungsweise herstellerspezifische Module – also Netzteile, SPS, I/O-Module etc. – füllen. Vorausgesetzt, dass diese Module horizontal luftdurchgängig sind, bilden sie einen durchgängigen Luftkanal und lassen sie sich nun durch einen horizontalen Luftstrom direkt entwärmen (Bild 2).

Bild 3. So könnte die Anordnung eines umlaufenden Luftkanals im Schaltschrank aussehen. Durch eine steuerbare Klappe ist sowohl ein offener Luftkanal als auch ein geschlossener umlaufender Luftkanal möglich.

© Meininger

Um einen umlaufenden Luftkanal wie in Bild 3 dargestellt zu realisieren, müssen mindestens zwei Hutschienenzeilen verbunden werden. Diese Aufgabe übernimmt im angedachten Konzept ein vertikaler Luftschacht (3), der in der Höhe anpassbar ist und einfach auf der Hutschiene montiert wird. Ein ebenfalls längenverstellbarer horizontaler Luftschacht (4) überbrückt Leerpositionen zwischen den anwendungsspezifischen Modulen (Ax). Die steuerbare Klappe (6) ermöglicht in Stellung ‚rote Klappenposition‘ einen offenen Luftkanal. Die aus dem Schrank kommende Luft strömt dann nach oben durch die Anwendermodule und entweicht an der Klappe wieder in den Schrank zurück. Alternativ kann die angesaugte oder ausgeblasene Luft außerhalb des Schrankes entnommen beziehungsweise nach außen geblasen werden.

In der Stellung ‚blaue Klappenposition‘ besteht ein geschlossener umlaufender Luftkanal. Der Temperatursensor (5) misst die Luftkanal-Temperatur und die Schaltschrank-Innentemperatur. Mit Hilfe weiterer Informationen (Tachosignal und Störmeldungen des Lüfters) steuert die eingebaute Intelligenz die Klappe und die Lüfterdrehzahl sowie den Peltierkühler (1). Dabei ist der kalte Kühlkörper des Peltierkühlers perforiert, so dass dieser für die umlaufende Luft durchgängig ist.

Wenn von vorneherein klar, dass ausschließlich mit umlaufendem Luftkanal gearbeitet werden kann, ist die steuerbare Klappe nicht erforderlich. Im Hygiene-bereich entsteht somit keine Staub- und damit keine Keimbildung. In Ex-Zonen sind geschlossene Schaltschränke denkbar und bei aggressiver Atmosphäre wäre die Elektronik geschützt. In diesem Fall würde ein weiterer vertikaler Luftschacht (3) statt der Klappe genügen.

Der energetisch entscheidende Vorteil bei umlaufend geschlossenem Luftkanal besteht darin, dass nur die Verlustleistung der Elektronik über ein Kühlgerät abgeführt werden muss. Im Bild 3 ist dies eben ein Peltier-Kühler. Der heiße Teil des Kühlers befindet sich in diesem Fall außerhalb des Schrankes, der kalte Kühlkörper ist in den umlaufenden Luftkanal integriert. Wichtig dabei: Bei offenem Luftkanal darf der Peltier-Kühler wegen der Kondenswasserbildung nicht arbeiten.

Der Rest des Schaltschrankes wird nur noch mittels Filterlüfter ventiliert. Die gesamte Wärme, die durch die Außenwärme (Umgebungstemperatur des Schrankes) auf den Schaltschrank wirkt, und die Verlustleistung der Elektrik ­erfordert keine aktive Kühlung mehr. Sofern nichts dagegen spricht – man denke etwa an den Hygienebereich – kann bereits bei einer Schaltschrank-Innentemperatur knapp unterhalb 50 °C die Klappe auf ‚offen‘ geschaltet ­werden, damit auch die aktive Kühlung der Elektronik abgeschaltet werden kann.

Bei hoher Verlustleistung der Elektronik, sprich bei höherer erforderlicher Kühlleistung, ist ein Peltierkühler ungeeignet weil der Wirkungsgrad dieser Geräte schlecht ist und die Kälteleistung bei etwa 250 W endet. In größeren Schränken wäre es daher denkbar, einen Wärmetauscher in den umlaufenden Luftkanal auf der Hutschiene zu integrieren.

Hotspots werden gezielt abgekühlt

Was ändert sich nun konkret mit der erzwungenen horizontalen Konvektion mittels Axialgebläse? Bekannt ist, dass eine Erhöhung der Betriebstemperatur um 10 °C – bezogen auf die maximale zulässige Betriebstemperatur – die Lebensdauer der Elektronik um die Hälfte reduziert. Aus diesem Sachverhalt ergibt sich bei einer Anordnung nach Bild 1 Folgendes: Die Anwendermodule nach dem Axialgebläse haben nun eine Innentemperatur, die in etwa der Schaltschrank-Innentemperatur entspricht. Zudem werden Hotspots auf den Platinen bei geschickter Luftführung deutlich abgekühlt. Mit anderen Worten: Die Temperaturunterschiede (ΔT) innerhalb eines Moduls werden geringer, was einen günstigen Einfluss auf die Ausfallquote der Elektronik hat.

Die beiden Effekte – Reduzierung der mittleren Elektroniktemperatur und eine deutliche Verringerung des ΔT – dürften zusammengenommen die Ausfallquote der Elektronik, im Vergleich zum jetzigen Stand der Technik, mehr als halbieren, sofern die Schaltschrank-Innentemperatur auf 35 °C gehalten wird. Interessanter und sinnvoller ist es aber, wenn man die bisherige Elektronikmodul-Innentemperatur von 47 bis 50 °C akzeptiert. In unserer Klimazone bräuchte man dann, wie bereits erwähnt, kein Kühlgerät mehr. Stattdessen würde ein Filtergebläse am Schaltschrank ausreichen. Der Vorteil des geringeren ΔT bleibt erhalten.

Eigenwärme reicht zum ­Heizen

Falls ein Schaltschrank beheizt werden muss, zum Beispiel 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 diese eigene Themenfeld einzugehen, lässt sich in diesem Zusammenhang kurz festhalten: Das Heizen eines Schaltschrankes erfordert deutlich mehr Energie als das Kühlen. Die CO2-Einsparung ist hier somit besonders hoch. Ein Hutschienenheizgerät, das in den Luftkanal integriert wird, kann trotzdem Sinn machen, um die Elektronik erst einmal vorzuheizen und zu entfeuchten, bevor diese eingeschaltet wird. Im laufenden Betrieb braucht dieses Heizgerät dann nicht mehr aktiv zu sein.

Bild 4. Vergleich des Energie-Einsatzes bisher und nach dem neuem Konzept. Die Grafik macht einerseits deutlich, dass Energie gespart wird und andererseits auch die Technik zur Erzeugung der Kälte beziehungsweise Wärme entfällt oder wesentlich kleiner dimensioniert ist.

© Meininger

Zusammenfassend lässt sich festhalten: Das Innenleben der Schaltschränke könnte sich unter den neuen thermischen Bedingungen grundlegend zum Vorteil verändern (Bild 4). Elektronik auf der Platine ließe sich kompakter bauen. Zudem sollte man vor Augen haben, dass sich in den nächsten zehn Jahren die Anzahl der Transistoren und Zusatzbestandteile pro Computer-Chip verhundertfachen wird und somit weitaus mehr Wärme entsteht, als es bei den derzeit in Verwendung befindlichen Chips der Fall ist. Haarfeine Mini-Pump-Systeme werden dann die Hitze aus den Chips pumpen. Mittels der erzwungenen kräftigen Konvektion könnte diese Wärme auf kleinstem Raum abgegeben werden und müsste nicht über mächtige Kühlkörper abgeführt werden.

Damit nicht genug: Hutschienenzeilen können enger zusammenrücken, da die vertikale Konvektion keine Rolle spielt. Und auch die Elektrik wird sich verändern: Zum Beispiel wird der Temperaturbeiwert von Sicherungsautomaten kompensiert werden müssen, um bei größeren Temperaturschwankungen die Auslöseschwelle zu stabilisieren. Kurzum: Neue Begriffe in der Modulherstellung werden Einzug halten: ‚Strömungstechnik‘ und ‚Mikroentwärmung‘.

Autor: Armin Meininger ist staatlich geprüfter Techniker mit Schwerpunkt Datentechnik.

Mehr als eine Vision?

Welche Motivation steckt hinter der Idee, das Thema Schaltschrank-Klimatisierung umzukrempeln und wie realistisch ist dieser Ansatz? Armin Meininger, geistiger Vater des geschilderten Konzeptes, bezieht Stellung.

Herr Meininger, was hat Sie konkret dazu bewogen, ein komplett neues Konzept der Schaltschrank-Klimatisierung zu entwickeln?
■ Meine persönliche Triebfeder bei dieser Entwicklung war die enorme Bedeutung für eine CO2-Reduktion angesichts der hohen Anzahl von Schaltschränken mit aktiver Kühlung weltweit. Bisher wird unnötigerweise die Elektrik komplett mit Kompressorkühlern entwärmt, sofern auch nur ein einziges Elektronikmodul im Schrank steckt und die Schranktemperatur von etwa 35 °C überschritten werden könnte. Mit Verlaub, das ist Unsinn.

Armin Meininger: „Die Frage ist, wie ernst nehmen wir es mit der CO2-Reduktion?“

© Meininger

Zweifler an Ihrem Konzept – insbesondere auf Herstellerseite – werden entgegenhalten, dass dafür alle Modul-anbieter ihre Gehäuse umkonstruieren müssten. Was antworten Sie darauf?
■ Dies ist in der Tat so. Wenn man sich allerdings die offensichtlichen Vorteile vor Augen hält, die sich sowohl bei offenem und besonders bei einem geschlossenem Luftkanal ergeben, liegt es an den Anwendern – sprich der Nachfrage­seite – von den Herstellern entsprechende Lösungen beziehungsweise Komponenten einzufordern. Man muss nur damit beginnen, einige Basismodule für Querlüftung anzu­bieten – dazu wären auch Kooperationen sinnvoll.

Ist der Markt überhaupt groß genug, damit ein solcher Paradigmenwechsel auch für die Hersteller reizvoll sein könnte?
■ Ich meine ja. Jährlich werden etwa 20 Millionen Schaltschränke gebaut und bestückt. Selbst wenn nur 0,5 % dieser Schaltschränke mit der einfachsten Variante der neuen Technik – dem offenen Luftkanal – ausgestattet würden, ergäbe sich ein Jahresumsatz von über 40 Millionen Euro, ohne Anwendermodule.

Aber ich gebe Ihnen Recht: Neue Entwick­lungen werden von der Industrie naturgemäß nicht immer freiwillig um,esetzt – insbe­sondere wenn dabei bestehende Produkte kannibalisiert werden und mit ihnen unterm Strich weniger Umsatz gemacht wird. In dem Zusammenhang möchte ich aber nochmals betonen, dass die neue Technik auch in Schaltschränken Sinn macht, die bisher schon kein Kühlgerät benötigten – Stichwort Halbierung der Ausfallquote.

Eine letzte Anmerkung: Häufig wird kritisiert, dass die Hersteller bei dem neuen Ansatz in der freien Ge­staltung ihrer Module eingeschränkt würden. Das Gegenteil ist der Fall: Da die Lüftungsschlitze oben und unten an den Gehäusen wegfallen, gewinnen sie sogar an gestalterischer ­Fläche.