Von Ralf Schneider

Ein typischer Schaltschrank ist heute deutlich voller, als es noch vor 20 Jahren der Fall war. Und wenn auch in der elektrischen Antriebstechnik ein hoher Wirkungsgrad möglich ist, wird doch ein beachtlicher Anteil der eingesetzten elektrischen Energie nicht in mechanische Arbeit umgewandelt, sondern als Verlustleistung in Wärme. Die Verlustleistung typischer Komponenten wie Frequenzumrichter, Servoverstärker oder Gleichrichter kann dabei in Summe enorm sein: Werte von mehr als 1 kW pro Schaltschrank sind nicht unüblich. Werden hier keine Gegenmaßnahmen ergriffen, hat dies eine Temperaturerhöhung und letztlich eine Schädigung der eingebauten Komponenten zur Folge. Auch die Kühlung wird komplizierter, da wirkungsvolle Strömungswege für die kühle Luft bereit gestellt werden müssen. Somit ist die richtige Anordnung der Komponenten innerhalb eines Schaltschranks eine wichtige Voraussetzung für eine effiziente Schaltschrank-Klimatisierung. Generell müssen dazu die Angaben eingehalten werden, die in den Gerätehandbüchern der Hersteller vorgegeben sind – insbesondere hinsichtlich der Mindestabstände zu anderen Komponenten und zur Schaltschrankwand.

Ungestörte Strömungswege

Der Führung der Kaltluft vom Klimagerät in den Schaltschrank hinein und innerhalb des Schaltschrankes kommt entscheidende Bedeutung zu. Denn es nützt nichts, wenn das Klimagerät zwar ausreichend Kühlleistung zur Verfügung stellt, die kalte Luft aber nicht an den Komponenten ankommt, die die Verlustleistung und damit die Wärme erzeugen.

Die Packungsdichte in einem typischen Schaltschrank hat in den vergangenen 20 Jahren deutlich zugenommen: links ein Schaltschrank aus dem Jahr 1988, rechts einer aus dem Jahr 2007.

Die Ausführung der Kühlgeräte muss sich hauptsächlich an den Schrankmaßen, dem Raumangebot in der Schrankumgebung sowie an der Anordnung der zur kühlenden Komponenten im Schrank orientieren. Dabei ist zu beachten, dass die Kaltluft stets unterhalb der aktiven Komponenten, die die Wärme produzieren, in den Schaltschrank eintreten sollte – der Kaltluftstrom also immer von unten nach oben erfolgt. Ist dies durch die Anordnung des Klimageräts nicht direkt möglich – weil zum Beispiel das Klimagerät weiter oben eingebaut werden muss –, kann ein Luftleitblech dafür sorgen, dass die Kaltluft zunächst in den Bodenbereich unterhalb der zu kühlenden Komponenten gelangt.

Prinzipiell ist die Anbringung des Kühlgeräts in der Schaltschranktür der Anbringung an einer Seitenwand vorzuziehen. Ansonsten besteht das Risiko, dass ein Umrichterverband seitlich mit Kaltluft angeströmt wird und die Kaltluft teilweise ungenutzt unterhalb des Umrichterverbandes vorbeiströmt. Zudem besteht das Risiko, dass im Schaltschrank eine Zirkulationsströmung entsteht, die erwärmte Luft aus dem Schrankbereich oberhalb der aktiven Komponenten in den Bodenbereich des Schrankes transportiert. Um eine solche Rückströmung zu vermeiden, bietet es sich an, Abschottungen zwischen dem Umrichterverband und den Schrankwänden anzubringen.

Besonders platzsparend lassen sich Kühlgeräte oben auf einem Schaltschrank anbringen. Da in diesem Fall die kalte Luft jedoch von oben in den Schaltschrank eintritt, ist der Einbau von Luftkanälen angeraten, die dafür sorgen, dass die kalte Luft gezielt die Umrichterverbände erreicht. Aber Vorsicht: Ein Luftkanalsystem verringert die Kühlleistung.

Abstand tut Not

CFD-Analysen dienen dazu, die Temperaturverteilung in einem klimatisierten Schaltschrank zu berechnen.

200 mm – dieser Abstand sollte mindestens zwischen den aktiven Komponenten und der Eintrittsöffnung der Kaltluft eingehalten werden. Beim Einbau des Kühlgerätes in der Tür ist dies in aller Regel bereits durch den Abstand zwischen Schaltschranktür und Montageplatte gegeben. Die 200-mm-Regel gilt ebenso zwischen der Austrittsöffnung des Luftkanals und der zu kühlenden Komponente bei Luftkanalsystemen. Müssen Antriebsverbände mehrzeilig aufgebaut werden, sind die von den Herstellern angegebenen Mindestabstände besonders zu beachten. Darüber hinaus sollten Antriebsverbände möglichst versetzt angeordnet werden – anderenfalls trifft die warme Abluft des unteren Antriebsverbandes direkt auf den oberen.

Bei der Installation eines Schaltschranks ist auch darauf zu achten, dass beispielsweise Leitungen die Luftströmung innerhalb des Schaltschrankes nicht behindern. Direkt unter- und oberhalb der Luftein- und -austrittsöffnungen der aktiven Komponenten sollten keine Leitungen verlegt werden. Eine simple und doch wirkungsvolle Lösung, die zur effizienten Schaltschrankklimatisierung beitragen kann, ist eine an der Schaltschranktür angebrachte Tasche zur Unterbringung der Schrankdokumentation. Sie hilft zu vermeiden, dass Unterlagen unachtsam einfach in den Schaltschrank gelegt werden und dort die Eintrittsöffnungen der Kaltluft verschließen – mit eventuell fatalen Folgen.

Belastete Umgebungsluft

In staubiger Umgebung sind besondere Vorsichtsmaßnahmen zu beachten, denn hier müssen Filtereinrichtungen das Klimagerät gegen Staub schützen. Ablagerungen im Bereich des Verflüssigers des Klimageräts könnten sonst schnell zum Absinken der Kühlleistung führen. Als Filter finden sich hier häufig Wirrfaserfliese. Diese sind allerdings nicht die beste Wahl, da sie sich aufgrund des hohen Luftdurchsatzes und des feinporigen Filteraufbaus schnell mit Staub zusetzen. Besser geeignet sind Filter aus Schaumstoff, etwa aus Polyurethan, oder aus Metall. Ist die Umgebungsluft mit Öl belastet, empfehlen sich Metallfilter, weil diese sich einfach reinigen lassen. Liegt allerdings der Schwerpunkt auf einer Reduzierung der Service- und Wartungsintervalle bei Kühlgeräten sowie auf einer möglichst gleichbleibenden Kühlleistung, so sind in ölhaltiger Umgebungsluft Geräte mit schmutzabweisender Nano- Beschichtung der Verflüssigerlamellen (serienmäßig beispielsweise bei den „TopTherm-Plus“-Kühlgeräten von Rittal) vorzuziehen.

Autor

Ralf Schneider ist Leiter International Sales Support, Rittal System-Klimatisierung, Herborn.

Der Wärmetransport

Um das Innere eines Schaltschranks zu kühlen, muss Wärme-Energie aus dem Inneren abtransportiert werden. Für diesen Wärmetransport stehen die drei physikalischen Grundprinzipien Wärmeleitung, Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmestrahlung zur Verfügung.

Bei der Wärmeleitung kommt es darauf an, Materialien zu verwenden, die eine gute Wärmeleitfähigkeit haben. Wärmeströmung basiert darauf, dass die Wärme-Energie an einer Grenzfläche in ein Medium (meist Luft) übergeht, das dann weitertransportiert wird. Die Menge der an das Medium abgegebenen Wärme ist proportional zur Oberfläche des Kühlkörpers – ein Effekt, den man mit der Rippenstruktur von Kühlkörpern nutzt. Häufig dienen Lüfter dazu, die warme Luft von den zu kühlenden Komponenten abzutransportieren. Die Wärmestrahlung schließlich hängt sehr stark von der Temperatur des Körpers ab und spielt deswegen vor allem bei höheren Temperaturen eine wichtige Rolle.

Um die entstehende Wärme aus einem Schaltschrank abzutransportieren, gilt es, alle drei Wirkmechanismen geschickt einzusetzen oder zu kombinieren. Das Ziel ist, stets einen thermischen Pfad zu schaffen, mit dem sich die Energie möglichst effizient von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke bewegen lässt. Wärmesenke (Quelle für kalte Luft) ist dabei in der Regel ein Klimagerät, das an einer Wand oder Tür des Schaltschranks angebaut oder oben auf diesem montiert wird.

Bei der Auswahl des Klimageräts muss vor allem darauf geachtet werden, dass die Summe der Verlustleistungen der installierten Komponenten die spezifische Kühlleistung nicht überschreitet.