Zwei Aspekte stehen bei modernen Schaltschränken im Vordergrund: ein möglichst geringer Platzbedarf und eine hohe Packungsdichte. Gleichzeitig sind unterschiedlichste physikalische Gegebenheiten zu berücksichtigen, die sowohl die Energie-Effizienz als auch die Lebensdauer der installierten Komponenten maßgeblich beeinflussen. 

Industrielle Elektronik ist heute in aller Regel robust ausgelegt und widersteht beispielsweise Vibrationen oder Schwing- und Schock-Prüfungen problemlos. Zudem lassen sich Komponenten und Systeme so konstruieren, dass weder Feuchte noch Nässe eindringen können.

Enthitzung durch Zirkulations­strömung – auch ohne aktive ­Kühlung.

© Lütze

Anders ist es mit der Hitze: Sie ist nach wie vor der große Feind jeglicher Elektronik! Wirkungsgrade von teils über 90 % sind bei elektronischen oder elektrischen Geräten und Maschinen oft Standard. Somit ist es kein Problem, kompakte und verdichtete Bauweisen anzuwenden, der Platzbedarf sinkt je installiertes Watt. Aber auch wenn die Energie-Effizienz dank hohem Wirkungsgrad sehr groß ist, konzentriert sich die Hitze auf einen eng begrenzten Bereich und kann dort schnell sehr hohe, kritische Werte erreichen. Zudem ergibt die kompakte Bauweise weniger Oberfläche, was die Wärme-Abgabe an die Umgebung verringert. Hierdurch steigt die Gefahr von Wärme-Nestern beziehungsweise Hotspots, was sich mit zunehmender Packungsdichte verschärft.

Eine Möglichkeit, dieser Gefahr entgegenzuwirken, sind kanallose Verdrahtungssysteme, wie sie beispielsweise von Lütze angeboten werden. Da Kabelkanäle wegfallen, ergibt sich ein Platzgewinn von 30 %; zudem wird die natürliche Konvektion durch eine Verringerung strömungsberuhigter Zonen unterstützt. Eine weitere thermodynamisch wichtige Eigenschaft kanalloser Verdrahtungssysteme ist die Aufteilung in eine Montage- und eine Verdrahtungs- beziehungsweise Kabelführungsseite. 

Die Firma Lütze hat in enger Koope­ration mit dem Institut für Thermo­dynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart sowie dem Fraunhofer-In­stitut die Ergebnisse diverser Forschungsprojekte zum Thema ‚Thermisches Verhalten im Schaltschrank‘ in Form von Analysen, Feldversuchen und Simula­tionen zusammengeführt und so neue Ideen für ein optimiertes und ausge­glichenes Schaltschrankklima umgesetzt. Eine dieser Ideen kombiniert die klare Aufteilung in eine vordere Montage-Ebene und eine hintere Ebene für Verdrahtung und Kabelführung einerseits und den Wegfall insbesondere der horizontal angebrachten Kabelkanäle andererseits. Dadurch wird eine eigentliche Zirkulationsströmung erst ermöglicht, respektive die natürliche Konvektion angeregt und unterstützt. Dieser positive Effekt wirkt auch ohne aktive Kühlung und ist messbar. Beim Einsatz eines Klimagerätes erhöht sich die Effizienz der Kühlung ebenfalls messbar.

Platzgewinn, was nun?

Die hohe Packungsdichte in einem kleineren Gehäuse erfordert eine größere Kühlleistung, die kostentreibend ist und die Energie-Effizienz negativ beeinflusst. Durch eine gezielte Positionierung großer Wärme-Lasten nahe dem Kühlluft-Eintritt lassen sich zwar die thermodynamischen Probleme etwas entschärfen, nicht aber beheben. Gleiches gilt, wenn die Platzierung der Komponenten konsequent nach Verlustleistungen optimiert wird.

... kann die ­Kühlleistung reduziert werden.

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Der Hardware-Planer kann auch einen umgekehrten Ansatz verfolgen: So lässt sich zumindest ein Teil des gewonnenen Platzes für eine sogenannte ‚aufgelockerte Packungsdichte‘ durch eine auseinandergezogene und großzügigere Anordnung der Komponenten nutzen. Dadurch werden strömungsberuhigte Zonen im oberen Teil des Schaltschrankes vermieden oder verringert. Dies unterstützt die natürliche Luft-Konvektion oder behindert sie zumindest weniger, die Kühlleistung kann reduziert werden. 

Dieser Effekt lässt sich weiter unterstützen. Das kanallose Verdrahtungssystem ‚Airstream‘ von Lütze bietet in der aktuellen 2. Generation eine gewölbte Core-Struktur der Profile, was die Torsionsfestigkeit erhöht. 

Der Vorteil gewölbter Profile

Die Luft-­Umströmung bei gewölbten Profilen sorgt für eine optimale Hinterlüftung.

© Lütze

Ohne Zusatzaufwand lassen sich schwerere und größere Komponenten sicher und stabil auf der DIN-Schiene montieren. Die dünnen Profile verschlanken den Schaltschrank und werden so installiert, dass sie dem kühlenden Luftstrom ausgesetzt und optimal hinterlüftet werden.

Bauteile mit großer Verlustleistung und entsprechend hoher Wärme-Abgabe wie etwa Frequenzumrichter oder Netzgeräte verdienen allerdings besondere Beachtung. Solche wärmekritischen Bauteile sollte der Schaltschrank-Konstrukteur gezielt kühlen und damit die Lebensdauer (MTBF) oder die Effizienz (kein De-Rating) erhöhen. Hierzu bietet sich ‚Airblade‘ an, um die Luftströme im Schaltschrank zielgenau zu führen: Dabei wird ein Teil des Luftstromes direkt zu den Komponenten mit großer Verlustleistung umgelenkt und die Luftzirkulation im Schaltschrankinneren optimiert. 

Ist ein Klimagerät nötig?

Kühl- und Verlustleistung im Verhältnis: Deutlich erkennbar ist der Einfluss von Klimakomponenten auf die maximale Temperatur im freien Luftvolumen.

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Die erwähnten Studien und Simulationen haben aufgezeigt, dass ab einer installierten Verlustleistung von >600 W ein aktives Kühlgerät unumgänglich ist, unabhängig davon, ob der Schaltschrank freistehend oder als Wandanbau positioniert wird. Erfolgt die Schaltschrank-Klimatisierung wie im Fall der freien Kühlung mit Umgebungsluft als Wärme-Senke, ist die Lufttemperatur im Schaltschrank-Inneren immer höher als die Umgebungstempe­ratur. 

Hier stellt sich die Frage, welcher Typ Klimagerät und welche Leistung eingesetzt werden und wo dieses Gerät anzubringen ist, ob lateral, frontal oder als Dachaufbaugerät. Auch die Frage, ob durch eine aufgelockerte Packungsdichte und Vermeidung von Strömungstotgebieten auf ein aktives Kühlgerät verzichtet werden kann, erfordert genauere Untersuchungen.

In vielen Situationen kann es durchaus genügen, mit einem Umluftgebläse nur die Konvektion zu unterstützen – beispielsweise mit dem ‚Airblower‘. Dieses leistungsarme Gebläse wird von der Frontseite im oberen Bereich des Schaltschrankes werkzeuglos eingehängt und arretiert. Die erwärmte Luft wird angesaugt, rückseitig nach unten geblasen und generiert dadurch einen kontinuierlichen Zirkulationsstrom. Des Weiteren wird permanent Wärme über die Seitenwände abgegeben. Die Lüfter lassen sich individuell zuschalten und takten. Dabei werden mit einem Luftvolumen von 510 m³/h in wenigen Minuten die Temperaturschichten homogenisiert, das Temperaturniveau lässt sich um bis zu 10 K reduzieren. Drei im Schaltschrank platzierte Sensoren erfassen die Temperatur, eine parametrierbare Regeleinheit übernimmt die Signalverarbeitung und versorgt den Lüfter mit Leistung (24 V DC). 

Unternehmenseigene Messreihen haben ergeben, dass der Einsatz des Airblower in vielen Fällen zur Kühlung des Schaltschrankes genügt. Da hierbei nur die Luft im Inneren kontrolliert bewegt und keine externe Luft angesaugt wird, lassen sich solche Schränke zudem gemäß Schutzart IP67 vollkommen dicht bauen und somit auch im hygienisch kritischen Einsatz nutzen – wie etwa im Nahrungsmittel- oder Medizinbereich.

Autoren:
Peter Burger ist Niederlassungsleiter bei Lütze in der Schweiz;
Michael Bautz ist Produktmanager Cabinet bei Friedrich Lütze in Weinstadt.