Passive Kühlung durch das Außengehäuse durch gute Wärme-Anbindung zur Kamera.

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Weil beim Einsatz in rauen Bedingungen ein Kameraschutzgehäuse ohnehin erforderlich ist, besteht ein Lösungsansatz darin, das Außengehäuse als Kühlkörper zu verwenden. Dies lässt sich dadurch realisieren, dass der Wärme-Übergang zwischen der Kamera und dem Außengehäuse so stark reduziert wird, dass alle Komponenten nahezu die gleiche Temperatur aufweisen.

Bei einem konventionellen Kameraschutzgehäuse wird die Kamera in der Regel zunächst mit einem dünnen Blech verschraubt, das dann im Schutzgehäuse mit kleiner Kontaktfläche montiert ist. Die schlechte Wärmeanbindung zwischen Kamera und Außengehäuse führt hier dazu, dass die Kamera ihre Wärme nur an die im Gehäuse eingeschlossene Luft abgeben kann. Hierdurch wird diese aufgeheizt, was zum weiteren Anstieg der Kameratemperatur führt.

Ein Lösungsansatz, wie ihn die Firma Autovimation verfolgt, besteht darin, die Kamera formschlüssig mit hoher Kraft von innen gegen das Außengehäuse zu drücken. Hierdurch lässt sich auch ohne Wärmeleitpaste oder Folie – was zur Montage eher unpraktisch wäre – eine gute Wärmeableitung erreichen; die Temperaturen von Kamera und Außengehäuse sind nahezu identisch. So wirkt das Außengehäuse als Kühlkörper der Kamera. Das Ergebnis ist eine um bis zu 12 °C reduzierte Kameratemperatur durch den Einbau der Kamera ins Gehäuse – verglichen mit der Temperatur bei freier Montage.

Durch passive Kühlung lässt sich aber der Einsatzbereich einer Kamera nur geringfügig erweitern. Für den Einsatz bei höheren Temperaturen sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dabei ist die Kühlung von BV-Komponenten mit Druckluft, die zum Kühlen von Kameras, Lasern und andern Komponenten oft genutzt wird, allerdings mit Vorsicht zu betrachten. Problematisch hierbei ist, dass sich zwar Kondensat- und Öl-arme Druckluft herstellen beziehungsweise durch Filterung gewinnen lässt – absolut frei von Fremdstoffen ist sie jedoch nie. Letztlich bedeutet eine bessere Filterung nur die Verlängerung von Wartungsintervallen zur Säuberung von Kamera und Objektiv. Daher ist von einer Kühlung mit Druckluft abzuraten, insofern als sie in unmittelbaren Kontakt mit optischen Komponenten kommt.

Die Erweiterung des Temperaturbereiches einer Ace-Kamera von Basler durch das Wasserkühl­system von Autovimation.

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Stattdessen kann auf Wasserkühlung im Innenbereich zurückgegriffen werden, wenn in angemessener Entfernung der Kamera ein kühlerer Bereich zur Verfügung steht. Hier muss das aufgeheizte Wasser die Wärme mit Hilfe einer Rückkühleinheit wieder an die Umgebungsluft abgeben. Das geschlossene System funktioniert genau wie der Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges. Durch die hohe Wärmekapazität von Wasser lässt sich durch dieses Kühlmedium eine deutlich höhere Wärmemenge abführen, als durch Luft möglich wäre. Wird zudem eine möglichst turbulente Strömung im Wärmetauscher realisiert, ist der Wärme-Übergang zwischen Kamera/Kameragehäuse und Kühlmedium um Größenordnungen besser als der Wärme-Übergang von Festkörper zu Luft bei freier und selbst bei erzwungener Konvektion durch Ventilatoren.

Darüber hinaus lässt sich die Abwärme über Schlauchleitungen über weitere Entfernungen transportieren und dort an die Umgebungsluft abgeben, wo eine ausreichende Temperaturdifferenz zur Verfügung steht. Derart lassen sich Kamerasysteme bei Temperaturen oberhalb +100 °C betreiben – mit wärmegedämmtem Außengehäuse sind sogar Temperaturen bis +250 °C und höher möglich. Gegen industrielle Wärmestrahlung (beispielsweise durch glühenden Stahl) sind wärmestrahlungsreflektierende Spezialfenster nutzbar.

Die Lösung von Autovimation verbindet die gute Wärmeanbindung zwischen Kamera und Außengehäuse mit einer modularen Wasserkühlung. Der Wärmetauscher wird hierbei in dem Bereich außen auf das Schutzgehäuse aufgesetzt, in dem von innen die Kamera gegen das Gehäuseprofil gedrückt wird. Somit wird die Abwärme der Kamera sowie die vom Gehäuse aufgenommene Umgebungswärme durch die Gehäusewand und das sogenannte „Wasserkühlmodul“ an das hindurchströmende Wasser abgegeben. Die Kühlleistung des Gesamtsystems ist deutlich höher als die durch die Umgebung eingetragene Wärmemenge – eine äußere Wärme-Isolierung des Gehäuses ist folglich bis zu einer Umgebungstemperatur von rund +120 °C überflüssig.

Liegt die Umgebungstemperatur des Kameragehäuses unter derjenigen der Rückkühleinheit, wärmt die Wasserkühlung die Kamera automatisch. Das heißt, ein Heizbetrieb ist bis –20 °C ohne weitere Maßnahmen bereits integriert – was insbesondere für die Bildverarbeitung in Klimakammern ideal ist.

Der Heizbetrieb

Komplettes Wasserkühlsystem als geschlossener Kreislauf: Die vom Kamerasystem aufgenommene Wärme wird in der Rückkühleinheit über einen Radiator und Ventilatoren wieder an die Umgebungsluft abgegeben.

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In gemäßigten Klimazonen reicht bei Anwendungen im Außenbereich ein Beheizen der Kamera oft aus – je nach Einsatzsituation respektive Sonneneinstrahlung und Belüftung. Gleiches gilt für den Einsatz von BV-Komponenten in Kühllagern oder fleischverarbeitenden Betrieben.

Alle Gehäuseheizungen funktionieren über die Erwärmung elektrischer Widerstände; dennoch gibt es unterschiedliche Bauformen und -arten: PTC-Heizungen etwa sind selbstregelnde Heizelemente, die in Reihe mit dem Heizwiderstand einen Kaltleiter enthalten. Erhöht sich die Heiztemperatur, sinkt die Leitfähigkeit des Kaltleiters, wodurch wiederum der Stromfluss durch den Heizwiderstand verringert wird. Aufgrund ihrer nur fingergroßen Bauform kommen solche Heizelemente teilweise zur Beheizung von Kameragehäusen zum Beispiel in der Überwachungstechnik zum Einsatz. Nachteilig ist allerdings, dass die Heizelemente ihre Wärmeleistung über eine hohe Oberflächentemperatur von mindestens +80 °C erreichen. Somit würde ein direktes Beheizen der Kamera über Wärmeleitung die Kamera überhitzen.

Alternativ ließe sich mit diesen Heizpatronen die Luft im Gehäuse erwärmen – dies führt jedoch zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Gehäuse und damit eventuell zu Kondensation sowie zur Überhitzung von Kamera und Kabeln.

Der Wärmetauscher „Wasserkühlmodul“ wird von außen auf das Gehäuse im Bereich der Kamera aufgesetzt. Dies ermöglicht ein einfaches Nachrüsten der Wasserkühlung. Gleichzeitig wird vermieden, Wasser durch das Gehäuse zu pumpen.

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Eine weitere Lösungsmöglichkeit stellt die Verwendung von Heizfolien dar, die zum Beispiel über ein Bimetallthermostat geschaltet werden. Mit einer Leistungsdichte von typischerweise 0,1 W/cm2 ist es jedoch schwierig, die benötigte Heizleistung in einem möglichst kompakten Bildverarbeitungsgehäuse unterzubringen.

Die Lösung von Autovimation besteht in einer geregelten Heizplatte, die auf der Außenseite des Schutzgehäuses montiert wird. Analog zur Wasserkühlung erfolgt die Heizwirkung durch die Gehäusewand. Ein PT100-Thermofühler überwacht die Temperatur der Heizplatte kontinuierlich, ein externer Regler passt die benötigte Heizleistung stufenlos an. Damit wird die Heizplatte nie wärmer als die eingestellte Solltemperatur von +20 bis +30 °C, was selbst bei einer Umgebungstemperatur von –30 °C die Kamera noch bei mindestens +10 °C hält. Durch die Beheizung des gesamten Gehäuseprofils sowie des Frontdeckels wird das Gehäuse gleichmäßig beheizt. Der Energieverbrauch liegt bei maximal 36 W. Zudem lässt sich die Heizplatte dank der Außenmontage leicht nachrüsten, die Gehäusebreite steigt lediglich um 12 mm.

Automatischer Kühl- und Heizbetrieb

Als ideale Lösung zur Klimatisierung von Kameraschutzgehäusen scheinen sich Peltierelemente anzubieten, die aus zwischen zwei Keramikplatten angeordneten Halbleiterelementen bestehen. Wird an ein Peltierelement eine Spannung angelegt, erwärmt sich die eine Seite, während sich die andere Seite abkühlt. Somit stellt ein Peltierelement eine Wärmepumpe dar – einem System wird auf tiefem Temperaturniveau eine Wärmeleistung entzogen und dann auf einem höheren Niveau wieder abgegeben. Durch Umpolung der Spannung lässt sich dieser thermoelektrische Effekt umkehren, so dass sich das Peltierelement sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwenden lässt.

Die Peltier-Kühleinheit des Turtle S. Für die Gehäuseklimatisierung musste das Kühlgerät – bei gleicher Leistung wie die normalerweise nötigen DIN-A4-großen Peltier-Schaltschrankkühlgeräte – auf DVD-Größe verkleinert werden.

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Aber: Wenn es um die technische Realisierung einer kompakten, wüstentauglichen Gehäuseklimatisierung mit Hilfe von Peltierelementen geht, stehen sich mehrere einander widersprechende Anforderungen gegenüber: Mit einem nur handtellergroßen Kühlaggregat – anstelle eines mindestens DIN A4 großen Schaltschrankkühlgerätes – müsste eine aufgrund des schlechten Wirkungsgrades von Peltierelementen hohe Wärmemenge an eine heiße Umgebungsluft abgegeben werden. Zudem muss die Gesamteinheit auch harschen Umgebungsbedingungen und großen Temperaturschwankungen standhalten.

Autovimation bietet als wüstentaugliche Lösung das „Turtle“-Gehäuse an: „Turtle S“ für kleinere Kameras bis 60 mm × 60 mm Querschnitt und 165 mm Gesamtlänge (inklusive Optik und Stecker) und das größere „Turtle L“ für Kameras bis 335 mm Gesamtlänge. Beide Gehäuse besitzen einen programmierbaren Temperaturregler, mit dem sich Temperaturschwellen für den automatischen Heiz- und Kühlbetrieb einstellen lassen. Sie ermöglichen den Kamerabetrieb von –20 bis +50 °C bei 350 W/m2 Sonneneinstrahlung. Da zum Betrieb der Gehäuse nur eine Spannungsversorgung erforderlich ist, sind sie auch autark einsetzbar; die Spannungsversorgung erfolgt über Solarzellen. Beide „Schildkröten“ ermöglichen den Einsatz von Kamerasystemen in Wüstengebieten, überwiegend in der Solarindustrie.

Das Problem der Kondensation

Eine weitere wichtige Thematik beim Einsatz von Kamerasystemen bei schwankenden Temperaturen ist die Tatsache, dass warme Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann als kalte, beziehungsweise der Fakt, dass Kondensation sehr schnell entstehen und zu Problemen führen kann.

Passive Kamera-Kühlung im Vergleich: Oben freie Montage, Mitte im Edelstahlgehäuse und unten im „Salamander“-Aluminiumgehäuse. Das Schutzgehäuse kann die Kameratemperatur um bis zu 12°C senken.

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Wird zum Beispiel ein luftdichtes Gehäuse wie die „Salamander“- und „Orca“-Modelle von Autovimation bei +20 °C und 40 % relativer Luftfeuchtigkeit im Büro zusammengebaut und anschließend draußen bei +6 °C installiert, fängt die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit bereits an zu kondensieren (100 % r.F.). Wird das Gehäuse im Sommer bei gleicher Temperatur, aber 70 %iger Luftfeuchtigkeit zusammengebaut, ist der Taupunkt im Herbst bereits bei +14 °C erreicht. Diese Fakten können unter Umständen schon das Ende für die eingebaute Kamera bedeuten, die zumeist nur bis 85 % relative Feuchte und nicht kondensierend spezifiziert ist. Daher genügt es nicht, mit Hilfe einer Scheibenheizung für klare Sicht zu sorgen – das Wasser kondensiert dann eben an anderer Stelle – besser ist es, die Feuchtigkeit aus der Luft zu entfernen, bevor sie kondensiert. Ein probates und einfaches Mittel ist in diesem Fall das Beilegen eines auch in der Verpackungstechnik eingesetzten Silikagel-Beutels. Ein 5-g-Beutel kann bis zu einem Drittel seines Eigengewichtes an Wasser absorbieren. Dies reicht aus, um beispielsweise bei einem „Salamander M“-Gehäuse auch bei tropischen Montagebedingungen von +35 °C und 90 % relativer Feuchte die 100-fache im Luftvolumen enthaltene Feuchtigkeitsmenge aufzunehmen.

Langfristig funktioniert dies natürlich nur, wenn das Gehäuse luftdicht ist. Gehäuse mit weicheren Dichtungen müssen im Außeneinsatz zusätzlich zu dieser Maßnahme mit einem Druckausgleichsventil versehen werden, da durch barometrische Druckänderungen anderenfalls feuchte Luft in das Gehäuse gedrückt werden kann („Tiefdruckgebiet“ im Gehäuse, „Hochdruckgebiet“ außen). Universal-Lösungen für das Betreiben von Kamerasystemen in erweiterten Temperaturbereichen gibt es also nicht – die technische Realisierung muss auf den spezifischen Anwendungsfall abgestimmt sein.

Autor: Peter Neuhaus ist Geschäftsführer von Autovimation in Karlsruhe.