Beim Thema Schaltschranktechnik ist ein altbekannter Widerspruch zu lösen: Leistungselektronik erzeugt jede Menge Wärme, sie verträgt aber nur wenig davon! Zwar werden moderne Bauelemente bei gleichbleibenden Schaltfunktionen immer kompakter, die Wärmeverlustleistungen verringern sich jedoch ganz und gar nicht. Im Gegenteil: Aufgrund der zunehmenden Anzahl von Bauteilen auf immer engerem Raum, nimmt die Wärme-Entwicklung in Schaltschränken kontinuierlich zu. Der Wärmestress für die eingesetzten Bauteile wächst – eine verkürzte Lebensdauer derselben ist vorprogrammiert. Die resultierende Situation ist paradox: Die Bauteile im Schaltschrank werden immer effizienter, der Preis dafür ist jedoch das Anbringen von teuren Kühlgeräten.

Der ungehinderte Luftstrom beim LSC-System verbessert den Wärme-Austausch mit der Umgebung und vermindert so die Gefahr von „Hot Spots“.

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Zum Hintergrund: Wärme im Schaltschrank wird bislang prinzipiell folgendermaßen abgeleitet beziehungsweise reduziert:

■ Ableitung der Wärme über die Gehäuse-Oberfläche des Schaltschrankes.
■ Anbringen einer externen Kühlung, zum Beispiel durch ein Dachaufbaukühlgerät.

Durch die Ableitung der Wärme über die Gehäuse-Oberfläche werden etwa zwei Drittel der Verlustwärme im Schaltschrank abgegeben. Um diesen Fakt optimal auszunutzen, ist es erforderlich, dass ein kon­stanter Luftstrom im Schaltschrank besteht, der die warme Luft an die Gehäuse-Oberfläche des Schaltschrankes transportiert. Dies kann auf einfache Weise erfolgen, indem beispielsweise ein Querstromlüfter für den konstanten Luftstrom im Inneren des Schaltschrankes sorgt.
Bei der externen Kühlung erfolgt die Dimensionierung des Kühlgerätes auf die theoretisch maximal notwendige Kühlleistung für eine Schaltschrank-Innentemperatur von rund +35 °C bei der maximal angenommenen Umgebungstemperatur. Diese Auslegung führt beim Einsatz von Montagetafel und Kabelkanal zu einer Überdimensionierung, sprich es wird mehr Kühlleistung installiert, als im Schnitt tatsächlich erforderlich ist. Dadurch kann es zu einem weiteren Negativ-Effekt kommen: Bei fehlender Regelung kann die Schrank-Innentemperatur punktuell unter den Taupunkt sinken und es kann sich Tauwasser an den direkt von der kalten Luft umströmten Geräten bilden.

Mit dem Airstream-Thermik-Konzept werden diese beiden Methoden nun um das Prinzip einer intelligenten Luftführung kongenial ergänzt. Dahinter steckt ein simpler Gedanke: Luftstillstand im Schrank ist auf jeden Fall zu vermeiden, da insbesondere in solchen Bereichen Hot Spots entstehen können. Dabei handelt es sich um Zonen, in denen sich – angesichts der räumlichen Nähe mehrerer „wärmeproduzierender Bauteile“ – die Wärmeprobleme multiplizieren. Kurzfristig kann sich ein lokales Temperaturniveau von über +45 °C teilweise sogar bis über +100 °C bilden.

Das Airstream-Prinzip im Detail

Für Bauteile, die sich direkt im Wärmenest oder in dessen unmittelbarer Nähe befinden, ist somit der schleichende Wärmetod vorprogrammiert. Je schneller und einfacher hingegen die erwärmte Luft an die Gehäusewände strömen kann, umso schneller und einfacher kann die Wärme an die Umgebung abgegeben werden.

Die Basis der neuen Idee: Ein „Airblade“ ähnlich einem Flugzeugflügel erlaubt es, den Luftstrom zielgenau zu steuern.

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Wie ist nun die zielgenaue Führung der Luftströme konkret realisiert? In die 50-mm-Raster der Stege des LSC-Verdrahtungssystems können statt der üblichen Drahtkämme so genannte Airblades eingesetzt werden. Ein Airblade ähnelt auf den ersten Blick einem Flugzeugflügel. Diese Flügelform, die aus der Luftfahrttechnik entlehnt ist, führt strömungstechnisch dazu, dass an den Abrisskanten die Luft nicht verwirbelt und der Luftstrom versiegen könnte. Stattdessen ist der Luftstrom zielgenau steuerbar und einzelne Wärmenester können direkt „belüftet“ werden. De facto lässt sich die Betriebswärme nicht nur generell, sondern auch punktuell abführen.

Neben der aktiven Beeinflussung der Luftströme im Schaltschrank zielt das Konzept darüber hinaus auf eine optimierte Luftzirkulation im Schrankinneren. Dabei kommt der konstruktive Aufbau des Systems – ein modularer Aluminiumrahmen mit integrierter Verdrahtung – diesem Anliegen voll und ganz entgegen. Anders als beim konventionellen Schaltschrankaufbau gibt es also keine Kabelkanäle mehr.

Die warme Luft steigt kontinuierlich an der Vorderseite der Aufbau-Ebene nach oben und auf der Rückseite der Verdrahtungsebene wieder nach unten. Da sich auf der Rückseite lediglich die Verdrahtung befindet und keine zusätzlichen Bauteile die Verlustwärme erzeugen, kann hier die Wärme über die Schaltschrank-Rückwand abgegeben werden und es entsteht somit eine kühlere Zone. Diese kühlere Luft wird über die Luftströmung im Schaltschrank nach vorne zur Aufbau-Ebene transportiert. Im Ergebnis entsteht somit eine permanente Luftzirkulation zwischen wärmerer Verdrahtungs-Vorderseite und kühlerer Verdrahtungs-Rückseite.

Intelligente Luftführung rechnet sich

Im Ergebnis zeigt sich, dass mittels der neuen Lösung nicht nur ganz gezielt Hot Spots „gekühlt“ werden können – auch generell lässt sich über das verbesserte Strömungsverhalten im Schrank die Lufttemperatur positiv beeinflussen. Obendrein hat die Green-Carbody-Studie gezeigt, dass bei einer Vielzahl der Anwendungen, die externe Kühlleistung zu groß dimen-sioniert wurde. Mit dem LSC-Airstream-Verdrahtungssystem hingegen benötigt man rechnerisch beweisbar weniger Kühlleistung als beim konventionellen Schaltschrankaufbau. Im Ergebnis sind Kühlaggregate kleiner dimensionierbar.

Schematische Darstellung der Luft­strömungen auf der Rückseite des Airstream-Systems.

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Anhand der Studie wurde weiterhin klar belegt, dass die Energie-Einsparungen nur erzielbar sind, wenn die klimatechnische Auslegung des Schaltschrankes bereits in der Planungsphase stärker berücksichtigt wird. In der Tat ist es so, dass vorsorgliche Maßnahmen wie die räumliche Entzerrung der Leistungskomponenten und die Eliminierung von blockierenden Kabelkanälen zu einer besseren Luftzirkulation beitragen.

Das Problem: Es gibt nach wie vor keine aktuell verfügbaren CAE-Tools, die hier bei der Schaltschrankplanung unterstützen könnten. Der Schaltschrankplaner ist im großen Ganzen auf sein Bauchgefühl angewiesen. Auf der Basis der Green-Carbody-Forschungsergebnisse untersucht Lütze daher aktuell, inwiefern sich ein software-basierter Konfigurator für das LSC-Airstream-Konzept realisieren lässt, der dann erstmalig diese Funktionalität mit beinhaltet. Demnach gibt es auch in Zukunft für ein optimales Betriebsklima im Schaltschrank noch viel zu tun.

Autor: Martin Lack ist Produktmanager Cabinet bei Lütze, Weinstadt.

Green Carbody - Die Erkenntnisse

Die auf Basis der Feldstudien bei Volkswagen in Wolfsburg mit 1000 klimatisierten Schalt-schränken mit einer mittleren Kühlleistung von 2 kW hochgerechneten Ergebnisse:

■ Mindestens 35 % der Energie-Einsparung können durch neue Konzepte zur Kaltluft-erzeugung wie Luft-Luft-/Luft-Wasser-Hybridwärmetauscher und effizienz-optimierte Kühlgeräte erzielt werden.

■ Durchschnittlich 23 % Energie-Einsparung sind durch das neue LSC-Airstream-Verdrahtungssystem mit strömungs-optimierter Kühlluftführung zur Vermei­dung von Wärmenestern und maximaler Ausnutzung der Kaltluftströme erreichbar.

■ Die Lebensdauer von im Schaltschrank eingesetzten elektronischen Geräten erhöht sich um 50 %.

■ Rund 6,3 kWh Energie lassen sich je Karosserie (Referenzkarosse) einsparen.

■ Auf das ganze Jahr gesehen, können 1578 MWh Strom gespart werden.

60 Partner – ein Projekt

Gefördert wird das Forschungsprojekt Green Carbody vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. 60 Unternehmen in Deutschland haben sich in dem Verbundprojekt zusammengefunden, davon 20 Unternehmen im Teilprojekt InnoCat 4. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird unter anderem das thermische Verhalten im Schaltschrank mit Hilfe von 48 Sensoren in situ – also unter Praxisbedingungen – aufgezeichnet und analysiert. Parallel dazu wird ex situ – also unter Laborbedingungen – das thermische Verhalten im Schaltschrank nachgebildet. Mit Hilfe der Variation diverser veränderlicher Parameter ist ein Vier-Quadranten-Modell für Temperatur-und Strömungsfeldveränderungen simulierbar.