Durch immer neue Innovationen hinsichtlich der Größe von elektronischen Bauteilen und der damit verbundenen kompakteren Bauweise von Komponenten, Systemen und Anlagen, stehen auch beim Schaltschrank zwei Aspekte im Vordergrund: Möglichst geringer Platzbedarf und hohe Packungsdichte! Auf der anderen Seite gilt es aber unterschiedlichste physikalische Gegebenheiten zu berücksichtigen, welche die Energieeffizienz und die Lebensdauer der installierten Komponenten markant beeinflussen.
Hohe Packungsdichte versus thermodynamische Problemzonen
Heutige industrielle Elektronik ist in der Regel äußerst robust konstruiert und konzipiert und widersteht zum Beispiel Vibrationen oder Schwing- und Schock-Prüfungen problemlos. Auch können moderne Komponenten und Systeme auf einfache Art so konstruiert werden, dass weder Feuchte noch Nässe eindringen kann. Hitze hingegen ist aber nach wie vor der große Feind jeglicher Elektronik!
Wirkungsgrade von deutlich über 80 Prozent oder gar über 90 Prozent sind bei zeitgemäßen elektronischen oder elektrischen Geräten und Maschinen Standard. Deshalb kann man heute auch kompakte und verdichtete Bauweisen anwenden, da der Platzbedarf je installiertes Watt zunehmend geringer wird. Analog zur bewährten LED-Beleuchtungstechnik ist zwar die Energieeffizienz dank hohem Wirkungsgrad sehr groß, die Hitze konzentriert sich aber auf einen eng begrenzten Bereich und kann dort sehr hohe, kritische Werte erreichen.
Die kompakte Bauweise ergibt aber auch weniger Oberfläche, was zu einer geringeren Wärmeabgabe an die Umgebung führt. Dadurch steigt die Gefahr von Wärmenestern beziehungsweise Hot-Spots, welche sich mit zunehmender Packungsdichte noch verschärft.
In den frühen Siebzigerjahren erfand Lütze das kanallose Verdrahtungssystem und entwickelte es zur Marktreife. Schon damals galt das Hauptaugenmerk zwei inhärenten Vorteilen: Markanter Platzgewinn von 30 Prozent dank Wegfall von Kabelkanälen und Unterstützung der natürlichen Konvektion durch Verringerung von strömungsberuhigten Zonen. Eine weitere thermodynamisch wichtige Eigenschaft von kanallosen Verdrahtungssystemen ist die klare Aufteilung in eine Montage- und eine Verdrahtungs- beziehungsweise Kabelführungsseite.
Lütze verfolgt seither konsequent das Ziel die stetige Weiterentwicklung des Lütze-Komplettsystems zur Schaltschrankverdrahtung hinsichtlich optimaler Platzausnutzung und verbesserter Thermodynamik voranzutreiben. Erkenntnisse von zahlreichen Forschungsprojekten zum Thema «Thermisches Verhalten im Schaltschrank» in Form von Analysen, Feldversuchen und Simulationen wurden in enger Kooperation mit dem Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart und dem Frauenhofer-Institut aus Theorie und Praxis zusammengeführt und so neue Ideen für ein optimiertes und ausgeglichenes Schaltschankklima umgesetzt.
Durch die Kombination von einerseits klarer Aufteilung in eine vordere Montageebene und eine hintere Ebene für Verdrahtung und Kabelführung und anderseits dem Wegfall insbesondere der horizontal angebrachten Kabelkanäle, wird eine eigentliche Zirkulationsströmung erst ermöglicht, respektive die natürliche Konvektion angeregt und unterstützt, siehe Bild 1. Dieser positive Effekt wirkt auch ohne aktive Kühlung und ist messbar! Wird ein Klimagerät eingesetzt, so wird die Effizienz der Kühlung ebenfalls messbar erhöht.
Platzgewinn, was nun?
Durch den Wegfall der Kabelkanäle verfügt das Schaltschrankverdrahtungssystem über 30 Prozent mehr Platzgewinn gegenüber der Montagetafel, dies wirkt sich insgesamt kostensenkend aus, von der Größe des Schrankes bis hin zu den Transportkosten. Das ist verlockend, nicht nur für den Hardware-Konstrukteur.
Die Hohe Packungsdichte in einem kleineren Gehäuse bedingt jedoch eine größere Kühlleistung, welche aber kostentreibend ist und die Energieeffizienz negativ beeinflusst. Durch eine gezielte Positionierung von großen Wärmelasten nahe dem Kühllufteintritt können zwar die thermodynamischen Probleme etwas entschärft, aber kaum behoben werden. Gleiches gilt, wenn die Platzierung der Komponenten konsequent nach Verlustleistungen optimiert wird.
Der Hardware-Planer kann aber auch einen umgekehrten Ansatz verfolgen: Man kann zumindest einen Teil des gewonnen Platzes für eine so genannt aufgelockerte Packungsdichte durch eine auseinandergezogene und großzügigere Anordnung der Komponenten nützen. So werden strömungsberuhigte Zonen im oberen Teil des Schaltschrankes, wie im zweiten BIld zu sehen, vermieden oder verringert. Die natürliche Luft-Konvektion wird dadurch unterstützt oder weniger behindert und die Kühlleistung kann reduziert werden.
Kanalloses Verdrahtungssystem der 2. Generation
Die systembedingten Vorteile von kanallosen Verdrahtungssystemen erhalten durch die 2. Generation, das patentierte Lütze AirStream-System, zusätzlich Auftrieb! Die gewölbte Core-Struktur der Profile erhöhen die Torsionsfestigkeit und somit Zusatzaufwand schwerere und auch größere Komponenten sicher und stabil auf der DIN-Schiene montiert werden. Das ausgereifte System bietet endlose Möglichkeiten der Montage fast aller Komponenten. Die dünnen Profile verschlanken den Schaltschrank und werden so installiert, dass sie dem kühlenden Luftstrom ausgesetzt und gut hinterlüftet werden.
Bauteile mit großer Verlustleistung und entsprechend hoher Wärmeangabe, wie zum Beispiel Frequenz-Umrichter oder Netzgeräte, sind von entscheidender Bedeutung für die dauerhaft zuverlässige Funktion des Schaltschrankes. Meist sind solche Komponenten auch teuer und müssen daher besondere Beachtung finden.
Solche wärmekritischen Bauteile kann der Schaltschrank-Konstrukteur heute aber einfach und gezielt kühlen und damit die Lebensdauer (MTBF) oder die Effizienz (kein De-Rating) markant erhöhen: Mit den Lütze AirBlade wird die zielgenaue Führung der Luftströme im Schaltschrank ermöglicht. Hierbei wird ein Teil des Luftstromes direkt zu den Komponenten mit großer Verlustleistung umgelenkt und die Luftzirkulation so im Schaltschrankinneren optimiert.
Ist ein Klimagerät nötig?
Die erwähnten Studien und Simulationen haben auch aufgezeigt, dass ab einer installierten Verlustleistung von >600W ein aktives Kühlgerät unumgänglich ist, unabhängig davon, ob der Schaltschrank freistehend oder als Wandanbau positioniert wird.
Erfolgt die Schaltschrankklimatisierung mit Umgebungsluft als Wärmesenke, wie im Fall der freien Kühlung, so stellen sich immer höhere Lufttemperaturen im Schaltschrankinneren als die Umgebungstemperatur ein. Dies lässt sich anschaulich aus dem Kennliniendiagramm entsprechend Bild fünf erkennen. Hier ist der Einfluss von Klimakomponenten auf die maximale Temperatur im freien Luftvolumen dargestellt.
Aber welcher Typ Klimagerät, welche Leistung eingesetzt und wo dieses angebracht wird (lateral, frontal oder als Dachaufbaugerät) ist eine andere Frage. Oder ob durch eine aufgelockerte Packungsdichte und Vermeidung von Strömungstotgebieten gar auf ein aktives Kühlgerät verzichtet werden kann, bedingt genauere Untersuchungen.
In vielen Situationen kann es aber durchaus schon genügen, mit einem Umluftgebläse nur die Konvektion zu unterstützen. Genau hier kann der auf das AirStream-System abgestimmte AirBlower die optimale Lösung sein. 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.
Weiterhin wird permanent Wärme über die Seitenwände abgegeben. Die Lüfter können individuell zugeschalten und getaktet werden. In wenigen Minuten werden mit einem Luftvolumen von 510 m3/Std. die Temperaturschichten homogenisiert (Bild 6), das Temperaturniveau kann sich so um bis zu 10K reduzieren. Die Temperatur wird durch drei im Schaltschank platzierte Sensoren erfasst, die Signalverarbeitung wird von einer parametriebaren Regeleinheit übernommen und versorgt den Lüfter mit Leistung (24VDC).
Die Lütze-Messreihen haben ergeben, dass der Einsatz des AirBlower in vielen Fällen zur Kühlung des Schaltschrankes ausreichend ist. Da nur die Luft im Innern kontrolliert bewegt und keine externe Luft angesaugt wird, können solche Schränke überdies auch vollkommen dicht (IP67) gebaut werden. Daher sind sie besonders prädestiniert für Anwendungen in hygienisch kritischen Bereichen (Nahrungsmittel / Medizin), wo ein regelmässiges Wash-Down durchgeführt werden muss.
Das AirStream-Gesamtsystem stellt mittlerweile im Automobilbau eine technisch ausgereifte Lösung für eine gute Verteilung beziehungsweise Abfuhr der Wärmeverlustleistung im Schaltschrank dar. Man setzt auf das bewährte AirStream-Verdratungssystem in Kombination mit dem AirBlower-Lüftersystem.
Bei einem aktuellen Projekt für einen namhaften Automobilhersteller im Bereich einer Fertigungslinie für die Endmontage von Automatikgetrieben wurde in den Schaltschränken AirStream mit dem Lüftersystem eingesetzt. Zur Fertigungslinie gehörten rund 80 Montagestationen die jeweils mit einem Schaltschrank ausgestattet wurden. Hierbei wurde bei circa 50 Schaltschränken, dank einer Wärmeverlustleistung von kleiner gleich 500 W, auf die üblichen Klimageräte verzichtet.
Die Wirkung der passiven Schaltschrankkühlung mittels Luftkonvektion erzielte hier einen Vorteil. Lediglich 30 Schränke benötigten weiterhin konventionelle Klimageräte, die durch das Lütze-AirStream System deutlich kleiner dimensioniert werden konnten.
Fazit: Die Herausforderungen für die Hardware-Planer oder Schaltschrank-Konstrukteure sind immens, liegen doch etliche Anforderungen diametral auseinander. Um den optimalen Schaltschrank zu konzipieren und zu konstruieren, sind Kompromisse daher unumgänglich. Die anspruchsvolle Aufgabe besteht darin, herauszufinden, wo die Kompromisse einzugehen sind.
Mit kanallosen Verdrahtungssystemen hat man zumindest betreffend Platzangebot einen Bonus und betreffend thermodynamischen Problemzonen Rückenwind!
