Perfektes Klima im Schaltschrank

LÜTZE bietet mit den Lüftersystemen AirBLOWER und AirBLOWER Compact sowie der dazugehörigen Infrastruktur bestehend aus Regeleinheit und Temperatursensoren passgenaue Lösungen, um die Wärmeverteilung in unterschiedlichsten Schaltschränken zu homogenisieren. Der folgende Beitrag zeigt zum einen auf, welche Vorteile eine bedarfsgerechte Schaltschrankkühlung grundsätzlich bietet und zum anderen welche, LÜTZE Lüftersysteme für welchen Einsatz geeignet sind.

Leistungselektronik wird seit vielen Jahren stetig kleiner und effizienter und immer mehr Bauteile können auf engerem Raum im Schaltschrank verbaut werden. Weil sich jedoch die Wärmeverlustleistungen nicht im selben Maße verringern, nimmt die Wärmeentwicklung in kontinuierlich zu. Darüber hinaus verschärft sich die Problematik der sogenannten Hotspots.

Ab einem thermischen Grenzwert¹ muss jedoch die im Betrieb freiwerdende thermische Verlustleistung aktiv gekühlt werden, um eine mittlere Zielinnentemperatur im Schrank erreichen zu können. In der Praxis können sich aber trotz installiertem und korrekt dimensioniertem Kühlgerät Hotspots an und um Komponenten mit einer hohen spezifischen Verlustleistung bilden, wenn diese beispielsweise in Strömungstotgebieten platziert sind.

LÜTZE hatte Anfang der 2010er Jahre mit den AirSTREAM Verdrahtungsrahmen und dem damit einhergehenden Thermikkonzept erstmals eine Lösung gefunden, bei der die Luftströme im Schaltschrank aktiv und intelligent beeinflusst werden. Anders als beim konventionellen Schaltschrankaufbau gibt es keine strömungstechnisch ungünstigen Kabelkanäle mehr. Durch die Trennung in eine Aufbau- und eine Verdrahtungsebene bildet sich hinter dem Verdrahtungsrahmen ein „Kamineffekt“: Die warme Luft wird, je nach Kühlung, abgeführt. Optimalerweise wird die kalte Luft hinten nach unten geleitet und strömt vorne wieder nach oben.

Mit AirSTREAM Compact bietet LÜTZE seit einigen Jahren einen weiteren Verdrahtungsrahmen an. Dieser besitzt dieselben positiven Eigenschaften wie der klassische AirSTREAM Verdrahtungsrahmen, eignet sich jedoch besonders für kleinere Schaltschränke und Schaltkästen.

Durch den Einsatz von Luftleitelementen, den LÜTZE AirBLADES, können Teilströme kalter Luft von hinten nach vorne in thermisch kritische Bauteilzwischenräume zur Vermeidung von Hotspots geleitet werden. Und mit den AirBLOWER Lüftern werden die Luftschichten im Schaltschrank homogenisiert und die Entwärmung weiter verbessert.

Dieses intelligente AirSTREAM Gesamtkonzept minimiert, wie zahlreiche wissenschaftliche Studien belegen, den Wärmestress für die Bauteile. Mit AirSTREAM konnte also erstmalig eine bedarfsgerechte Schaltschrankkühlung umgesetzt werden, die exakt auf die Verlustleistungen der Leistungselektronik, aller Schrankparameter und der Umgebungsbedingungen abgestimmt ist.

Bedarfsgerechte Kühlkonzepte setzten sich mittlerweile in vielen Branchen durch. Die LÜTZE AirSTREAM Verdrahtungsrahmen und Komponenten werden unter anderem in der Lebensmittel-, Automobil-, Halbleiter- und Verpackungsindustrie sowie im Maschinenbau und in der Logistik eingesetzt. Die Vorteile liegen auf der Hand:

1. Höhere Umweltfreundlichkeit. Nachhaltigkeit und Senkung des CO2-Fußabdruckes gehört in vielen Firmen zum erklärten Unternehmensziel und kann mit einem bedarfsgerechten Kühlkonzept effizienter angestrebt werden. Auch ist zu berücksichtigen, dass weniger verbaute Kühltechnik auch weniger Kältemitteleinsatz bedeutet – und damit auch weniger Treibhausgaspotential sowie Rückbau- und Recyclingaufwände.
2. Reduzierung des Energieverbrauchs. Die Elektrizitätskosten für den Betrieb der aktiven Kühlmedien können durch die bedarfsgerechte Kühlung und den damit verbundenen kleineren Dimensionen der Kühlmedien deutlich gesenkt werden.
3. Höhere Betriebssicherheit. Durch die homogenere Klimatisierung und die geringeren Wärmeschwankungen werden die Bauteile geschont und altern weniger schnell. Im Ergebnis können Wartungszyklen verlängert werden, Umrüst- oder Neubeschaffungskosten - durch frühzeitigen Komponentenausfall - können gesenkt werden.

Die kleineren Compact Lüfter können ihr volles Potential beim Einsatz in Kompaktgehäusen und Schaltkästen auf dem AirSTREAM Compact Verdrahtungsrahmen mit seinen geringeren Einbautiefen ausspielen. Die industrietauglichen Lüfter lassen sich bei der Erstmontage oder nachträglich in bestehende Schaltschrankkonfigurationen einbauen. Die Montage der 50 mm breiten AirBLOWER Compact Lüfter ist dank einer patentierten Lösung mit wenigen Handgriffen erledigt: Ein 50 mm Standard Kammsegment wird entfernt und in die Aussparung eingerastet. AirBLOWER Compact sind UL und CE zertifiziert und haben eine Leistungsaufnahme von 6,9 Watt bei 24 V. Sie haben eine Klemme für das Anlegen der Eingangsspannung und eine weitere für das Weiterbrücken zum nächsten Lüfter. So können bis zu fünf Geräte hintereinandergeschaltet werden. Die Spannungsversorgung läuft direkt über die Platine. Von Vorteil ist dabei, dass die Klemmen von vorn frei zugänglich sind.

Der Einbau der größeren AirBLOWER Lüftermodule erfolgt im oberen Drittel des Schaltschrankes und ermöglicht so ein Maximum an Zirkulation im Schaltschrank. LÜTZE liefert die 24 V AirBLOWER Lüftermodule als Einhängevariante, die einfach von vorne realisiert werden kann.

Jeder Schaltschrank ist anders. Deshalb ist eine individuelle Betrachtung, insbesondere von Schaltschrank-Kombinationen unerlässlich. Das LÜTZE AirSTREAM Team berät Kunden individuell zu maßgeschneiderten Kühllösungen. Dabei werden viele Faktoren berücksichtigt, wie z.B. der Schaltschranktyp, Umgebungsbedingungen, welches AirSTREAM Verdrahtungssystem eingesetzt werden soll, wie die Bauteilplatzierung optimiert werden kann und wie das Kühlkonzept inklusive AirBLOWER Lüftermodule nachhaltig ausgelegt wird. Darüber hinaus bietet LÜTZE die Möglichkeit beim Kunden vor Ort vom vorhandenen Schaltschrank durch Messungen den Ist-Zustand zu erfassen und bei der Optimierung hinsichtlich eines besseren Kühlkonzeptes zu unterstützen.

Seit einigen Jahren ist jeder Schaltschrank, der in den Markt gebracht werden soll, vorher theoretisch zu betrachten. Dies wird im Bauartnachweis EN 61439 vorgeschrieben und muss dokumentiert werden. LÜTZE hat hierzu das Onlinetool AirTEMP entwickelt, welches eine Vielzahl praxisnaher Parameter berücksichtigt. So können mit dem AirTEMP Wärmeanalysetool z.B. thermische Probleme und überhitzte Bauteile aufgrund Verdrahtungsart, Geräteverteilung und -anordnung sowie Kühlungsart praxisnah simuliert werden. Die beschriebenen Probleme lassen sich somit bereits in der Planungsphase erkennen. Die Nutzung des AirTEMP Konfigurators ist kostenfrei und steht allen Schaltschrankbauern und -planern unter https://airtemp.luetze.com/ zur Verfügung.

Auch der ständige Austausch mit der Wissenschaft wird von LÜTZE gefördert. In Kooperation mit dem IGTE (Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung) der Universität Stuttgart beschäftigt sich LÜTZE bereits seit dem Jahr 2011 mit dem Thema Thermodynamik im Schaltschrank.

¹ Dieser Grenzwert ist eine für jeden Schaltschrank individuell zu bestimmende Kenngröße und ist insbesondere von der Zielinnentemperatur, der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur sowie den räumlichen Dimensionen des Schaltschrankes abhängig.

Autor: Michael Bautz, Produktmanager Cabinet, Friedrich Lütze GmbH