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 kontinuierlich zu. Darüber hinaus verschärft sich die Problematik der sogenannten Hotspots. Ab einem thermischen Grenzwert 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 das Unternehmen 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 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 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 Schaltschrankkühlung rechnet sich
Bedarfsgerechte Kühlkonzepte setzten sich mittlerweile in vielen Branchen durch. Die Verdrahtungsrahmen und Komponenten werden unter anderem in der Lebensmittel-, Automobil-, Halbleiter- und Verpackungsindustrie sowie im Maschinenbau und in der Logistik eingesetzt. Die Vorteile:
- + 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.
- + 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.
- + 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.
Lüfterfamilie
Wichtige Bausteine in der AirStream-Produktfamilie sind der AirBlower und sein kleinerer Bruder, der AirBlower Compact. Während die größere Variante in erster Linie im klassischen Standschrank eingesetzt wird, kommt der AirBlower Compact vorzugsweise in kleineren Schaltschränken und Schaltkästen zum Einsatz. Es können aber auch, je nach Gehäusegröße und -tiefe, beide Lüftervarianten gleichzeitig eingesetzt werden. Beide Lüftertypen werden einbaufertig ausgeliefert. Mit beiden Lösungen lassen sich die von Hause aus sehr guten Entwärmungseigenschaften des AirStream-Verdrahtungssystems noch verbessern. Die Luftströme können sehr gezielt um den Verdrahtungsrahmen geleitet werden. Die Schrankinnenseiten dienen dabei dem Temperaturaustausch von innen nach außen. Durch die Reibung der Luftbewegungen ist dies deutlich effizienter als bei freier Kühlung, da die Luft in diesem Falle nur nach oben steigt und sich dort sammelt. Zudem können Hotspots in Kombination mit den AirBlades direkt belüftet und somit „gekühlt“ werden. In der Summe wird im Schaltschrank eine deutlich homogenere Wärmeverteilung erzeugt. Ergebnisse von Praxistests: Mit beiden Lösungen kann die mittlere Schaltschranktemperatur deutlich um bis zu 10K reduziert werden. Zwei bis maximal fünf Lüfter werden jeweils über die Regeleinheit LCOS-AB-I in Verbindung mit bis zu 3 PT 100 Temperaturfühlern gesteuert. Die Programmierung erfolgt über die Standard-Schnittstelle I/O Link via FDT/DTM. Alle Parameter sind frei definierbar – von der Temperatursteuerung bis hin zum Taktbetrieb. Ein Betriebsstundenzähler erfasst alle Arbeitsparameter. Der Temperaturzustand des Schaltschrankes lässt sich also ununterbrochen überwachen und dokumentieren im Sinne eines Condition Monitoring.
Beide Lüfter im Vergleich
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 50mm breiten Compact-Lüfter ist dank einer patentierten Lösung mit wenigen Handgriffen erledigt: Ein 50mm 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 24V. 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 Lüftermodule erfolgt im oberen Drittel des Schaltschrankes und ermöglicht so ein hohes Maß an Zirkulation im Schaltschrank. Lütze liefert die 24V Lüftermodule als Einhängevariante, die einfach von vorne realisiert werden kann.