Im Zeitalter der fortschreitenden Miniaturisierung und der immer 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 Schockprüfungen 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 % oder gar über 90 % 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 zu der bewährten LED-Beleuchtungstechnik ist zwar die Energieeffizienz dank hohem Wirkungsgrad sehr gross, die Hitze konzentriert sich aber auf einen eng begrenzten Bereich und kann da 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 oder Hot-Spots, welche sich mit zunehmender Packungsdichte noch akzentuiert.
Kanallose Verdrahtungssysteme sparen Platz
In den frühen Siebziger-Jahren erfand Lütze das kanallose Verdrahtungssystem LSC und entwickelte es zur Marktreife. Schon damals galt das Hauptaugenmerk zwei inhärenten Vorteilen: Markanter Platzgewinn von 30 % 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-/Kabelführungsseite.
Die vom Volkswagen Konzern initiierte Innovationsallianz «Green Carbody Technologies» hatte das Ziel, künftig den Energieeintrag schon bei der Herstellung von Fahrzeugen zu reduzieren. Durch eine Fachgruppe, in welcher Lütze federführend war, wurde auch der Schaltschrank hinsichtlich Optimierung der Energieeffizienz untersucht. Etliche Analysen, Feldversuche und Simulationen, die durch die TU Stuttgart und das Frauenhofer-Institut unterstützt wurden, haben klar aufgezeigt: Durch die Kombination von einerseits klarer Aufteilung in eine vordere (Montage/Komponenten) und eine hintere Seite (Verdrahtung/Kabelführung) und anderseits dem Wegfall insbesondere der horizontal angebrachten Kabelkanäle, wird eine eigentliche Zirkulationsströmung erst ermöglicht, respektive die natürliche Konvektion angeregt und unterstützt. 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?
30 % Platzgewinn dank kanallosem Verdrahtungssystem ist erheblich und wirkt sich kostensenkend aus, von der Grösse des Schrankes bis hin zu den Transportkosten. Das ist verlockend, nicht nur für den Hardware-Konstrukteur. 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 nutzt zumindest einen Teil des gewonnenen Platzes für eine so genannt aufgelockerte Packungsdichte, um strömungsberuhigte Zonen zu vermeiden oder zu verringern. Die natürliche Konvektion wird dadurch unterstützt oder weniger behindert und die Kühlleistung kann reduziert werden.
AirSTREAM, das kanallose
Verdrahtungssystem der 2. Generation
Die systembedingten Vorteile von kanallosen Verdrahtungssystemen erhalten durch die 2. Generation, das patentierte Lütze AirSTREAM-System, zusätzlich Auftrieb! Die gewölbten Profile erhöhen die Torsionsfestigkeit und somit können ohne Zusatzaufwand schwerere und auch grössere Komponenten auf der DIN-Schiene montiert werden. Zudem werden so die installierten Bauteile optimal dem kühlenden Luftstrom ausgesetzt und auch hinterlüftet.
Bauteile mit grosser Verlustleistung und entsprechend hoher Wärmeangabe, wie zum Beispiel Frequenzumrichter oder Netzgeräte, sind von entscheidender Bedeutung für die dauerhaft zuverlässige Funktion des Schaltschranks. 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 AirBLADE wird ein Teil des Luftstroms direkt zu den Komponenten mit grosser Verlustleistung umgelenkt.
Ist ein Klimagerät nötig?
Die erwähnten Studien und Simulationen haben auch aufgezeigt, dass ab einer installierten Verlustleistung von >600 W ein aktives Kühlgerät unumgänglich ist, unabhängig davon, ob der Schaltschrank freistehend oder als Wandanbau positioniert wird. 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 AirBLOWER die optimale Lösung sein: Dieses leistungsarme Gebläse, angebracht im obersten Teil des Schaltschranks, saugt die erwärmte Luft an und bläst sie rückseitig nach unten und generiert dadurch einen kontinuierlichen Zirkulationsstrom. Unsere Messreihen haben ergeben, dass der Einsatz des kostengünstigen und einfach zu installierenden AirBLOWERS die mittlere Temperatur im Schaltschrank bereits um 10 K reduzieren kann. In vielen Fällen genügt diese Massnahme bereits. 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 wie Nahrungsmittel oder Medizin, wo ein regelmässiges Wash-Down durchgeführt werden muss.
Infoservice
Lütze AG
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