Schaltschrankkühlung: Heat Pipe mit Kompressor-Kältekreislauf : So funktioniert Blue e+

Bei seiner neuen Kühlgerätegeneration Blue e+ setzt Rittal erstmals auf eine Hybridtechnologie in Kombination mit einer Inverterregelung. Wie funktioniert die Entwicklung im Detail?

Rittal Blue e+ Bildquelle: © Rittal
Bei der Heat Pipe handelt sich um ein hermetisch gekapseltes Rohr, das mit einem Arbeitsmedium (= Kältemittel R134a) gefüllt ist. Im Rohr der befindet sich das Medium zu einem kleinen Teil im flüssigen und zu einem größeren Teil im dampfförmigen Zustand. Bei Wärmeeintrag auf der Schaltschrankinnenluftseite beginnt das Arbeitsmedium in der Heat Pipe zu verdampfen.

Das Kernstück der neuen Blue e+ Kühlgerätetechnik von Rittal [1] ist die patentierte Kombination einer Heat Pipe mit dem klassischen Kompressor-Kältekreislauf. Die Heat Pipe ist ein Wärmerohr, das als Wärmeüberträger unter der Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt.

Somit können auf kleiner Querschnittsfläche große Wärmemengen transportiert werden. Es handelt sich hierbei um ein hermetisch gekapseltes Volumen, das mit einem Arbeitsmedium (Kältemittel R134a) gefüllt ist. Im Rohr befindet sich das Medium zu einem kleinen Teil im flüssigen und zu einem größeren Teil im dampfförmigen Zustand.

Der Heat-Pipe-Wärmetauscher hat je eine Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und Wärmesenke. Bei Wärmeeintrag auf der Schaltschrankinnenluftseite beginnt das Arbeitsmedium (Kältemittel R134a) in der Heat Pipe zu verdampfen. Dadurch wird über dem Flüssigkeitsspiegel der Druck im Dampfraum lokal erhöht, was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohres führt. Der entstandene Dampf steigt auf und strömt zu einer Stelle mit niedrigerer Temperatur, d.h. zur Wärmesenke im Außenluftbereich, wo er kondensiert. An dieser Stelle erhöht sich die Temperatur durch die frei werdende Kondensationswärme. Die zuvor aufgenommene latente Wärme wird an die Umgebung abgegeben. Das nun flüssige Arbeitsmedium fließt durch die Schwerkraft wieder zurück an die Stelle, an der die Wärme eingeleitet wird (Wärmequelle).

Bei dem Heat Pipe System der Blue e+ Geräte handelt es sich um ein sogenanntes »Zwei-Phasen-Thermosyphon«, in dem das Medium ausschließlich aufgrund der Schwerkraft kreist. D.h. das flüssige Arbeitsmedium fließt allein durch die Schwerkraft zurück zur Wärmequelle. Damit das Schwerkraftprinzip für das Kühlgerät richtig funktioniert, befindet sich der wärmeaufnehmende Teil unterhalb des wärmeabgebenden Teils der Heat Pipe.

Bei einer positiven Temperaturdifferenz (∆T) von z. B. +15 Kelvin zwischen Schaltschrank-innentemperatur (z. B. = +35°C) und Umgebungstemperatur (z. B. = +20°C) können so über die Heat Pipe circa 60 Prozent der gesamten Wärmelast eines Schaltschrankes mit 1,5 kW Verlustleistung passiv, d.h. ohne zusätzliche Umwälzpumpe, abgeführt werden.

Der Vorteil des Schwerkraftprinzips liegt darin, dass bei einer Umkehr der Temperaturbedingungen mit einer negativen Temperaturdifferenz von z. B. -10 Kelvin (z. B. Schaltschrankinnentempera-tur = +35°C; Umgebungstemperatur = +45°C) keine Wärmeenergie von außen über die Heat Pipe in den Schaltschrank eingetragen werden kann. In diesem Fall kann das dampfförmige Kältemittel nicht weiter aufsteigen. Es kommt zu keiner Verflüssigung des Kältemittels und der Flüssigkeitsstrom kommt zum Erliegen.

 Bei kleiner werdenden Temperaturdifferenzen (∆T’s) wird also die Leistung der Heat Pipe immer geringer und das Blue e+ Kühlgerät arbeitet nun im aktiven Kompressorbetrieb.