Schaltschränke Mit Wasser »kühlen Kopf bewahren«

Bild 1. Nachdem bei Cold Plates noch Optimierungspotentiale in Sachen Wärmeabführung, Montage und Handling existierten, hat Rittal seine Cold-Plate-Technik weiterentwickelt.
Bild 1. Nachdem bei Cold Plates noch Optimierungspotentiale in Sachen Wärmeabführung, Montage und Handling existierten, hat Rittal seine Cold-Plate-Technik weiterentwickelt.

Hohe Wärmelasten, steigende Packungsdichten und der Druck durch enorme Energiekosten machen die effektive Klimatisierung von Schaltschränken zu einem zentralen Thema. Neben modernen Kompressor-Kühlgeräten, die mit Luft kühlen, bieten flüssigkeitsbasierte Kühlsysteme je nach Anwendung deutliche Vorteile. Weiterentwicklungen bei der Cold-Plate-Technik und bei Wärmetauschern zeigen, dass sich in Sachen Energieeffizienz, Verfügbarkeit und Handling einiges getan hat.

Die Entwärmung von Schaltschränken erfolgt bei Industrieanwendungen herkömmlich via Luftkühlung. So werden beispielsweise die Kühlrippen einer aktiven Komponente mit einem Lüfter gekühlt. Dies funktioniert aber nur bei ausreichendem Volumen, damit die Luft zirkulieren kann. Je mehr Komponenten im Schaltschrank verbaut sind, umso weniger Platz steht zur Verfügung und umso mehr Wärmenester entstehen. Dieses Problem kann mit der direkten Entwärmung über eine wassergekühlte Montageplatte gelöst werden, auf der aktive Komponenten montiert sind, beipsielsweise Frequenzumrichter.

Eine solche Entwicklung hat Rittal mit dem Kühlkonzept Direct Cooling Package bereits vor fünf Jahren vorgestellt. Der zentrale Baustein war damals die erste standardisierte Cold Plate - ihre Weiterentwicklung wird auf der diesjährigen Hannover Messe vorgestellt. Die Grundidee basiert darauf, die Wärme von leistungsstarken Komponenten direkt am Ort ihrer Entstehung abzuleiten. Und dazu ist Wasser wesentlich besser geeignet als Luft.

Cold-Plate-Technik liegt im Trend

Noch vor einigen Jahren stand der Markt dem Thema Wasserkühlung im direkten Umfeld empfindlicher Elektronikmodule skeptisch gegenüber. Wie schnell ein Umdenken erfolgte, zeigen die geänderten Konstruktionen aktiver Komponenten, die seit einiger Zeit von namhaften Firmen angeboten werden: angefangen von Frequenzumrichtern über Servo- und Motorregler bis hin zu Gleichrichtern und Hochleistungshalbleitern (IGBTs). Diese werden auf Wunsch anstelle der bisherigen Kühlrippen mit einem genormten und planen Anschluss ausgeliefert, der zur direkten Montage auf die wassergekühlte Cold Plate (Bild 1) vorgesehen ist. Bei diesen Geräten sind die Elektronikmodule konstruktiv so ausgelegt, dass ca. 70 Prozent der in Wärme umgesetzten Verlustleistung direkt auf den Kühlkörper übertragen werden.

Gegenüber der internen Luftkühlung im Schaltschrank bietet die Cold Plate dem Anwender eine größere Unabhängigkeit von den Umgebungsbedingungen und damit mehr Flexibilität in Bezug auf den Aufstellungsort. Gerade die klassische Luftkühlung bekommt bei hohen Umgebungstemperaturen und Staubbelastungen ihre Probleme.

Hohe Schutzart ist gewährleistet

Da die Abwärme leistungsstarker Komponenten über eine Wasserkühlung dort abgeleitet wird, wo sie entsteht, bleibt die Schutzart des Schrankes erhalten. Auch für den Einsatz im Ex-Bereich ist die Cold-Plate-Lösung interessant, während Schaltschränke mit klassischer Luftkühlung nur mittels vergossener Wicklungen im Ex-Bereich eingesetzt werden dürfen. 

Bei der Kühlung von Präzisionswerkzeugmaschinen bietet die bewegungslose Cold-Plate-Technik im Vergleich zur Luftkühlung ebenfalls deutliche Vorteile. Denn bei der Luftkühlung kann sich das Fräsbild der Werkzeugmaschine allein durch das Anlaufen des Ventilators verändern. Sinnvoll ist die völlig geräuschlose Lösung auch in der Medizintechnik oder in der Nahrungsmittelindustrie sowie im Reinraumbereich, wo wenig Luft zirkulieren soll. Darüber hinaus ist eine vollständige Integration der Cold Plate in eine Maschine technisch möglich.