Energieeffizientes Wärmemanagement Wenn +50 °C zum Problem werden

Es gibt Einsatzfälle für eine Schaltschrank- bzw. Elektronik-Klimatisierung, bei denen auf Peltierkühler, Wärmetauscher oder Kompressorkühler kaum verzichtet werden kann. Wenn man sich dabei für eine ­geschlossene Luftkanal-Anordnung entscheidet, so hat dies objektiv belegbare Vorteile.

In einem ersten Beitrag, der in [1] erschienen war, wurde in Bezug auf eine möglichst energieeffiziente Schaltschrank-Klimatisierung eine Anordnung der verwendeten Steuer- und Schaltmodule mit offenem Luftkanal beschrieben. Dieses Montageprinzip (Bild 1) ermöglicht den Betrieb dieser Module bei Umgebungstemperaturen bis über 50 °C, und zwar ohne dafür Kompressor- oder Peltierkühler bzw. Wärmetauscher einbauen zu müssen.

Es gibt aber auch Einsatzfälle, beispielsweise in Dubai, bei denen eine Lufttemperatur von 50 °C thermische Probleme im Schaltschrank heraufbeschwören könnte, sofern auch noch die Sonne auf den Schrank scheint. In dieser Situation müsste die Zuluft für den Luftkanal nicht dem Innern des Schrankes entnommen werden, sondern der Umgebung des Schrankes. Die Temperaturstabilität müsste hier also mit Hilfe eines Kompressor- oder Peltierkühlers bzw. Wärmetauschers, die im Folgenden zu K-Kühlmaßnahmen zusammengefasst sind, gewährleistet werden.

Der umlaufend geschlossene Luftkanal

Der Luftkanal (gebildet durch Elektronikmodule) kann von einer Tragschienenzeile auf eine darunter bzw. darüber liegende Zeile umgelenkt werden. Macht man das auf beiden Seiten der Modul-Anordnung, so entsteht ein Luftkanal, der einen geschlossenen Kreis bildet (Bild 1).

Ein solcher umlaufend geschlossener Luftkanal erfordert immer eine K-Kühlung, weil die Verlustwärme der Elek­tronik in den Modulen schnell für eine Überhitzung sorgen würde. Schließlich gibt es hierin keine Lüftungsschlitze. Stattdessen befindet sich der Verdampfer des Kompressorkühlers (siehe Bild 2 „Modul 13“) bei höheren Kälteleistungs-Anforderungen oder der kalte Teil eines Peltier-Kühlers (siehe Bild 2 „Modul 7“) bei geringeren Kälteleistungs-Anforderungen im Innern des geschlossenen Luftkanals.

Die Vorteile dieser Vorgehensweise lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

  • Es muss durch die K-Kühlung nur noch die Wärme beseitigt werden, die durch die Verlustleistung in den Elektronikmodulen verursacht wird. Umgebungsbedingungen wie in Dubai spielen dabei kaum eine Rolle.
  • K-Kühler lassen sich in diesem Falle kleiner dimensionieren, und es entstehen sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb geringere Kosten.
  • Kondenswasserprobleme gibt es wegen der geschlossenen Ausführung nicht.
  • Die lokalen Temperaturunterschiede ΔT innerhalb der Kleingehäuse sind aufgrund der Luftströmung deutlich geringer; Hotspots werden so entschärft.

Eine Überlegung zum Thema Energieeffizienz

Ein üblicher Schaltschrank im Außenbereich – z.B. zur Steuerung der Belebungsluft für Kläranlagen – hat ein Volumen von ca. 500 l. Doch auch bei üppiger Bestückung mit Elektronikmodulen summiert sich das Gesamtvolumen dieser Module auf kaum mehr als 30 l. Das heißt, dass der Energiebedarf zur Kühlung dieser Module dramatisch geringer ausfällt, wenn man die Variante mit geschlossenem Luftkreislauf anwendet. In diesem Falle haben die klimatischen Bedingungen um den Schrank herum nur geringe Bedeutung.

Es gibt noch weitere Argumente, um permanent mit geschlossenem Luftkanal zu arbeiten:

  • Die Elektronik ist im geschlossenen Luftkanal geschützt. Das ist sinnvoll in schmutziger, öliger oder aggressiver Umgebung.
  • Im Hygienebereich eines Krankenhauses entsteht keine Staubansammlung im Lüfterbereich. Lüfter sind im Hygienebereich wegen der sonst möglichen Keimbildung im sich ansammelnden Staub bisher verboten.
  • In Ex-Bereichen ergeben sich ebenfalls Vorteile, sei es im Untertagebau/Tunnelbau (Ex-Gefahr durch Staub), im Chemiebereich oder in der Gasanalytik.

In Extremsituationen wäre auch eine gasdichte Einhausung der Elektrik- und Elektronikmodule möglich. Elektrikmodule sind in der Regel weniger temperaturempfindlich und kommen weitgehend ohne Ventilation aus. Die Elektronikmodule hingegen sind eher ein Problem, das ein Wärmetauscher im geschlossenen Luftkanal der Elektronikmodule lösen kann. Der zwingend erforderliche Lüfter ist durch den Schrank und zusätzlich durch den geschlossenen Luftkanal doppelt abgeschirmt. Der Lüfter muss natürlich mit einem schleifkontaktfreien Gleichspannungsmotor ausgestattet sein, der keine Funkenbildung entstehen lässt.