Elektronik-Klimatisierung Wärmequellen gezielt entschärfen

Vollgepackte Elektrik-Schaltschränke die auf Betriebstemperatur gehalten werden.
Vollgepackte Elektrik-Schaltschränke die auf Betriebstemperatur gehalten werden.

Die in der Industrie verwendeten Schaltschränke sind vollgepackt mit Elektrik- und Elektronik-Modulen, die durch gezielte Maßnahmen auf moderaten Betriebstemperaturen gehalten werden. Lüfter an der richtigen Stelle sind dabei deutlich effektiver als teure Wärmetauscher oder Kompressorkühler.

Anfang der 1960er Jahre gab es bei Schrankaufbauten für Industrie-Anlagen ausschließlich Kühlung durch natürliche Konvektion mit Hilfe von Lüftungsschlitzen im Schrank. Diese erste Generation funktionierte natürlich nicht bei extremen Umgebungstemperaturen und konnte auch nicht den Schrankinhalt vor aggressiven Luftanteilen schützen. Erst Ende der 60er Jahre gab es auch Filterlüfter, welche die natürliche Konvektion durch eine erzwungene Konvektion verstärkten. Noch etwas später gab es auch Kompressorkühlgeräte am Schrank bzw. Heizungen im Schrank. Schrankentwärmung mittels Filterlüfter, Kompressorkühlgeräten, Wärmetauscher und Heizungen kann man guten Gewissens zu der nun 50 Jahre alten zweiten Generation der Schaltschrankklimatisierung zusammenfassen. Diese Generation unterscheidet sich noch deutlich von der dritten Generation. Letztere allerdings erfordert einen Paradigmenwechsel und wird im Weiteren beschrieben.

Paradigmenwechsel bei der dritten Generation

Im Zuge des Paradigmenwechsels wird der Schaltschrank künftig nur noch mit Filterlüfter klimatisiert, und zwar immer und überall auf dieser Welt. Elektronikmodule werden aneinandergereiht und sind horizontal für Gebläseluft durchlässig konstruiert; Lüftungsschlitze an der Ober- und Unterseite der Modulgehäuse müssen verschwinden. Falls überhaupt noch erforderlich, werden dedizierte Elektronikmodule gezielt mit Hilfe von Wärmetauschern, Peltier- oder Kompressorkühlern klimatisiert, die der Autor unter dem Sammelbegriff „K-Kühler“ zusammenfasst und als solchen im weiteren Verlauf benutzen wird.

Bild 1 zeigt die einfachste Ausführung dieser Technik. Der auf diese Weise realisierte Lüftungskanal kann mit Hilfe von Luftschächten auf weitere Hutschienenzeilen umgelenkt werden. In Bild 2 ist eine entsprechende Anordnung mitsamt der Luftumlenkung („6“ im Bild) zu erkennen. Ein Axiallüfter („5“) lässt sich bei Bedarf auch durch ein Radialgebläse ersetzen. In Großrechnern wäre das Gebläse außerhalb des Schrankes anzubringen und müsste dementsprechend bedarfsgerecht dimensioniert werden. Die in Bild 2 horizontal ausgerichteten Luftschächte können in Rechneraufbauten zudem auch vertikal ausgerichtet werden.
Im Folgenden geht es nun um die häufigste Variante der Klimatisierung – die Kühlung: Je näher man an den Hotspots mit der Kühlung ansetzt, umso effizienter wird die Kühlung. Dieser Satz hat bei konsequenter Umsetzung dramatische Auswirkung auf die Kühlstrategie. Einleitend bleibt festzuhalten, dass die gewünschte Kühlung wahlweise mit Lüfter, Kompressor- oder Peltierkühler, Wärmetauscher oder Ähnlichem erfolgen kann. Die weiteren Betrachtungen indes beschränken sich ausschließlich auf die Kühlung mittels Lüfter, die – in Analogie zum erwähnten K-Kühler – künftig nur noch V-Kühlung genannt wird. Am Ende der Betrachtungen wird jedem zudem auch einleuchten, dass andere Kühlgeräte (sprich: K-Kühlung) in Europa und Ländern mit vergleichbaren Klimaverhältnissen nicht gebraucht werden. Dies gilt sogar für Großrechner und Server-Schränke.

Zwei Modulgruppen mit unterschiedlichen Kühlprofilen

Wenn man sich die in Schrankaufbauten anzutreffenden Hotspots mal genauer ansieht, so wird man wenig überrascht feststellen, dass diese unterschiedliche Anforderungen an die Klimatisierung stellen. Darüber hinaus wird man beim Blick in bestückte Industrie-Schaltschränke dazu übergehen, die dort installierten Module in zwei Gruppen einzuteilen: Die erste Gruppe bilden die sogenannten Elektrik-Module, zu denen u.a. Sicherungsautomaten, Relais, Klemmenblöcke, Kabel und Trafos gehören. Zur zweiten Gruppe zählen Elektronikmodule verschiedenster Art, also auch Schaltnetzteile, SPS mit I/Os, CPUs, anwendereigene Module und vieles mehr.

Des Weiteren sollte man schlussfolgern, dass man diese beiden Gruppen künftig sauber voneinander trennen sollte, da sich deren Klimatisierungsanforderungen unterscheiden. Elektrikmodule benötigen keine K-Kühlmaßnahmen, da selbst bei einer Installation am Äquator Filterlüfter zur Entwärmung völlig ausreichen. Bei den bestehenden Schrank­aufbauten jedoch werden diese Module bei der in vielen Fällen gewählten K-Kühlstrategie zwangsläufig mitgekühlt. Dies macht aber wenig Sinn und führt lediglich dazu, dass die Abwärme dieser Teile den K-Kühler nur zusätzlich belastet.

Sinnvoller wäre vielmehr, dass man ausschließlich die im Schalt-/Steuerschrank verbaute Elektronik gegebenenfalls mit einer K-Kühlung versieht. Selbst diese Maßnahme ist nur dann vonnöten, wenn die Spezifikation der Elektronikmodule und die Umgebungsbedingungen sowohl im Schrank als auch außerhalb des Schrankes dies erforderlich machen.

Bis dato ist eine saubere Trennung von Elektrik- und Elektronik-Modulen mit Blick auf ihre thermische Belastbarkeit nicht ohne Weiteres möglich. Kon­struktiv würde diese Trennung kaum Schwierigkeiten bereiten, aber es bestand dafür keine Notwendigkeit, da bisher ja sowieso alles klimatisiert wurde.