Kühltechnik Frischer Wind im Schaltschrank

Redakteur: Carina Schipper

Modulgehäuse schützen die Elektronik im Schaltschrank vor physischen Einwirkungen. Öffnungen sollen einen Hitzestau durch die Verlustwärme der elektronischen Bauteile vermindern. Kühlung im gesamten Schrank braucht es trotzdem. Noch.

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Der Strömungskanal, der die Module miteinander verbindet, senkt nach die lokalen Temperaturunterschiede innerhalb der Kleingehäuse.
Der Strömungskanal, der die Module miteinander verbindet, senkt nach die lokalen Temperaturunterschiede innerhalb der Kleingehäuse.
(Bild: Armin Meininger)

Armin Meininger hat als Techniker in verschiedenen Bereichen der Elektronik gearbeitet. Unterhaltungselektronik, Flugzeugelektronik, instrumentelle Analytik sowie Schaltschrankbau und technische Dokumentationen gehörten zu seinen Arbeitsfeldern. Neben dem Beruf entwickelte er eigene technische Ideen und Konzepte. Energieeffizienz steht dabei immer im Vordergrund. Viele Einfälle landeten in der Schreibtischschublade. Die Elektronik im Schaltschrank ließ ihm keine Ruhe. Die technische Dokumentation eines Schaltschranks für Sibirien war der Auslöser. Das Gerät kommt in der Gasanalytik zum Einsatz. Wegen Explosionsgefahr muss es an einigen Stellen offen sein. Damit die Elektronik bei der Kälte keinen Schaden nimmt, sorgt eine Heizung mit 2.400 W Leistung für Wärme. Der gebürtige Pfälzer vergleicht diese Praxis mit „Heizen bei offenem Fenster.“ Er entwickelte ein System, mit dem die Heizung komplett entfällt. Kleingehäuse dienen als mechanischer Schutz für die einzelnen elektronischen Bauteile. Beim Betrieb von Elektronikmodulen entsteht Wärme. Thermisch gesehen stehen die Gehäuse einer wirksamen Wärmeabfuhr durch Konvektion eher im Weg, weiß Meininger. Öffnungen an der Geräteunter- und Oberseite sollen Abhilfe schaffen, verhindern aber eine kompakte Bauweise. Kompakte Gehäuse sind so nicht möglich. Eine neue Bauweise der Elektronikmodule löst das thermische Problem bei gleichzeitig deutlich schmaleren Modulgehäusen, behauptet der Erfinder. Einen vollständigen Abriss seines Konzepts finden Sie am Ende des Artikels.

Die Hitze bekämpfen, wo sie entsteht

Meiniger teilt den Inhalt des Schaltschranks in zwei Sorten von Baugruppen ein. Robuste Elektrik wie Klemmenblöcke oder Transformatoren funktionieren temperaturunabhängig. Die Elektronik dagegen fühlt sich nur in einem bestimmten Temperaturbereich wohl. Ventilatoren oder Klimaanlagen kühlen den ganzen Schaltschrank und befinden sich meist darauf oder daneben. Dieser Aufbau greift für den Techniker nicht am Ort der Hitzeentwicklung an. Die Kühlung erfolgt direkt an den elektronischen Bestandteilen. „Ein Gebläse auf der Hutschiene treibt Luft durch alle aneinandergereihten Module und beseitigt die gestaute Hitze.“, beschreibt Meininger. „Alleine durch diese Maßnahme reduziert sich die Elektroniktemperatur um 12 bis 15 °C ohne Kühlenergie aufzuwenden.“ Um den erforderlichen Luftzug herzustellen schaltet er den aneinandergereihten Modulen an einer Seite ein für die Hutschienenmontage neu konstruiertes Axialgebläse vor. Mit dem System gleicht Meininger die Temperatur in den Kleingehäusen und die des Schaltschrankinneren einander an. Die Temperatur sinkt um 12 - 15° C und die Ausfallquote der Elektronik halbiert sich, berichtet Meiniger.

Von der Luftumleitung bis zu geschlossenen Kreislauf

Das System arbeitet mit einem horizontalen Luftkanal, der sich auf eine darüber- oder darunterliegende Hutschienenreihe umlenken lässt. Damit deckt das Kühlprinzip den gesamten Bereich der sensiblen Elektronik ab. Meiniger geht noch einen Schritt weiter und stellt sich für sein Konzept einen Luftkreislauf vor. Der Strömungskanal, der die Module miteinander verbindet, senkt die lokalen Temperaturunterschiede innerhalb der Kleingehäuse. Die veränderte Bauart ermöglicht erstmals den Betrieb eines Schaltschranks, ohne Filterlüftung oder einen oder einen Wärmetauscher einzusetzen, behauptet der Entwickler. Er unterscheidet zwischen kalten und warmen Klimazonen. In kühleren Regionen ersetzt der umlaufende Luftkanal die Heizung für den Schaltschrank. Die Verlustwärme der Elektronik bleibt im Schrank. Die Elektronik halte sich sozusagen selber warm, fasst der Erfinder zusammen. Im umgekehrten Fall, in heißen Gebieten, muss der Axiallüfter nur das kleine Volumen der elektronischen Bauteile mit Kühlleistung versorgen und nicht mehr den ganzen Schaltschrank. Der geschlossene Luftkanal schließt Kondenswasserbildung aus und eignet sich besonders in aggressiver oder staubbelasteter Atmosphäre. „Im Hygienebereich entstehen neue Möglichkeiten, auch in Ex-Zonen bringt das Vorteile, speziell in gasdichten Schaltschränken.“, verdeutlicht Meininger.

Mithilfe einer Klappe lässt sich zwischen offenem und geschlossenem Luftkanal wechseln. Die Klappe ermöglicht Schaltschränke in verschiedenen Klimazonen zu betreiben und verbessert deren Energieeffizienz, unterstreicht Meininger. In dieser Ausführung reicht die Verlustwärme der Hutschienenkleingehäuse aus, um auch bei unter -20° C ohne Heizung auszukommen. Eine intelligente Steuerung in den Temperatursensoren soll die Lüfter und Klappen regeln. Die Konstruktion besitzt noch einen weiteren Vorteil. Die Elektronikmodule des Erfinders sind schmaler. Das schafft Platz auf der Hutschiene, so lassen sich mehr Komponenten in Schaltschrank unterbringen beziehungsweise der Schrank wird kompakter.

Positive und negative Resonanz

Auf der Seite der Anwender, wie Bestücker und Verdrahter von Schaltschränken, stößt Meininger mit seiner Idee auf offene Ohren. „Die Nachfrageseite sieht eine Schaltschrankklimatisierung als notwendiges Übel an.“, erzählt er. Kühlung sei eine Frage der Kostenabwägung. „Die Betriebskosten von Klimageräten liegen deutlich über den Kosten für den reinen Energiebedarf der Geräte. Häufig werden für die Verwendung von Klimageräten die Obergrenzen der Betriebstemperatur bewusst ausgelotet, trotz des Risikos von Elektronikstörungen.“ Der Schaltschrankspezialist will die Modulhersteller ansprechen. Sein neues Konzept mit der Querlüftung durch die Module eröffnet eine komplett neue Bauart ihrer Produkte, da das Thema Hitzestau keine Rolle spielt. „Anfangs hatte ich Bedenken und durchaus die eine oder andere schlaflose Nacht. Einige Gesprächspartner verabschiedeten sich meistens an diesem Punkt einer Diskussion. Das Ganze hat sich aber weiterentwickelt. Es wurden nach und nach Vorteile sichtbar, mit denen ich nicht gerechnet hatte. Mittlerweile denke ich in der Tat, dass die Umstellung des Moduldesigns erfolgen wird, und zwar schnell.“, erinnert sich Meininger. Einen Schaltschrank mit einer Modellkühlung gibt es noch nicht. „Ich suche nach Firmen, die sich für die Entwicklung interessieren. Es muss ein neuer Industriestandard für die seitlichen Öffnungen definiert werden, deshalb ist noch sorgfältige Entwicklungsarbeit nötig.“, verdeutlicht er.

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