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Kanallose Verdrahtung sorgt für homogenes Schaltschrankklima

01 Der Schaltschrank-Versuchsaufbau bei Audi Hungaria in Györ: mit konventioneller Montageplatte (links) und Airstream-Verdrahtungsrahmen (rechts)

01 Der Schaltschrank-Versuchsaufbau bei Audi Hungaria in Györ: mit konventioneller Montageplatte (links) und Airstream-Verdrahtungsrahmen (rechts)

02 Hitzestress für die Bauteile: Das thermische Diagramm zeigt die eindeutig erkennbare Luftschichtung aus dem Schaltschrankinneren mit Montageplatte

02 Hitzestress für die Bauteile: Das thermische Diagramm zeigt die eindeutig erkennbare Luftschichtung aus dem Schaltschrankinneren mit Montageplatte

03 Homogenisiertes Schaltschrankklima: Das thermische Diagramm mit dem Lütze-Airstream-Verdrahtungsrahmen

03 Homogenisiertes Schaltschrankklima: Das thermische Diagramm mit dem Lütze-Airstream-Verdrahtungsrahmen

04 15 min Detailanalyse: Deutlich sichtbare „Hotspot-Problematik“ mit bis zu 42,5 °C bei der Montageplatte (li) durch Luftverblockung am Kabelkanal (Messpunkt 8). Das rechte Schaubild zeigt die homogeneren Temperaturschichten im Airstream-Schrank

04 15 min Detailanalyse: Deutlich sichtbare „Hotspot-Problematik“ mit bis zu 42,5 °C bei der Montageplatte (li) durch Luftverblockung am Kabelkanal (Messpunkt 8). Das rechte Schaubild zeigt die homogeneren Temperaturschichten im Airstream-Schrank

05 Thermische Detailanalysen mit der Software Airtemp

05 Thermische Detailanalysen mit der Software Airtemp

Eine aktuelle Praxisstudie von der Audi AG und Lütze belegt, dass Dank der strömungstechnisch günstigen Eigenschaften des Verdrahtungssystems Airstream, die Durchschnittstemperatur im Schaltschrank um ca. 4 K niedriger liegt als in einem vergleichbaren Schrank mit Montageplatte. Noch größer ist der Unterschied in den für viele Bauteile kritischen Hotspot-Bereichen mit hohen Spitzentemperaturen. Während die Maximaltemperaturen mit Airstream 4 K über der mittleren Durchschnittstemperatur liegen, sind es bei einem Schrank mit Montageplatte bis zu 9 K. Außerdem sind dabei die Temperaturschichtungen mit Unterschieden bis 14 K extrem ausgeprägt.

In modernen Schaltschränken befinden sich viele Bauteile und Leistungselektronik. Kein Wunder, denn die Applikationen werden immer kleiner und effizienter. Da sich jedoch gleichzeitig die Wärmeverlustleistung der Bauteile nicht verringert, nimmt die Wärmeentwicklung in Schaltschränken stetig zu. Die Hersteller von Klimageräten optimierten darum in den letzten Jahren die Effizienz ihrer Kühlsysteme deutlich – auch wegen der stetig steigenden Energiekosten.
Diesen ressourcensparenden Weg der Schaltschrank- und Klimagerätehersteller unterstützt Lütze mit Airstream. Das Verdrahtungssystem verbessert das Klima im Schaltschrank, sodass sich die aktive Kühlleistung minimieren lässt. Anders als beim konventionellen Schaltschrankaufbau mit Montageplatte sind bei Airstream die Aufbau- und die Verdrahtungsebene voneinander getrennt. So werden strömungstechnisch ungünstige Kabelkanäle vermieden. Zudem entsteht hinter dem Verdrahtungsrahmen ein Kamineffekt. Idealtypisch wird so die kalte Luft hinten nach unten geleitet und strömt vorne wieder nach oben. Auf der Rückseite der Verkabelung entwickelt sich dadurch eine „Cool Zone“. Es entsteht eine permanente Luftzirkulation zwischen wärmerer Verdrahtungsvorder- und kühlerer Verdrahtungsrückseite.
Praxisnaher Versuchsaufbau bei Audi
Welche positiven Effekte der Einsatz des Airstream-Systems auf das Temperaturniveau sowie die -verteilung im Schaltschrank hat, wurde kürzlich im Motorenwerk von Audi Hungaria in Györ in der Praxis unter Alltagsbedingungen untersucht. Hierzu wurden vor Ort in der Produktion zwei Anlagen mit je vier Schaltschränken (1 200 mm bzw. 600 mm Breite, 2 000 mm Höhe, 600 mm Tiefe) mit den gleichen Bau- und Leistungsteilen bestückt und verdrahtet. Einziger Unterschied: Anlage I wurde mit Montageplatte und Anlage II mit Airstream-Rahmen ausgestattet (Bild 1).
Die Klimatisierung erfolgt bei der Anlage I über ein Klimagerät mit 1 500 W und bei der Anlage II über Wärmetauscher mit 1 450 W. Die Verlustleistung der beiden Kühlmedien spielt bei dieser Untersuchung jedoch nur eine Nebenrolle, da die kalte Luft bei beiden Varianten vom Dach kommt. Der Fokus der Studie lag vielmehr auf dem Nachweis sowie der Wirkung einer gezielten Luftführung im Schaltschrank, da die Luft bei Airstream, im Gegensatz zur Montagetafel, frei zirkulieren kann. Beide Schaltschrankaufbauten waren bei gleicher Taktung jeweils für rund 6 h in eine Fertigungslinie zur vollautomatischen Einpressung von Ventilsitzringen und Ventilführungen in den Zylinderkopf eines V6-Otto-Motors eingebunden.
Die Dauer der Messreihen war auf zwei Tage angesetzt. Messung I mit Montageplatte erfolgte am ersten Tag – bei einer Umgebungstemperatur von 22 °C – und Messung II mit einem Lütze-Airstream-Rahmen am zweiten Tag – bei einer Umgebungstemperatur von 23,9 °C.
Nach Betriebsbeginn erfassten zehn Messfühler die Umgebungs- und die Innentemperaturen. Die tatsächliche Leistungsaufnahme der beiden Anlagen wurde nicht betrachtet, da von einer identischen Taktung ausgegangen wurde. Stattdessen achteten die Experten darauf die Temperatur besonders an den wärmekritischen Punkten im Schrank – also zum Beispiel an den Komponenten mit hoher Wärmeverlustleistung (FU) – zu messen.
Die Messergebnisse im Detail
Beim Versuchsaufbau I mit Montageplatte (Bild 2) pendelten sich die Temperaturschichten nach Anlauf des Klimageräts (ca. 40 min nach Produktionsstart) zwischen 29 °C und 43 °C ein. Beim Versuchsaufbau II mit Airstream-Verdrahtungsrahmen (Bild 3) pendelten sich die Temperaturschichten nach Anlauf der Wärmetauscher (ca. 37 min nach Produktionsstart) zwischen 30 °C und 34 °C ein.
Bild 4 zeigt die Temperaturen an den Messpunkten 8 und 9 sowie am Luftaustritt im Detail. Beim Versuch mit Montageplatte herrscht am Messpunkt 9 zwischen Schütz und Kabelkanal eine Temperatur zwischen 38,5 °C und 42,5 °C, am Messpunkt 8 zwischen der Simatic ET200S und Kabelkanal eine Temperatur zwischen 36,5 °C und 38,5 °C sowie am Luftaustritt des Klimageräts von 33,5 °C. Die hohe Temperatur am Kabelkanal deutet auf eine Luftverblockung hin, die diesen Hotspot hervorruft. Ein Hotspot der gerade noch knapp innerhalb der Toleranzen bleibt, da die Anlage auf eine Außentemperatur von 38 °C und eine maximal zulässige Innentemperatur von 42 °C ausgelegt ist.
Im Airstream-Schaltschrank wurde einen Tag später am Messpunkt 9 zwischen Schütz und Simatic ET200S eine Temperatur von 31 °C bis 33,5 °C, am Messpunkt 8 zwischen Simatic ET200S und Klemmen eine Temperatur von 32 °C bis 33,5 °C und am Luftaustritt des Wärmetauschers von 29,5 °C gemessen. Würde die Luft beim Austritt des Wärmetauschers identisch der Temperatur des Klimageräts entsprechen, würden die Kurven linear ansteigen. Trotzdem ist die Luft homogen und nicht geschichtet wie bei der Montageplatte. Hotspots sind beim Airstream-Verdrahtungsrahmen kaum erkennbar.
Beim Vergleich der beiden Schaltschrankaufbauten ist außerdem zu berücksichtigen, dass der Versuchsaufbau II mit ungünstigeren Rahmenbedingungen belastet war: So lag die Umgebungstemperatur mit 1,9 K höher als am Tag 1 der Messreihe. Bei gleicher Außentemperatur wäre somit der Schrank mit Airstream innen um weitere 1,9 K kühler gewesen und die Kurven in Bild 3 würden dementsprechend tiefer verlaufen.
Fazit: Entwärmung lässt sich nachweisen
Die Praxisstudie belegt, dass mit dem Einsatz des Airstream-Verdrahtungsrahmens eine spürbare Entwärmung und Homogenisierung des Schaltschrankklimas möglich ist. Damit werden die eingebauten Geräte nicht nur vor einem schleichenden Hitzekollaps bewahrt, auch deren Lebenserwartung erhöht sich.
Weitergehende theoretische Betrachtungen mit der online verfügbaren Software Airtemp (Bild 5) zeigen, dass man bei der Applikation sogar auf ein Klimagerät verzichten könnte. Bei einer angenommenen Umgebungstemperatur von 25 °C und unter der Maßgabe, dass in der Regel 70 % der Komponenten gleichzeitig betrieben werden (Gleichheitsfaktor), müsste allenfalls ein Lüfter, wie der Airblower von Lütze eingesetzt werden.
Weitere nachhaltige Klimaverbesserungen lassen sich unter Verwendung der Lütze Airblades erzielen. Diese ermöglichen eine zielgenaue Kühlluftführung im Schaltschrank. Dadurch werden Hot-Spots in der Umgebung von Komponenten mit einer hohen Verlustleistung aktiv minimiert. (no)
Michael Bautz ist Produktmanager Cabinet-Solutions bei der Friedrich Lütze GmbH in Weinstadt. michael.bautz@luetze.de

Kostenloses Simulationsprogramm

Airtemp, das kostenfreie Online-Simulationsprogramm von Lütze, ermöglicht die Analyse der Wärmeentwicklung und -verteilung in Schaltschränken. Sie gestattet eine differenzierte thermodynamische Analyse eines Schaltschranks mit Montageplatte oder Airstream-Verdrahtungsrahmen. Schnell und einfach lässt sich damit ermitteln, welche unterschiedlichen Temperaturen und Temperaturschichtungen in einem Schaltschrank entstehen können. Airtemp teilt hierzu einen Schaltschrank gedanklich in drei Zonen auf. Für jede Zone wird jeweils präzise die Temperatur berechnet. Zudem lässt sich simulieren, wie sich Kühlmöglichkeiten, wie Airblower oder ein Klimagerät, auswirken: Die aktiven Kühlmedien können zudem mit dem Airblower gekoppelt werden, um zum Beispiel ein Klimagerät an die Anforderung im Zusammenspiel mit dem Airblower in der Dimensionierung anzupassen.