Vor dem Prototypenbau schon das Klima checken

Auch wenn es sich wie eine Binsenweisheit anhört, es muss betont werden: Mit der zunehmenden Leistungsfähigkeit der Elektronik, die in immer kleineren Baugrößen realisiert wird, steigen die Anforderungen an die Klimatisierung überproportional. Nur wenn es gelingt, für diese Bauteile ein „Wohlfühlklima“ zu schaffen, ist deren ordnungsgemäße Funktion sicher gestellt. Unverändert gilt ebenso: Wird die Temperatur um 10° C erhöht, halten diese Baugruppen nur noch halb so lange oder die Wahrscheinlichkeit von Fehlfunktionen verdoppelt sich. Ab eine r kritischen Temperatur geht gar nichts mehr.

Es gilt also, Wärmenester in eng bepackten Schränken auch noch im hintersten Winkel zu verhindern. Das geht nicht mehr aus dem Handgelenk oder mit der Erfahrung von gestern, sondern erfordert fundiertes Klimatisierungs-Know-how. Nun darf es aber nicht Ziel sein, dass Systemausrüster erst zu Klimaspezialisten ausgebildet werden müssen. Besser und zielgerichteter holt man sich dieses Wissen entweder in Form interaktiv geführter Software oder direkt von einem Dienstleister. Um objektiv beraten zu können, sollte der dann allerdings alle Facetten abdecken. Quasi als Checkliste dazu kann die folgende kurze Übersicht dienen.

Lüfter, Lüftereinschübe und Kühlgebläse sind die einfachsten Komponenten zur Wärmeabfuhr. Voraussetzung für deren erfolgreichen Einsatz ist eine relativ saubere Umgebungsluft mit einer Temperatur unterhalb der gewünschten Schaltschrank-Innentemperatur. Bei Wärmetauschern sind der Außen- und der Innenkreislauf vollständig voneinander getrennt. Das bedeutet, dass Staub und aggressive Dämpfe nicht ins Innere von Schrank oder Gehäuse eindringen können. Wie die Lüfter benötigen Luft-/Luft-Wärmetauscher ein Temperaturgefälle zwischen Außen- und gewünschter Innentemperatur. Mit Luft-/Wasser-Wärmetauschern in Verbindung mit einer Rückkühlanlage dagegen kann die Luft im Schrankinnenraum unter das Niveau der Außentemperatur abgesenkt werden.

Mit aktiven Kühlgeräten wird die Schaltschrankinnentemperatur auf konstantem Niveau gehalten, das auch unter der Raumtemperatur liegen kann. Durch die getrennten Außen- und Innenkreisläufe bleibt auch hier die Schutzart des Schrankes erhalten. Für spezielle Anwendungen bietet sich die Flüssigkeitskühlung direkt am Prozessor an; denn Wasser kann besonders effektiv große Wärmemengen ableiten. Eine spezifische Art der Wasserkühlung ist auch die sogenannte Cold-Plate-Technik, die sich bei Rittal als standardisierte Lösung „Direct Cooling Package (DCP)“ nennt. Sie ist für verlustintensive Komponenten, wie beispielsweise Frequenzumrichter, vorgesehen.

Rückkühlanlagen stellen das Kühlmittel zentral zur Verfügung. Bei der Schaltschrank-Klimatisierung sichert dies, verbunden mit Wärmetauschern, Wasserkühlung direkt am Prozessor oder Cold-Plate-Technik, auch unter extremsten Umgebungsverhältnissen den störungsfreien Betrieb.

Agieren statt reagieren: Dieses Vorgehen sichert beim Klimatisieren optimale Ergebnisse und verhindert das spätere „Herumdoktern“ an Symptomen. Hierzu stehen sehr wirkungsvolle Werkzeuge zur Verfügung. Je nach Komplexität der Aufgabe können diese einzeln oder sich ergänzend eingesetzt werden. Dabei sind oft zwei Wege gangbar. Der erfahrene Projektierer des Kunden nutzt die Hilfsmittel entweder selbst oder überträgt diese Dienstleistung bereits bei der Anfrage einem Partner mit entsprechendem Know-how. Ist dieser Partner beispielsweise Rittal, kann er folgende Werkzeuge und Leistungen nutzen:

PC-gestützte Projektierungshilfen führen schnell und auf Anhieb zum richtigen Klimatisierungskonzept. Bei dem Paket Therm beispielsweise werden einfach die Rahmenbedingungen, wie beispielsweise die gewünschte Schrankinnentemperatur, Umgebungstemperatur und installierte Verlustleistung eingegeben. Unterstützt werden alle Kategorien der Kühlung. Auch werden Hinweise zur inneren Luftführung im Schaltschrank gegeben. Die Software liefert als Output die optimale Kühlkonzeption, die die vorgegebenen Leistungs- und Umgebungsbedingungen berücksichtigt. Die Resultate stimmen mit den Vorgaben VDE 0660 Teil 507 und DIN 3168 für Schaltschrankkühlgeräte überein. Therm ist besonders einfach zu bedienen und startet direkt von der CD-ROM. Alle erforderlichen Parameter von Komponenten wie Schrank oder Klimagerät können dazu direkt abgerufen und in die Software eingegeben werden.

Das neue Therm-Programm bietet ein Tool, bei dem bis zu 14 Gehäuse in einer Reihe angeordnet und per Knopfdruck verbunden werden können. Wie aber steht es jetzt um die Klimatisierung? Reicht ein Kühlgerät für die gesamte Reihe, oder benötigt man im anderen Extrem je Schrank eines? Braucht man zusätzliche Lüfter zwischen den Schränken und wenn ja, wo? All dies beantwortet das Programm. Der Anwender kann dann sicher sein, dass die Leistungselektronik ohne zu Überhitzen ihre Arbeit verrichtet. Eine weitere Lösung ist die Simulation per CFD (Computational Fluid Dynamics). Das Klima wird so optimiert, noch bevor der erste Prototyp gebaut wird. Basis ist eine Software, die sowohl die geometrischen als auch die physikalischen Eigenschaften eines Gehäuses oder Raumes sowie der Einbaukomponenten berücksichtigt und in einem Wärmebild visualisiert. Damit lassen sich kritische Bereiche aufspüren und gezielt beseitigen. Ferner liefert das Verfahren wertvolle Hinweise, an welchen Stellen Temperaturfühler den größten Nutzen bieten. Vor dem Hintergrund steigender Energiekosten kann mit CFD auch die tatsächlich benötigte Leistung von Wärmetauschern und Kühlgeräten bestimmt, also ein Überdimensionieren vermieden werden. Die Simulation eines Kühlgeräteausfalls zeigt, welche Komponenten am stärksten in Mitleidenschaft gezogen würden und wie lange es dauert, bis die Temperatur kritische Werte erreicht.

Die Thermografie liefert Wärmebilder, die anhand eines Farbschlüssels am realisierten Objekt, beispielsweise dem Prototyp, den Erfolg bereits durchgeführter Maßnahmen oder aber dringend erforderlichen Handlungsbedarf aufzeigen. Damit lassen sich kritische Punkte sicher aufspüren und nachträglich entschärfen.

Das Klimalabor schließlich ist die erste Adresse, wenn in Dienstleistungen für Kunden aufwendige und detaillierte Untersuchungen an realistisch aufgebauten Systemen durchzuführen sind. Als Basis für ein dokumentiertes Optimieren werden die Messdaten von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren über Zwölfkanaldatenlogger ausgewertet. Aufgabe des Labors ist es ebenfalls, Anlagen auf Energieeffizienz zu trimmen, wie auch beispielsweise den Master-Slave-Betrieb ganzer Schrankreihen zu optimieren.

Ralf Schneider Leiter Produktmanagement Schaltschrank-Klimatisierung bei Rittal in Herborn

Eine gute Dienstleistung beginnt beim Projektieren

Marktchancen

Alle Dienstleistungen aus einer Hand beziehen? Fakt ist, dass weniger Schnittstellen auch weniger Reibungsverluste und weniger Fehlermöglichkeiten bedeuten. Aus gutem Grund wird diese Strategie beispielsweise im Bereich der Materialwirtschaft verfolgt. Wer dies auch für die Schaltschrankklimatisierung von Maschinen und Anlagen anstrebt, ist bei Spezialisten in guten Händen. Maschinenbauer können sich so auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren.

Die Beiträge im Industrieanzeiger 26 und 41 haben gezeigt: Zum Kühlen von Leistungselektronik in Gehäusen und Schaltschränken steht ein breites Programm an Komponenten zur Verfügung. Wie aber die richtige Auswahl treffen? Welche Planungshilfsmittel gibt es? Der dritte Teil der Serie beschreibt die Möglichkeiten der Dienstleistung. Sie reicht dabei von der Simulation bis zur Thermografie.