Nie mehr „heiße Luft“ im Schaltschrank

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Effektives Wärmemanagement ist eine komplexe Angelegenheit. Der Beitrag gibt Hilfestellungen zur Suche und Auswahl des passenden Entwärmungskonzepts für den Schaltschrank.

Das ist ein Szenario, das jeder kennt: Ein neuer Schaltschrank oder neue Komponenten werden benötigt. Ein Platz im Unternehmen ist schnell gefunden und der Schrank zügig mit einer Anlage verknüpft oder in ein vorhandenes Netzwerk eingebunden. Häufig stellt sich dann – je nach Bestückungsdichte des Schaltschrankes – erst im Nachhinein die Frage, wie die entstehende Wärme effektiv abgeleitet werden kann.

Neben Schaltschränken benötigen auch Elektronik-Baugruppen ein effektives Wärmemanagement, insbesondere, da die Baugruppen heutzutage immer kleiner und gleichzeitig leistungsfähiger werden. Dieser Trend stellt neue Anforderungen an die Wärmeabfuhr, da thermische Probleme die Zuverlässigkeit von Systemen negativ beeinflussen und die Lebensdauer verkürzen.

Das Internet bietet bei der Suche in Bezug auf effiziente Lüftung und Entwärmung erste Anhaltspunkte für verfügbare Systeme und Anwendungen sowie deren Vor- und Nachteile. In den meisten Fällen gestaltet sich die Suche auf eigene Faust und ohne einen kompetenten Partner an seiner Seite oftmals recht schwierig.

Betrachtet man das Temperaturmanagement etwas genauer, gibt es eine Vielzahl von Punkten, die es im Einzelnen zu bewerten und zu beachten gibt. Unter anderem geht es um die richtige Platzierung des Lüftereinschubes. Im Bodenbereich des Schaltschrankes befindet sich üblicherweise die beste Position, da der Lüfter kalte Luft ansaugen kann und diese nach oben bläst. Thermisch ist diese Lage optimal, weil die Lebensdauer der Lüfter nicht verringert wird.

Oft findet sich aber nur im oberen Bereich des Schaltschrankes Platz, um einen Lüftereinschub zu montieren. Dies wirkt sich jedoch nachteilig auf die Lebensdauer des Lüfters aus, da der Lüfter permanent warme Luft ansaugt und mangels Abkühlung des eigenen Motors selbst der Hitze zum Opfer fällt.

Die Planung rund um das Thema Wärmemanagement ist komplex und zeitintensiv, sodass es sinnvoll ist, sich einen Spezialisten auf diesem Gebiet beratend zur Seite zu holen. Im Folgenden werden einige interessante Lösungen aufgezeigt.

Passive Kühlung als einfache Möglichkeit

Zur passiven Kühlung elektronischer Baugruppen und Systeme eignet sich eine 19-Zoll-Kühlkassette wie in Bild 1 dargestellt. Durch die hohe Packungsdichte der Baugruppen wird eine konventionelle Lüftung, beispielsweise durch natürliche Konvektion erschwert; auch der Einsatz von Lüftern stößt dadurch häufig an Grenzen.

Durch die Kassette wird die im Gerät entstehende Verlustleistung bzw. -wärme über einen gleichzeitig als Seitenwand fungierenden Kühlkörper nach außen abgeführt. Bei extremer Temperaturentwicklung kann die Wärme dabei noch zusätzlich gezielt über eine Heatpipe auf den Kühlkörper geleitet werden.

Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers beträgt ca. 0,8 K/W. Eine asymmetrische Frontplatte deckt den Kühlkörper frontseitig ab. Der Einbau von Europakarten ist durch rastbare Kartenführungen auf jedem beliebigen Steckplatz innerhalb der Kassette möglich. Mögliches Zubehör sind Rückwände oder Griffe und Griffstreifen in unterschiedlichen Ausführungen und Farben ebenso wie EMV-Kontaktfedern an der Frontplatte, um die Schirmung der Front im Baugruppenträger zu realisieren. Optional kann auch die Kassette gegen HF-Störungen abgeschirmt werden.

Aktive Kühlung durch Querstromgebläse

In die Kategorie der aktiven Kühlung fällt unter anderem das 19-Zoll-Querstromgebläse (Bild 2) zur Belüftung von 160 mm oder 220 mm tiefen Baugruppen. Das Gebläse wird im Gestell, Schrank oder Gehäuse unter der zu kühlenden Baugruppe montiert. Es bläst die von vorne angesaugte gefilterte Luft nach oben durch den Baugruppenträger. Der Querstromlüfter besteht aus einem Stahlblechgehäuse, in dem sich, kugelgelagert, die Lüfterwalze dreht. Der Motor ist außen an der Gehäusewand angeflanscht und gibt daher seine Verlustwärme nicht an den Kühlluftstrom ab.

Die Kühlluft wird an der Schrank- bzw. Gehäusefront durch den Filter hindurch angesaugt, um 90° umgelenkt und nach oben in der gesamten Lüfterbreite in den Baugruppenträger geblasen. Um Staub- und Schmutzpartikel abzuhalten, ist es wichtig, eine Filtermatte in den Lüfter zu verbauen, da sich so auch die Lebensdauer des Lüfters wesentlich erhöht.

Lüftereinschübe zur Schaltschrank-Entlüftung

Im Bereich Schaltschrank-Entlüftung bietet sich ein 1 HE Lüftereinschub an, der sich durch einen günstigen Preis bei hoher Flexibilität auszeichnet. Ein Beispiel ist der Lüftereinschub CoolSpot (Bild 3) von Intermas.

Entsprechend der anfallenden Wärmelast lässt sich hier die Anzahl der Lüfter variieren, um kostengünstig, aber effektiv elektronische Baugruppen in 19-Zoll-Schränken oder Gehäusen punktgenau zu kühlen. Durch das stufenlose freie Positionieren der Lüfter kann gezielt Kühlluft an Hot Spots zugeführt werden. Der Grundrahmen ist aus speziellen Aluminium-Profilen zusammengefügt. Aufgrund des variablen Aufbaus kann der Anwender frei wählen, ob er nur einen Lüfter einbauen möchte, oder ob eventuell mehrere Lüfter benötigt werden.

So sind bei einem 19-Zoll-Einschub bis zu vier Lüfter in einer Reihe möglich. Die Befestigung der Lüfter im Grundrahmen erfolgt ohne Werkzeug. Aufgrund der Gestaltung des Frontplatten- und des Rückwandquerschnittes lassen sich die einzelnen Lüftermodule über die gesamte Breite des Lüftereinschubes stufenlos und somit punktgenau verschieben – schnell und jederzeit mithilfe von Halte­clips aus Federstahl.

Die modulare Bauweise ermöglicht die Erweiterung des Lüftereinschubs in der Tiefe um eine weitere Reihe, womit die maximale Anzahl der Lüfter auf acht Stück verdoppelt werden kann. Durch die Verwendung von handelsüblichen Lüftern lassen sich problemlos unterschiedliche Spannungen und Luftleistungen individuell auf die Kundenanforderungen abstimmen.

Lüftereinschub zum Nachrüsten von Baugruppenträgern

Ein nachrüstbarer Lüftereinschub bietet die Möglichkeit, Baugruppenträger bei Bedarf kostengünstig mit einer 1 HE Lüftereinheit nachzurüsten. Einzige Voraussetzung ist, dass es sich um einen Baugruppenträger in 19-Zoll-Standardbreite handelt.

Lüftereinschub zum Nachrüsten von Baugruppenträgern

Die kompakte Lüftereinheit lässt sich einfach und unkompliziert einbauen. Bei Wartungs- und Reparaturarbeiten können die Werker die Lüftermodule sowie die Filtermatten schnell und einfach austauschen, da sie sich in einem Auszug befinden und somit nicht aufwändig demontiert werden müssen.

Die Einschübe sind für die Standardtiefen von 160 und 220 mm ausgelegt. In den Einschüben werden Lüfter der Bauhöhe 25 mm eingesetzt. Bei der Auswahl der zu verwendenden Lüftertypen kann flexibel auf Wünsche eingegangen werden.

Als Standard werden bei einer Nenntiefe von 160 mm vier Lüfter mit den Maßen 92 mm x 92 mm und bei einer Nenntiefe von 220 mm drei Lüfter mit den Maßen 119 mm x 119 mm verwendet. Dadurch ist gewährleistet, dass möglichst alle darüber befindlichen Einheiten durch einen gleichmäßigen Luftstrom belüftet werden. Unterhalb der Lüfter kann eine Filtermatte eingesetzt werden. Kundenspezifische Lösungen bezüglich Position oder Anzahl der Lüfter sind möglich. Der Einschub kann auch direkt in einen neuen Baugruppenträger integriert werden.

Die hohen Anforderungen in der Bahntechnik

Auch elektrische Komponenten in Bahnanwendungen, vor allem in 19-Zoll-Gehäusen und Schränken, benötigen eine effektive Kühlung. Hier empfiehlt sich der InterRailFAN (Bild 4), ein kompakter Lüftereinschub in 1 HE Bauweise. Dieser wurde speziell für den Einsatz in der Bahntechnik konzipiert und den Bahnstandards entsprechend konstruiert. Über einen integrierten Temperaturfühler lässt sich die Lüfterdrehzahl abhängig von der Umgebungstemperatur anpassen.

Dieser Beitrag ist im Sonderheft Elektromechanik III der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF) erschienen.

Optional ist ein externer Temperaturfühler erhältlich. Bei Unterschreiten einer kritischen Lüfterdrehzahl wird ein Alarm ausgegeben, sowohl optisch (LED) als auch über einen potentialfreien Kontakt. Die Nennleistung beträgt 18 W; die Betriebstemperatur erstreckt sich von –40 bis 70°C (OT4 nach EN 50155). Standardmäßig wird der Lüftereinschub aus vorverzinktem Stahlblech gebaut.

* Nora Megyesi arbeitet als Marketing Assistentin bei Intermas-Elcom in Darmstadt.

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