Artikel-Serie \’Schaltschrank-Klimatisierung\‘ Teil 2 von 3: Schaltschränke kühlungsgerecht aufbauen

Die alte Faustregel beim Bestücken eines Schaltschranks \’Schweres nach unten, Leichtes nach oben\‘ hat auch heute noch ihre Gültigkeit. Diese Bestückungsart ist neben dem \’Komfort\‘ bei der Montage entscheidend für die Lage des Gesamtschwerpunktes. Darüber hinaus ist heute jedoch auch das wärmetechnische Verhalten von Antriebs- und Steuerungselektronik von großer Bedeutung. Saugt ein Gerät bereits die heiße Abluft des benachbarten Bauteils ein, so kann dies schnell zur thermischen Überlastung mit Totalausfall, fehlerhafter Funktion oder aber zumindest mit erheblich verkürzter Lebensdauer führen. Vorrangig sind bei Einbau und Platzierung die Angaben im jeweiligen Gerätehandbuch. Dort werden Richtwerte und auch Restriktionen in Bezug auf die Entwärmung (Einbaurichtung, Freiraum), aber auch bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) genannt. Insbesondere sind bei wärmeabgebenden Komponenten, die übereinander angeordnet werden, die erforderlichen Mindestabstände zwischen den Komponenten zu berücksichtigen. Für das praktische Beispiel eines Antriebsverbandes wäre dabei besonders zu beachten, dass ausreichend große Abstände für eine unbehinderte Luftströmung ober- und unterhalb der Komponenten eingehalten und Lüftungsgitter nicht abgedeckt werden. Für einwandfreie EMV ist die maximale Länge der, vorzugsweise geschirmt auszuführenden, Leistungskabel für Motor- und Netzzuleitung einzuhalten. Generell sollte die Anordnung der Komponenten einzeilig erfolgen. Ist aufgrund beschränkter Platzverhältnisse nur ein mehrzeiliger Aufbau möglich, sind besondere Maßnahmen in der Kühlluftführung wie Kanäle und Zusatzlüfter erforderlich. Der Außenluftkreislauf Der Außenkreislauf: Luftein- und Austrittsöffnungen von Schaltschrank-Kühlgeräten sollten einen Mindestabstand von 200mm zu einer Wand bzw. zueinander aufweisen. Andere Mindestabstände können durch spezifische Vorschriften des Geräteherstellers gefordert werden und haben generell Vorrang. Gegebenenfalls ist durch die Verwendung geeigneter Luftleitbleche ein lüftungstechnischer Kurzschluss zu verhindern, der Kühlluft ineffektiv zirkulieren lässt. Mögliche Auswirkungen eines Luftkurzschlusses können sein: – Vereisungsgefahr und dadurch Abschalten des Kühlgeräts – Überhitzung der Komponenten – daraus resultierend ein kompletter Anlagenstillstand Der Innenluftkreislauf Kühlgeräte in Wandanbauausführung sind nicht direkt hinter die Montageplatte zu setzen, da unter ungünstigen Bedingungen ein Luftkurzschluss zwischen Luftein- und -austritt auftreten kann, der eine ausreichende Klimatisierung der Schaltschrankeinbauten verhindert. Ein Mindestfreiraum zwischen den Luftein- und -austrittsöffnungen ist zur Einbringung der Kühlluft zu gewährleisten. Bei waagrechter Einströmung beträgt der notwendige Freiraum mindestens 200mm. Größere Mindestfreiräume sind gegebenenfalls aufgrund von gerätespezifischen Herstellervorgaben einzuhalten. Sollte eine Montage nur an der Schaltschrank-Rückwand möglich sein, sind ausreichend dimensionierte Ein- und Austrittsöffnungen in der Montageplatte sowie Schottungen im Bereich von Luftein- und Austrittsöffnung zwischen Kühlgerät und Montageplatte zur Vermeidung von Luftkurzschlüssen vorzunehmen. Die Abdichtung des Schaltschranks Um einen störungsfreien Kühlbetrieb sicherzustellen, ist der Schaltschrank abzudichten. Die Schutzart IP54 ist dabei mindestens sicherzustellen. Die IP-Klassifizierung nach IEC60529 beschreibt die Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen von festen und flüssigen Stoffen. Die erste Stelle der IP-Kennzeichnung bezieht sich auf feste Objekte (Staub), die zweite auf Wasser. Schlecht abgedichtete Kabeleinführungen, beschädigte Türdichtungen oder eine unsachgemäße Anbringung von Anzeige- und Bedieneinrichtungen an der Gehäuseoberfläche führen unter ungünstigen Bedingungen zu einem Anfall von mehreren Litern Kondensat am Tag und bewirken in der Regel ein höheres Temperaturniveau im Schaltschrank. Kaltluftführung im Schrank Die Kaltluftführung im Schaltschrank hat direkten Einfluss auf die Qualität der Schaltschrank-Entwärmung – und somit auf den störungsfreien Betrieb der gesamten Anlage bzw. Maschine. Die richtige Einleitung der Kaltluft in den Schaltschrank und insbesondere deren anschließende Verteilung sind dabei von besonderer Wichtigkeit. Die Kaltluft lässt sich über Kühlgeräte, die an Seitenwänden oder Türen des Schaltschranks angebaut sind, sowie über Dachaufbaugeräte oder Geräte, die z.B. im Sockelbereich des Schaltschranks positioniert sind, zur Verfügung stellen. Die benötigte Kühlgeräteausführung richtet sich dabei – neben der erforderlichen Nutzkühlleistung – hauptsächlich nach den Schrankabmessungen, dem Raumangebot in der Schrankumgebung sowie der Anordnung der zu kühlenden Komponenten im Schrank. Unabhängig von der Geräteauswahl gilt, dass die Kühlluft generell unterhalb der aktiven Komponenten in den Schaltschrank eingebracht wird und der Abstand zwischen der Kaltluftaustrittsöffnung und einem aktiven Bauteil so gestaltet sein muss, dass die Kaltluft ungehindert in den Schrank einströmen kann. Zwischen der Kaltluftaustrittsöffnung eines Kühlgerätes und einer aktiven Komponente im Schaltschrank ist ein Mindestabstand von 200mm erforderlich. Die sogenannten Wandanbaugeräte finden in der Regel bei Schaltschränken Verwendung, die einen einzeiligen Umrichterverband aufweisen. Sie werden dazu vorzugsweise auf einer Schranktüre positioniert. Eine interessante Variante dazu sind voll funktionsfähig aufgebaute Klimatüren, sie werden als Ganzes an Stelle der Standardtür an den Schrank montiert. Der Kaltlufteintritt erfolgt dabei unterhalb des Umrichterverbandes. Der geforderte Mindestabstand von 200mm zwischen dem Kaltluftaustritt und den zu kühlenden Hauptkomponenten ist dabei in der Regel bereits durch den konstruktiv gegebenen Abstand zwischen Klimatüre und Montageplatte sichergestellt. Ist dies in Ausnahmefällen nicht so, kann die Kaltluft über ein Luftleitblech am Kaltluftaustritt des Kühlgerätes in den Bodenbereich unterhalb der zu kühlenden Komponente umgelenkt werden. Der Abzug der erwärmten Luft hat oberhalb der aktiven Komponenten – in der Regel im Deckenbereich des Schaltschrankes – zu erfolgen. Bei der Auswahl eines Wandanbaukühlgerätes ist somit nicht nur die Kühlleistung des Gerätes von Bedeutung, sondern insbesondere auch die Bauhöhe bzw. der Abstand zwischen der Kaltluftaus- und Warmlufteintrittsöffnung. Klimatechnisch ist der Türanbau der Positionierung an einer Seitenwand vorzuziehen, da bei Letzterer der Umrichterverband seitlich mit Kaltluft angeströmt wird. Dabei besteht die Gefahr, dass die Kaltluft teilweise abgelenkt wird und \’ungenutzt\‘ unterhalb des Umrichterverbandes vorbeiströmt. Zur Vermeidung unerwünschter \’wilder\‘ Zirkulationsströmung können Abschottungen zwischen dem Umrichterverband und den Schrankwänden hilfreich sein. Dachaufbau-Kühlgeräte sind bestens zur Kühlung ein- und mehrzeiliger Umrichterverbände geeignet. Sie zeichnet insbesondere aus, dass die Abwärme an der höchst möglichen Position des Schaltschranks abgezogen und der Kühleinrichtung zugeführt wird. Das vermeidet einen Hitzestau direkt unterhalb des Daches, sodass auch in diesen oberen Regionen noch aktive Komponenten eingebaut werden können. Vorteilhaft sind derartige Klimageräte mit mehreren Luftaustrittsöffnungen versehen sein, die um eine zentrale Warmlufteintrittsöffnung angeordnet sind. Die Kaltluft aus diesen Öffnungen soll sich unterhalb der zu kühlenden Komponenten großflächig ausbreiten können. Ist das auf \’natürlichem Weg\‘ nicht möglich, so muss es durch Luftkanalsysteme sichergestellt werden. Eine gezielte Kaltluftzuführung über Kanäle zu den Bauteilen ist auch dann sinnvoll, wenn durch großvolumige Einbauten und/oder Geräte mit integriertem Lüfter die Ausbildung eines gleichmäßigen Kühlluftstroms von unten nach oben gestört ist. Bei der Auslegung entsprechender Luftführungen ist zu beachten, dass – der Einsatz eines Kanalsystems die Kühlleistung der Geräte um bis zu 10% reduziert, – möglichst mehrere Kanalsysteme pro Schaltschrank vorzusehen sind, – Luftschläuche knickfrei verlegt werden müssen, – ein direktes Anblasen aktiver Komponenten mit Kaltluft unzulässig ist, – eine ungestörte Ausströmung der Kaltluft am Kanalende gewährleistet sein muss, – bei Dachaufbau-Kühlgeräten, die mehrere Kaltluftaustrittsöffnungen aufweisen, der freie Luftaustritt aus mindestens zwei Öffnungen gegeben sein muss. Luftein- und Austrittsöffnungen von aktiven Komponenten im Innenkreis dürfen unter keinen Umständen durch Elektroinstallationen verbaut werden! Wie stark selbst \’kleine\‘ Hindernisse oder ein Kabelgewirr den Strömungswiderstand erhöhen, wird oft völlig unterschätzt. Sollte eine Montage von Komponenten in unmittelbare Nähe vor Lüftungsöffnungen unumgänglich sein, so sind unbedingt Luftleitbleche zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Zirkulation vorzusehen. Dachaufbau-Kühlgeräte, welche in Verbindung mit Luftkanalsystemen die Kaltluft bis in den Bodenbereich des Schaltschrankes führen, stellen eine weitere Kühllösung dar. Über einen großflächigen, mit Luftaustrittsöffnungen versehenen Kanal (Diffusor) strömt die Luft dort mit geringer Geschwindigkeit aus. Charakteristisch dabei ist, dass sich eine recht gleichmäßige Temperaturverteilung im Schaltschrank einstellt. Außerdem stimmt die Strömungsrichtung der Kühlluft mit der Strömungsrichtung der Lüfter überein, die in den Umrichterkomponenten installiert sind. Nachteilig ist, dass dieses Kühlprinzip zur Klimatisierung von Schaltschränken mit mehrzeiligen Umrichterverbänden nur bedingt geeignet ist, da die Kühlluft hauptsächlich dem untersten Verband zugute kommt, während die oberen Verbände in der Regel die kühltechnischen Verlierer sind.