Kanallose Verdrahtung sorgt für frischen Wind im Schaltschrank - Friedrich Lütze GmbH

Kanallose Verdrahtung sorgt für frischen Wind im Schaltschrank

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Eine Praxisstudie beim französischen Maschinenbauer NUMALLIANCE belegt das thermische Potential des AirSTREAM Verdrahtungssystems.

Die Numalliance SAS mit Hauptsitz im französischen Saint-Michel-sur-Meurthe/Vogesen ist Marktführer bei CNC-Maschinen für die Kaltumformung von Draht-, Rohr- und Flachmaterial. Mit den angebotenen Maschinen werden beispielsweise Motor- oder Kerosinversorgungs- und Klimaanlagenrohre für die Luftfahrtindustrie hergestellt. Aber auch Scheibenwischer, Kopfstützen, Elemente für die Elektromobilität sowie Gestelle und Gitter für Kühlschränke oder auch Einkaufswagen sind Produkte, die mit den Maschinen von NUMALLIANCE hergestellt werden.

Abb. 1: NUMALLIANCE Drahtbiegemaschine, https://ww2.numalliance.com/drahtbiegemaschinen.html

Platzoptimierung im Schaltschrank

LÜTZE ist seit vielen Jahren Partner von NUMALLIANCE. Mit hochflexiblen LÜTZE SUPERFLEX® Leitungen startete vor 25 Jahren der erste geschäftliche Kontakt. Das Lieferangebot erweiterte sich entsprechend mit der Entwicklung der Maschinentechnik und umfasst heute eine sehr umfangreiche Auswahl, die sich auf das gesamte LÜTZE Leitungssortiment mit etwa 50 verschiedenen Produkten bezieht.

Auch das Schaltschrankverdrahtungssystem von LÜTZE wird seit Ende der 90er Jahre eingesetzt – ursprünglich in erster Linie, um das begrenzte Platzangebot in den Schaltschränken besser nutzen zu können. In enger Kooperation mit der NUMALLIANCE-Forschungsabteilung ergaben sich im Laufe der Jahre zahlreiche verschiedene Projekte – von anfangs lose gelieferte Steg-Profilen zur Selbstmontage der Verdrahtungssysteme bis zu fertig montierten und sofort verdrahtungsfertigen Rahmen seit 2007.

Große Packungsdichte im Schaltschrank

In modernen Schaltschränken können eine Vielzahl Bauteile und Leistungselektronik untergebracht werden. 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 Schaltschrankklimageräten optimierten darum in den letzten Jahren die Effizienz ihrer Kühlsysteme deutlich - auch wegen den stetig steigenden Energiekosten.

LÜTZE unterstützt diesen ressourcensparenden Weg der Schaltschrank- und Klimagerätehersteller mit dem AirSTREAM-Verdrahtungssystem, welches es ermöglicht das Klima im Schaltschrank so zu verbessern, dass die aktive Kühlleistung minimiert werden kann. Anders als beim konventionellen Schaltschrankaufbau mit Montageplatte, wird bei AirSTREAM die Aufbau- von der Verdrahtungsebene 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.

Temperaturmessungen währen der Produktion

Um das volle Potential des eingesetzten LÜTZE Verdrahtungssystems ausschöpfen zu können, wurde nun als neuestes Kooperationsprojekt zwischen NUMALLIANCE und LÜTZE eine Temperaturanalyse in den eingesetzten AirSTREAM Schaltschränken durchgeführt. Die Messungen durch die LÜTZE-Spezialisten zur Ermittlung der Innentemperaturen wurden an einer FTX-Rohrbiegemaschine durchgeführt. Eine Maschine, bestehend aus sieben Servomotoren, die Draht, Flachrohr und Federdraht von einer Materialspule mit einem Durchmesser zwischen 3 und 16 mm führen kann.

Die Temperatur in den betreffenden Schränken kann aufgrund der sehr hohen Dichte der Installationen und der vorhandenen Komponenten leicht in einen kritischen Bereich ansteigen. Darüber hinaus werden viele Maschinen in Ländern mit sehr heißem Klima installiert, in denen die Umgebungstemperatur häufig 40 °C übersteigt. Eine Überhitzung im Schrank hat jedoch das Potential, die Komponenten schnell zu beschädigen und Maschinenstillstände zu verursachen.

Für die Messungen wurden in einem Schaltschrank mit Klimagerät zehn Temperatursensoren installiert. Im Anschluss fanden die Messungen unter realen Bedingungen während der Produktion statt.

Abb. 3a: Blick in den untersuchten Schaltschrank mit den Messpunkten. Abb. 3b (rechts): Legende Messpunkte, „Measurement 10“ = Ausgang Klimagerät

Die Messergebnisse brachten eine Reihe ganz grundlegender Erkenntnisse. So konnte beispielsweise keine kritisch erhitzte Stelle im Schaltschrank gemessen werden. Außerdem wurde schnell klar, dass die eingesetzte Kombination aus Klimagerät und gezielter Kühlluftführung um den Verdrahtungsrahmen herum die Aufrechterhaltung einer Temperatur zwischen 34 °C und 44 °C im gesamten Schrank sicherstellen würde. Lediglich am Ausgang des Umrichters wurde dabei eine maximale Temperatur von 44 °C gemessen. Die orangefarbene Temperaturlinie („Above Converter“) in Abbildung 4 zeigt diese Temperatur, direkt am Luftaustritt des Frequenzumrichter-Lüfters. Diese punktuell hohe Temperatur hat jedoch keine Auswirkungen auf das Gesamtergebnis und wird durch die Homogenisierung des Schaltschrankklimas insgesamt aufgefangen. Zur Erklärung: Direkt an den Komponenten entstehen grundsätzlich höhere Temperaturen, diese werden aber durch die bei AirSTREAM konstruktionsbedingte Vermischung der Luftschichten aufgelöst und homogenisiert.

Abb. 4a (oben): Erwärmung des Schaltschrankinneren während der Anlaufphase. Abbildung 4b (unten): Einschaltmoment des Klimagerätes. Die orangefarbene Temperaturlinie („Above Converter“) zeigt die Temperatur am Luftaustritt des Frequenzumrichters.

Temperaturlinie Orange (Above Converter) ist direkt am Luftaustritt des FU (Frequenzumrichter) Lüfter der die 44 °C aus dem Umrichter bläst. Wie man sieht geht das trotzdem im Gesamten unter da die Luft im gesamten sich einpendelt. Direkt an den Komponenten wird es immer hohe Temperaturen geben, die werden aber durch die Vermischung ausgelöst und homogenisiert.

Die über die kostenlose Online-Software AirTEMP von LÜTZE vorab ermittelten Werte waren gegenüber denen der Messung nahezu deckungsgleich. Dies bestätigt damit im konkreten Fall die Algorithmen und Hypothesen der LÜTZE AirSTREAM-Philosophie.

Abb. 5: Ergebnisseite der AirTEMP-Temperaturanalyse

Unter Vernachlässigung des Absaugbereichs des Klimageräts und unter Berücksichtigung der Homogenisierung des Umrichter-Abluft, herrscht im gesamten Schaltschrank eine Temperaturdifferenz von 4 K. Dieses Ergebnis bestätigt die Wirksamkeit aller von NUMALLIANCE getroffenen Maßnahmen, wie die thermisch optimierte Positionierung der elektronischen Elemente im Schaltschrank, die Auswahl der richtigen Größe des Schaltschrankes sowie die optimierte Klimatisierung und Luftzirkulation durch die verwendete AirSTREAM-Technologie.

Mit dem Einsatz des Lüftersystems AirBLOWER, welches auf dem AirSTREAM Rahmen integriert wird, können die Schaltschränke weiter optimiert werden. Ergänzt durch die gezielte Luftführung mit Hilfe von AirBLADE Luftleitelementen auf potentielle Hot Spot Bereiche kann so die Homogenisierung der Temperaturschichtung im Schrank perfektioniert werden.

Fazit: Entwärmung lässt sich nachweisen

Die Studie belegt, dass mit dem Einsatz des AirSTREAM Verdrahtungsrahmen 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.

Autor: Michael Bautz, Produktmanager Cabinet bei der Friedrich Lütze GmbH