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Intelligente Elektronik­kühlung in Industrie­anwendungen

In Schaltschränken entstehen Hot Spots, die über 90 °C erreichen und die Elektronik im schlimmsten Fall zerstören können. Abhilfe schaffen Filterlüfter, also eine Kombination aus Ventilator und Staubfilter. Sie führen die Wärmelasten ab und verhindern, dass Schmutzpartikel ins Innere gelangen.


Bild 1: Elektronikkühlung mit Filterlüftern: Die eingeblasene Luft nimmt die Wärme im Gehäuseinneren auf, steigt auf und gelangt durch ein Austrittsgitter nach außen oder wird mit einem weiteren Lüfter abgesaugt.

Damit Elektronik zuverlässig funktioniert, muss die im Betrieb entstehende Abwärme bestmöglich abgeführt werden. Dazu wird üblicherweise in der Gehäusetür ein Filterlüfter platziert, der kalte Luft gezielt nach innen bläst. Die Luft nimmt die Wärme im Gehäuseinneren auf, steigt hoch und gelangt durch ein Austrittsgitter nach außen oder wird mit einem weiteren Lüfter abgesaugt (Bild 1). Im praktischen Einsatz merkt man aber oft, dass es bei den eingesetzten Filterlüftern Leistungsunterschiede gibt. Insbesondere bei hohem Gegendruck, z. B. durch große Bauteildichte oder zunehmende Verschmutzung der Filtermatten, stoßen die oft verwendeten Axialventilatoren häufig an ihre Grenzen. Der Grund dafür liegt im Funktionsprinzip.

Wenn Axialventilatoren nicht mehr ausreichen

Bild 2: Das Laufrad der Diagonal-Kompaktmodule vereint die positiven Eigenschaften einer axialen und radialen Strömungsmaschine.

Da bei Axiallüftern der Luftstrom parallel (bzw. axial) zur Drehachse des Laufrads verläuft, liefern sie zwar große Luftmengen, allerdings nur bei niedrigem statischem Druck. Das heißt, sie eignen sich am besten für frei blasende Anwendungen. Außerhalb des passenden Arbeitsbereiches, d. h. bei zunehmendem Druckanstieg über den Sattelpunkt hinaus, steigt bei Axialventilatoren der Geräuschpegel deutlich an, da die Strömung am Laufrad abreißt und Turbulenzen bildet. Gleichzeitig sinkt der Wirkungsgrad des Ventilators. Ein häufiger Grund für einen solchen Druckanstieg ist eine verschmutzte Filtermatte. Verlangen Anwendungen eine größere Druckstabilität, sind deshalb meist Radialventilatoren die richtige Wahl. Hier wird das Lüfterrad in radialer Richtung zur Drehachse durchströmt. Weil die gesamte Strömung das Laufrad am Außendurchmesser verlässt und die dort höhere Umfangsgeschwindigkeit zur Energiezufuhr genutzt wird, erzeugt das Radialrad eine größere Druckerhöhung, die Luftmenge insgesamt ist allerdings niedriger.

Die Vorteile dieser beiden unterschiedlichen Ventilatoren-Konzepte hat der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst in einem neuen Diagonal-Kompaktmodul vereint (Bild 2). Aktuell gibt es das Modul in der Baugröße 200 mit identischen Abmessungen wahlweise mit Antrieben in AC-Technik und auch mit den besonders energieeffizienten GreenTech EC-Motoren. Beide Varianten sind speziell für den Einsatz in Filterlüftern abgestimmt. Weitere Baugrößen befinden sich aktuell in der Planungsphase und werden bei entsprechenden Marktbedarfen umgesetzt.

Axial plus radial ergibt diagonal

Bild 3: Konstante Kühlleistung auch bei zunehmender Filterverschmutzung

Bei Diagonalventilatoren fördert der Ventilatorflügel bei axialer Zuströmung sowohl axial als auch radial. Vorteil einer solchen Anordnung ist ein dem Axialventilator weitgehend entsprechender Luftstrom bei gleichzeitig stärkerem Druckaufbau. Die Kennlinie verläuft steiler und der Sattelpunkt liegt bei einem höheren Gegendruck. Im eingebauten Zustand unter Betriebsbedingungen ergibt sich so eine konstantere Luftleistung über einen weiten Bereich (Bild 3).

Bild 4: Deutlich geringerer Energieverbrauch im Vergleich zum AC-Axialventilator

Bei Gegendruck bieten die regelbaren, mit GreenTech EC-Motoren ausgestatteten Module einen bis zu 50 % höheren Volumenstrom gegenüber klassischen Axialausführungen (bei gleicher Baugröße und in gleichem Betriebspunkt), weiterhin ein besseres Geräuschverhalten und eine um bis zu 49 % geringere Leistungsaufnahme bei gleichem Volumenstrom, was über die Zeit die Energiekosten für die Schaltschrank- oder Gehäusekühlung deutlich senkt (Bild 4) und den CO2-Ausstoß verringert.

Längere Wartungsintervalle für die Filtermatten und leiser Betrieb

Bei zunehmender Filterverschmutzung bietet das Diagonal-Kompaktmodul die für die Wärmeabfuhr erforderliche Luftleistung. Dadurch ist die Verlustleistung im Schaltschrank minimiert, was die Kühlung erheblich verbessert. Die druckstabile Kennlinie des Diagonal-Kompaktmoduls ermöglicht eine längere Gebrauchsdauer der Filtermatten und verlängert so auch die Wartungsintervalle (Bild 5). Durch die Drehzahlregelung der EC-Motoren über die 1-10 V-Schnittstelle bleibt auch bei Verschmutzung die Luftleistung konstant; die Kühlleistung passt sich dem jeweiligen Bedarf an und Abwärme kann immer in gleichem Maße abtransportiert werden, so dass die Leistungselektronik zuverlässig gekühlt wird. Gleiches gilt auch, wenn die Ansaugtemperatur der Kühlluft durch z. B. Tages- oder Jahres­zeiten schwankt.

Bild 5: Die druckstabile Kennlinie ermöglicht eine längere Gebrauchsdauer der Filtermatten und verlängert so auch die Wartungsintervalle.

Gleichzeitig arbeiten die Diagonal-Kompaktmodule bis zu 7 dB leiser als konventionelle Axiallösungen. Diese Geräuschreduzierung macht sich deutlich bemerkbar, vor allem wenn es viele Schaltschränke oder Elektronikgehäuse zu kühlen gilt. Der mit über 70 % ausgesprochen hohe Wirkungsgrad der EC-Motoren reduziert zudem die Eigen-Abwärme des Ventilators. Und Wärme, die nicht entsteht, muss auch nicht abtransportiert werden. Gerade in Kühlanwendungen ist das ein sehr begrüßenswerter Effekt.

Einfach Umrüsten

Aber auch darüber hinaus haben die Diagonal-Kompaktmodule einiges zu bieten: Sie lassen sich einfach auf dem Filterrahmen montieren und sind mechanisch zum bisherigen Marktstandard leicht austauschbar, weil die Außenabmessungen ähnlich sind wie bei der bekannten Axialausführung.

Außerdem ist der druck- oder saugseitige Einbau möglich. Wer die Filterlüfter unterschiedlich verbaut, muss sich also nicht mehrere Varianten auf Lager legen. Steckverbinder vereinfachen den elektrischen Anschluss. Dabei kann das Diagonal-Kompaktmodul um

4 x 90° gedreht montiert werden, je nach erforderlicher Steckerposition. Optionale Schutzgitter für die druck- oder saugseitige Montage runden die Vorteile des Diagonal-Kompaktmoduls ab. Die Schutzgitter sind nach strömungstechnischen Kriterien optimiert und lassen sich ohne Werkzeug einfach anklipsen. Für Filterlüfter zur Elektronikkühlung steht damit eine montagefreundliche, praxisgerechte und energieeffiziente Kühllösung für Elektronikgehäuse und Schaltschränke zur Verfügung.

 

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