Überhitzungsprobleme? Langlebiger Elektroschrank löst Hitze-Probleme

Gründe für Wärmestau in elektrischen Schaltschränken

Gängige interne und externe Wärmequellen in elektrischen Schaltschränken

Die Schaltschränke, die wir täglich installieren, stehen vor erheblichen thermischen Herausforderungen, die sowohl von innen als auch von außen kommen. Innerhalb dieser Schränke gehen Dinge wie Stromversorgungen und Motorantriebe mit Verlusten einher, wobei etwa 15 % als Abwärme verlorengehen. Im Freien? Auch die Sonne sorgt für starke Erwärmung. Die Oberflächentemperaturen im Außenbereich liegen oft rund 20 Grad Celsius über der Umgebungstemperatur. Und vergessen Sie nicht die zahlreichen industriellen Anlagen in der Nähe. Metallgießereien, chemische Produktionsstätten – sie strahlen Wärme ab, die unsere Geräte beeinträchtigt. Addiert man all dies, ergeben sich in dicht bestückten Installationen thermische Belastungen, die manchmal über 500 Watt pro Kubikmeter liegen. Das bedeutet, dass eine ordnungsgemäße thermische Planung bereits in der Entwurfsphase beginnen muss, wenn langfristig zuverlässige Leistung gewährleistet sein soll.

Erkennen von Überhitzungsanzeichen: Von Bauteilbelastung bis zum Systemausfall

Wenn Geräte zu heiß werden, gibt es charakteristische Anzeichen wie Relais, die ungewöhnlich arbeiten, SPS-Systeme, die langsamer als normal laufen, und Feuchtigkeitsansammlungen im Inneren aufgrund starker Temperaturschwankungen. Die eigentlichen Probleme beginnen, wenn sich die Situation verschlimmert. Es treten sichtbare Schäden an Bauteilen auf, beispielsweise Leiterplatten mit braunen Stellen, wo sich Kupfer oxidiert hat, Metallverteilerkästen, die ihre Form verloren haben, und Kondensatoren, die aufgebläht sind, als würden sie jeden Moment platzen. Wenn diese Probleme unbehandelt bleiben, führen sie zu schwerwiegenden Störungen. Der Isolationswiderstand sinkt stark unter den erforderlichen Wert (typischerweise etwa 1 Million Ohm, hier um ca. 70 % reduziert), und Schütze fallen bei andauernder Hitzebeaufschlagung deutlich häufiger aus. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit unerwarteter Abschaltungen erheblich, was Unternehmen Zeit und Geld kostet.

Wie die Umgebungstemperatur die Kühlleistung von elektrischen Schaltschränken beeinflusst

Die Effizienz von Kühlsystemen hängt entscheidend von der Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren der Ausrüstung und der umgebenden Luft ab. Wenn die Umgebungstemperatur über 25 Grad Celsius (etwa 77 Grad Fahrenheit) steigt, funktioniert die natürliche Konvektion nicht mehr so gut. Bei jeder weiteren Erhöhung um 10 Grad sinkt die Wirksamkeit um etwa 35 %. Ernst wird es, wenn die Außentemperaturen etwa 40 Grad Celsius (oder 104 Grad Fahrenheit) erreichen. Zu diesem Zeitpunkt überschreiten viele geschlossene Gehäuse die kritische Marke von 55 Grad (etwa 131 Grad Fahrenheit), ab der sich Halbleiterausfälle exponentiell erhöhen. Aufgrund dieser Risiken sind aktive Kühlungen in Regionen mit hohen Temperaturen oder in Räumen mit schlechter Luftzirkulation unbedingt erforderlich.

Konstruktion langlebiger elektrischer Schaltschränke für optimale thermische Leistung

Materialauswahl: Aluminium vs. Stahl vs. Verbundstoffgehäuse

Welche Art von Material wir für Gehäuse wählen, ist entscheidend dafür, wie gut sie Wärme leiten und wie langlebig sie sind. Nehmen Sie zum Beispiel Aluminium. Es leitet Wärme mit etwa 205 Watt pro Meter Kelvin, was ungefähr drei- bis fünfmal besser ist als Stahl. Das bedeutet, dass Aluminium Wärme passiv ziemlich effizient abführen kann, weshalb es hervorragend in Anwendungen wie HVAC-Regelsystemen und großen Solarfarm-Installationen funktioniert. Stahl hat jedoch ebenfalls seine Berechtigung, da er strukturell einfach robuster ist, weshalb viele Schwerindustrien trotzdem darauf setzen, auch wenn die Wärmeleitfähigkeit von Stahl nur etwa 45 Watt pro Meter Kelvin beträgt. Diese niedrigere Zahl bedeutet normalerweise, dass zusätzliche Kühlmaßnahmen erforderlich sind. Dann gibt es noch Verbundwerkstoffe wie glasfaserverstärktes Polyester. Diese Materialien weisen eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auf und vertragen mäßige Temperaturen, weshalb sie sich als gute Wahl für anspruchsvolle Umgebungen eignen, in denen Chemikalien vorhanden sind, oder auf Offshore-Plattformen, wo salzhaltige Luft andere Materialien schneller angreifen würde.

IP- und NEMA/UL-Schutzarten: Schutz entsprechend der thermischen Anforderungen

Die richtige Bewertung des Umweltschutzes besteht darin, sie an die tatsächlichen Anforderungen der Ausrüstung bezüglich der Wärmeabfuhr anzupassen. Nehmen Sie beispielsweise Gehäuse mit IP54-Zertifizierung: Diese schützen vor Staub und Wassernebel, erlauben aber weiterhin eine natürliche Luftzirkulation, wodurch eine selbstständige Kühlung ermöglicht wird. Dann gibt es NEMA-12-Schränke, die verhindern, dass Öle und Kühlmittel eindringen, ohne dabei die Luftzufuhr vollständig zu blockieren. Diese ermöglichen ausreichende Konvektion, sodass Bauteile nicht überhitzen. Bei Problemen mit Feuchtigkeit oder Chemikalien kommen UL Type 4X-zertifizierte Konstruktionen zum Einsatz. Sie enthalten spezielle wasserabweisende Filter sowie sorgfältig positionierte Lüftungsöffnungen im gesamten System. Diese Konfiguration hält die Innentemperatur auch unter schwierigen äußeren Bedingungen stabil und gewährleistet gleichzeitig ein sauberes Betriebsinnere des Gehäuses. Viele industrielle Betriebe stellen fest, dass diese Kombination am besten zu ihren spezifischen Anwendungen passt.

Innovative Designs für natürlichen Luftstrom und Hitzebeständigkeit

Schrankdesigns werden heute immer intelligenter, was die passive Kühlung betrifft. Merkmale wie perforierte Dächer, schräg angeordnete Lamellen und Komponenten in versetzter Anordnung arbeiten zusammen, um heiße Luft nach oben abzuleiten und empfindliche elektronische Bauteile im Inneren zu schützen. Laut einer Studie von ABB aus dem Jahr 2022 kann dieser Ansatz die Innentemperatur um 8 bis 12 Grad Celsius senken. Eine weitere wichtige Innovation sind wärmeleitfähige Polymerdichtungen an allen Fugen. Diese speziellen Materialien ermöglichen den Wärmeabfluss, halten aber gleichzeitig Staub und Feuchtigkeit fern – besonders wichtig für Geräte, die in extremen Umgebungen wie Wüsten oder tropischen Regionen in Solarparks oder Windkraftanlagen eingesetzt werden.

Aktive Kühllösungen für elektrische Schränke mit hohen Wärmelasten

Verwendung von Schrankklimageräten und Ventilatoren für zuverlässige aktive Kühlung

Bei extremer Hitze kombinieren aktive Kühlsysteme typischerweise Schrankklimageräte mit ventilatoren variabler Drehzahl, um zu verhindern, dass es im Inneren zu heiß wird. Diese Kühleinheiten funktionieren auch dann noch recht gut, wenn die Außentemperatur über 45 Grad Celsius steigt. Sie verfügen über integrierte Temperatursensoren, die ständig den Zustand überwachen und die Luftmenge entsprechend anpassen. Der große Vorteil dieser Systeme liegt darin, dass sie nicht dauerhaft laufen wie herkömmliche Systeme. Stattdessen schalten sie nur bei Bedarf ein, wodurch der Stromverbrauch um 30 bis 50 Prozent gesenkt wird. Das macht einen entscheidenden Unterschied in Einrichtungen wie Fabriken, in denen Maschinen viel Wärme erzeugen, oder in Batteriespeicheranlagen, in denen sich die Temperaturen je nach Menge des gespeicherten oder abgegebenen Stroms stark verändern können.

Geschlossene Kühlsysteme: Sauberkeit und Effizienz sicherstellen

Geschlossene Kühlsysteme sorgen dafür, dass Komponenten länger halten, da sie Außenluft aus dem System fernhalten. Anstatt normale Umgebungsluft anzusaugen, leiten diese Systeme die Wärme über spezielle innen und außen angeordnete Wärmetauscher ab. Letztes Jahr veröffentlichte Untersuchungen zeigten, dass Komponenten in staubigen Industriegebieten oder in Küstennähe mit dieser Methode etwa 40 % länger halten können. Der Grund: Staubpartikel und salzhaltige Luft gelangen nicht in die Geräte, wo sie langfristig Schäden verursachen könnten. Dies ist besonders wichtig für Anwendungen wie Halbleiterfertigungsanlagen und Offshore-Bohrinseln, bei denen Ausfälle von Ausrüstung hohe Kosten und Betriebsunterbrechungen verursachen.

Fallstudie: Verhinderung von Ausrüstungsfehlern durch aktives thermisches Management

Ein Hersteller von Solarwechselrichtern hat die unerwartete Ausfallzeit um fast vier Fünftel reduziert, nachdem er diese spezielle hybride Kühlung installiert hatte. Das System kombiniert flüssigkeitsgekühlte Platten für die Leistungskomponenten mit herkömmlichen Schaltschrank-Klimageräten. Was geschah? Die Innentemperatur blieb um 22 Grad Celsius niedriger als die kritische Schwelle, selbst bei maximalem Betrieb. Da es keine Hitzeschäden mehr an den empfindlichen Leiterplatten gibt, muss die Wartung nicht mehr alle sechs Monate erfolgen, sondern kann auf zwei volle Jahre zwischen den Serviceeinsätzen ausgedehnt werden. Zudem hielten alle diese Änderungen die Einhaltung der wichtigen Sicherheitsanforderungen gemäß UL 508A ein, denen alle Unternehmen in der Branche folgen müssen.

Passive Kühlmassnahmen für nachhaltige und wartungsarme Elektroschränke

Thermische Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung bei passiver Wärmeabfuhr

Die passive Kühlung funktioniert hauptsächlich über drei grundlegende Mechanismen. Zunächst gibt es die Strahlung, bei der Bauteile Wärme in Form von Infrarotwellen abgeben. Dann folgt die Konvektion, bei der heiße Luft natürlicherweise aufsteigt und durch obere Öffnungen in der Ausrüstung entweicht. Die dritte Methode ist die Wärmeleitung, die typischerweise Wärmekörper aus Metallen wie Aluminium umfasst, welche die Wärme von empfindlichen Bauteilen ableiten. Was passive Systeme so attraktiv macht, ist, dass sie keine mechanischen Teile oder externen Stromquellen benötigen. Trotz dieser Einfachheit halten die meisten Fabriken diese Methoden für ausreichend, um akzeptable Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten. Laut einer im vergangenen Jahr im Thermal Systems Journal veröffentlichten Studie bleiben etwa acht von zehn industriellen Anlagen tatsächlich innerhalb der Sicherheitsgrenzen, indem sie ausschließlich passive Techniken verwenden.

Maximierung der Oberfläche und Belüftung, ohne die IP-Schutzart zu beeinträchtigen

Neue Konstruktionsansätze helfen dabei, überschüssige Wärme abzuleiten, ohne dabei die Umweltfreundlichkeit zu beeinträchtigen. Wenn Gehäuse wellenförmige oder flossenartige Wände aufweisen, erhöhen sie tatsächlich die Oberfläche für die Wärmeabstrahlung und -abfuhr durch Konvektion um etwa 25 bis 40 Prozent. Die Lamellen dieser Lüftungsöffnungen leiten die Luftströmung gezielt weiter und bieten gleichzeitig Schutz gegen Staub und Wasser gemäß den IP54- und IP65-Schutzarten, die für die meisten Anwender relevant sind. Perforierte Kabeleinführungen ermöglichen den Austritt von Heißluft, ohne die Dichtigkeit des Gehäuses insgesamt zu beeinträchtigen. Aluminiumgehäuse seien als Beispiel genannt: Werden die Lüftungsöffnungen optimal platziert, sinken die Innentemperaturen um 8 bis 12 Grad Celsius im Vergleich zu herkömmlichen massiven Stahlausführungen. Dies macht sich deutlich bei der Leistungsfähigkeit der Geräte unter Last bemerkbar.

Wann passive oder aktive Kühlung in anspruchsvollen Umgebungen gewählt werden sollte

Die passive Kühlung funktioniert sehr gut in Umgebungen, in denen die Außentemperatur ziemlich konstant unter etwa 35 Grad Celsius oder 95 Grad Fahrenheit bleibt. Sie eignet sich auch für Situationen, in denen jedes Gehäuse nicht mehr als etwa 500 Watt Wärme erzeugt, sowie für Installationen, die abgelegen liegen oder nur geringe Wartung benötigen. Sobald jedoch die Wärmeabgabe über 800 Watt steigt oder wenn die Außentemperaturen stark außerhalb des normalen Bereichs schwanken, wird eine aktive Kühlung notwendig. Gleiches gilt für Anwendungen, bei denen eine sehr genaue Temperaturregelung erforderlich ist, mit einer Toleranz von nur zwei Grad nach oben oder unten. Hybride Ansätze liegen zwischen diesen beiden Extremen. Sie basieren meistens auf passiven Methoden, schalten aber zusätzliche Kühlelemente wie Lüfter oder Kühler ein, sobald die Nachfrage ansteigt. Diese gemischte Methode hilft, Energie zu sparen und gleichzeitig die korrekten Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten.

FAQ

Welche häufigen Anzeichen gibt es für eine Überhitzung in elektrischen Schaltschränken?

Anzeichen für Überhitzung sind ungewöhnliches Verhalten der Ausrüstung, langsamere Leistung, Feuchtigkeitsansammlung im Inneren, physische Beschädigungen an Komponenten wie Leiterplatten und aufgequollene Kondensatoren. Überhitzung kann zu einer verringerten Isolationswiderstandsfähigkeit und zum Ausfall von Bauteilen führen.

Warum ist die Materialauswahl bei der Konstruktion von elektrischen Schaltschränken wichtig?

Die Materialauswahl beeinflusst die Wärmeableitung und Haltbarkeit. Aluminium leitet Wärme aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit effizient ab und eignet sich daher für Klimaanlagen und Solaranlagen. Stahl bietet strukturelle Festigkeit, erfordert jedoch zusätzliche Kühlmaßnahmen. Verbundwerkstoffe widerstehen Korrosion und bewältigen moderate Temperaturen, was sie ideal für aggressive chemische Umgebungen macht.

Welche Bedeutung haben IP- und NEMA/UL-Bewertungen bei der Konstruktion von elektrischen Schaltschränken?

Umweltschutzklassifizierungen stellen sicher, dass Gehäuse die Anforderungen an die Wärmemanagement bewältigen können. Gehäuse mit IP54-Zertifizierung ermöglichen einen natürlichen Luftstrom, während NEMA-12-Gehäuse vor Ölen und Kühlmitteln schützen. UL Type-4X-Konstruktionen eignen sich für feuchte und chemikalienreiche Umgebungen und halten stabile Temperaturen aufrecht.

Wie funktionieren passive Kühlstrategien?

Passive Kühlung nutzt Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung, ohne mechanische Teile oder externe Stromversorgung. Typische Methoden umfassen Kühlkörper und strategisch gestaltete Gehäuse, um mithilfe natürlicher Wärmeableitung sichere Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten.