Ob SPS, Schaltgeräte, Stromversorgung, Frequenzumrichter oder HMI: All diese elektrotechnischen Geräte innerhalb eines Schaltschranks benötigen zu ihrem Betrieb Strom und erzeugen damit eine oft nicht unbeträchtliche Wärme im Gesamtsystem. Überschreitet diese Wärme eine gewisse Grenze, kann dies zu Beschädigungen an einzelnen Komponenten oder gar zum Ausfall der durch die Schaltanlage mit Energie versorgten Maschine oder Anlage führen. Nicht auszudenken, wenn dadurch etwa die Produktionsbänder eines Automobilherstellers lahmgelegt werden oder in einem Krankenhaus Instrumente für eine Operation ausfallen. Natürlich bieten namhafte Hersteller entsprechende Kühllösungen für Gehäuse und Schaltschränke an: vom kleinen Lüfter bis zum großen Klimagerät. Diese verbrauchen allerdings für ihren Betrieb ebenfalls elektrische Energie, die, je nach Größe des Schaltschranks, durchaus nennenswert sein kann und entsprechende Kosten verursacht.
Konstruktiv weiterentwickelt
Omron hat sich der Lösung dieses Problems konstruktiv angenommen und zahlreiche Komponenten entwickelt, die deren lückenlose Reihenmontage im Schaltschrank bis zu einer Umgebungstemperatur von 55°C ermöglichen. Zu diesen Komponenten zählen u.a. elektromechanische Relais und Halbleiterrelais, E/A-Relaismodule, Reihenklemmen, Temperaturregler, Zeitrelais, Mess- und Überwachungsrelais, Leistungsmonitore und (unterbrechungsfreie) Stromversorgungen. All diese Geräte zeichnen sich durch ihr kompaktes Design aus, beginnend bei einer Breite von nur 3,5mm. Die einheitliche Bauhöhe und eine weitgehend gleiche Bautiefe ermöglicht eine Standardisierung der Kabelkanäle und Komponentenplatzierung und sorgt so für eine bessere Luftzirkulation innerhalb des Schaltschranks und damit für eine optimierte Wärmeableitung. Dies wiederum erhöht die Produktlebensdauer und reduziert sowohl die Anzahl der Hotspots als auch die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls. Neben diesen konstruktiven Verbesserungen erweiterte Omron nicht nur den Funktionsumfang bei zahlreichen Steuergeräten, sondern reduzierte gleichzeitig deren Leistungsaufnahme, was sich ebenfalls positiv auf das Schaltschrankklima auswirkt. Beispielhaft hierfür sei das 17,5mm schmale Halbleiter-Zeitrelais H3DT genannt, dessen Wirkleistungsaufnahme um bis zu 60 Prozent reduziert wurde.
Positiver Nebeneffekt: Mehr Platz für Funktionserweiterungen
Die Kombination von kompaktem Design, identischer Bauhöhe, erweiterter Funktionalität sowie Mehrkreisfunktionen sorgt zum einen für die Reduzierung der Anzahl elektrisch betriebener Geräte im Schaltschrank. Zum anderen stellt die fortschreitende Digitalisierung auch an Schaltanlagen immer höhere Anforderungen. Sollten also im Zeitalter von Industrie 4.0 Funktionserweiterungen, z.B. in Form von Analyse- oder Kommunikationsmodulen, notwendig sein, so bietet Omrons ‚Value Design for Panel‘-Konzept hierfür ausreichend Möglichkeiten ohne erhöhten Platzbedarf. Zusammen mit der neuen, in der November Ausgabe des SCHALTSCHRANKBAUs beschriebenen Push-in-Plus-Verdrahtungstechnologie, ergeben sich Effizienzpotenziale für Schaltanlagen- und Maschinenbauer ebenso wie für Endanwender.
Wie lange hat Omron an dem Konzept für eine verbesserte Luftzirkulation gearbeitet?
Benjamin Papst: Das Konzept für eine verbesserte Luftzirkulation gliedert sich in das gesamte ‚Value Design for Panel‘-Konzept, in dem viele Parameter analysiert und betrachtet worden sind. Alle Elemente zusammen führten zu einer Entwicklungszeit, die mehr als zwei Jahre in Anspruch genommen hat.
Wie wird die Reihenmontage ohne Mindestabstand zwischen den einzelnen Komponenten bis zu einer Umgebungstemperatur von 55°C erreicht?
Papst: Auch hier ist es ein Zusammenspiel von mehreren Parametern, die einen Beitrag zur Optimierung leisten. Allen voran die deutlich reduzierte Verlustleistung sämtlicher Schaltschrankkomponenten. Da, wo Verlustleistung erst gar nicht entsteht, muss sie auch nicht als Wärme abgeführt werden. Weiterhin sind aber auch thermische Abbilder der elektronischen Schaltungen sowie die Wärmeströmung durch ein Gerät analysiert und optimiert worden, um die Montage nebeneinander auch zu gewährleisten.
Welche Komponenten wurden in ihrem Funktionsumfang erweitert?
Papst: Jede einzelne Komponente, die wir in dem ‚Value Design for Panel‘-Konzept einführen, hat eine Optimierung hinsichtlich des thermischen Designs erfahren und trägt zum Gesamtmehrwert unserer Schaltschranklösungen bei. Die größten Effekte werden dabei selbstverständlich bei leistungsintensiven Komponenten wie z.B. Netzteile oder Halbleiterrelais erzielt. Eine bereits geringfügige Steigerung des Wirkungsgrades von fünf Prozent bei einem 480W-Netzteil erbringt schließlich 24W weniger abzuführende Wärme aus dem Schaltschrank. Zusätzlich führt das einheitliche Design aller Bauelemente zu einem gleichmäßigen Luftstrom, der die Bildung von Hot-Spots verhindert.
Hat sich auch in Sachen Materialgüte etwas getan?
Papst: Die thermischen Effekte wirken sich natürlich auch maßgeblich auf die Lebensdauer jeder einzelnen Komponente aus. Auf Basis der Arrhenius-Gleichung lässt sich beispielsweise ableiten, dass die Lebensdauer eines Netzteils, das einen Elektrolyt-Kondensatoren enthält, halbiert wird je 10°K Temperaturanstieg. Im Umkehrschluss kann bei geringerer Abwärme die Lebensdauer deutlich gesteigert werden.
Mehr Platz im Schaltschrank für weitere Funktionalitäten bedeutet möglicherweise wiederum ein Mehr an Geräten und damit auch Wärme. Wäre so der positive Effekt nicht wieder zunichte gemacht?
Papst: Sehr häufig ist dies genau beabsichtigt. Wenn es nicht um die gezielte Verkleinerung eines Schaltschrankes geht, ist jedoch eine der häufigsten Anforderungen, im gegebenen Einbauraum mehr Funktionalität unterbringen zu können, was derzeit nicht selten an den thermischen Gegebenheiten scheitert. Omron stellt nun mit dem ‚Value-Design for Panel‘-Konzept in allen Produktkategorien und in der Kombination aus ihnen die erforderlichen Eigenschaften zur Funktionserweiterung zur Verfügung.
Gibt es Ihrer Ansicht nach weitere Optimierungspotenziale beim Wärmemanagement in Gehäusen und Schaltschränken?
Papst: Das beschriebene Konzept wird auch auf zukünftige Produkte, die Omron in den Markt einführt, angewendet. Somit ergeben sich aus verschiedenen Produktkategorien sowie dem Zusammenspiel der einzelnen Funktionsbaugruppen weitere Optimierungspotenziale für den Schaltschrank, nicht nur alleine beim Wärmemanagement. Omron unterstützt gerne bei der Analyse und Bewertung von Optimierungsmöglichkeiten, die durch das ‚Value Design for Panel‘-Konzept erzielt werden können.
