Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit elektronischer Komponenten zur Steuerung von Anlagen und Maschinen hat in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich zugenommen. Dieser Trend ist schon seit vielen Jahren zu erkennen und wird sich auch in näherer Zukunft weiter fortsetzen. Elektronische Steuerelemente dringen in immer neue Einsatzbereiche vor. Daneben steigen auch die Anforderungen an die Applikationen: Immer komplexere Aufgabenstellungen sollen schnell auf engstem Raum gelöst werden. Dies resultiert in einer Erhöhung der Anzahl und einer Steigerung der Leistungsfähigkeit der Komponenten. Fallen diese aus, können immense Folgekosten entstehen. Um die sensible Elektronik vor Staub, Wasser und auch vor mechanischer Einwirkung zu schützen, ist diese in verschlossenen Gehäusen und Schaltschränken untergebracht. Der Einsatz vieler leistungsstarker Komponenten sowie die Zunahme der Packungsdichte in Schaltschränken und Gehäusen auf kleinstem Raum führt zu immer höherer thermischer Verlustleistung und bringt dadurch die Gefahr mit sich, dass sich die Innenraumtemperatur auf ein für die Komponenten unzulässiges Maß erhöht. Schon eine Steigerung der Betriebstemperatur um 10 °C verkürzt die Lebensdauer um die Hälfte; bereits 100 W Verlustleistung können zu unzulässig hohen Innenraumtemperaturen führen. Neben der steigenden thermischen Verlustleistung im Innenraum setzt der Einsatz im Außenbereich Schaltschrankgehäuse zusätzlich stark schwankenden Temperaturen aus. Viele elektronische, aber auch optische Komponenten wie z. B. Kameras sind jedoch auf vergleichsweise stabile Temperaturen angewiesen. So führt der Einsatz im Außenbereich bei hohen Temperaturen zu einem gesteigerten Kühlbedarf – wohingegen bei sehr niedrigen Temperaturen Heizen erforderlich ist.
Ein System für’s Heizen, eins für’s Kühlen
Konventionelle Technik zur Temperierung von Schaltschränken benötigt zwei Systeme, um die Funktionen Heizen und Kühlen bedienen zu können. So greift man zur Kühlung von Schaltschränken oft auf Absorber- oder aber Kompressor-Kühlsysteme zurück. Das Absorber-Kühlsystem etwa wird mit Gas betrieben, arbeitet geräuschlos und enthält keinerlei Verschleißteile. Dafür ist es aber schräglagen- und bewegungsempfindlich und zeigt bei Außentemperaturen über 40°C einen massiven Leistungsabfall. Kompressor-Kühlsysteme sind sehr leistungsstark und arbeiten auch bei höheren Temperaturen konstant, besitzen mit dem Kompressor aber ein Verschleißteil. Zudem besteht die Gefahr des Leckschlagens des Leitungssystems. Gängige Heizmethoden sind vor allem Schaltschrankheizungen. Sowohl Heiz- als auch Kühlsysteme bedürfen in der Regel einer separaten Steuerung. All diesen Lösungen ist gemein, dass sie effizient temperieren – allerdings nur in eine Richtung. In temperierbaren Innenräumen stellt dies üblicherweise kein Problem dar, da eine gewisse Temperaturbreite nicht unter- bzw. überschritten wird und daher der Einsatz eines Temperiergerätes ausreichend ist. Im Außenbereich mit seinen oftmals extrem schwankenden Temperaturen besteht jedoch Bedarf an beiden Funktionen. Denn es besteht nicht nur die Gefahr der Überhitzung; bei starkem Temperaturabfall sinkt die Innentemperatur des Schaltschrankes langsam auf Umgebungstemperatur ab; dabei kann es sogar zur Unterschreitung des Taupunktes kommen. Dies führt zur Bildung von Kondenswasser, was eine Gefahr für empfindliche Elektronikbauteile darstellt und zu Korrosionen, Funktionsstörungen, Kurzschlüssen bis hin zum Ausfall des Schaltschrankes führen kann. Damit ist es beim Einsatz von Schaltschränken im Außenbereich unerlässlich, die Elektronik sowohl kühlen als auch heizen zu können.
Kühlaggregate basierend auf Peltiertechnik
Für diesen Anwendungsbereich eignet sich der Einsatz von Heiz-/ Kühlaggregaten basierend auf Peltiertechnik, deren Vorteil darin besteht, dass sie mit einer einzigen Temperiervorrichtung sowohl Kühlen als auch Heizen zu können. Zum grundsätzlichen Verständnis der Funktion ein kurzer Exkurs in den Bereich Peltiertechnik: Der Peltier-Effekt ist zusammen mit dem Seebeck- und dem Thomson-Effekt einer der drei thermoelektrischen Effekte. Der Grundaufbau besteht aus zwei Halbleiterschenkeln, von denen der eine n-, der andere p-leitend ist. Verbunden sind die beiden Schenkel durch eine Kupferbrücke an den Stirnseiten. Leitet man nun einen elektrischen Gleichstrom hindurch, so kühlt sich die eine Seite des Elementes ab und entzieht der Umgebung somit Wärme. Die von der kalten Seite aufgenommene Wärmeenergie wird an der warmen Seite wieder abgegeben. Das Peltierelement „pumpt“ somit Wärmeenergie von der kalten zur warmen Seite. Die Leistung wird durch das Hintereinanderschalten beliebig vieler Schenkelpaare erhöht; die Anzahl der Schenkelpaare wird jedoch durch den mechanischen Aufbau begrenzt. Durch Umpolung des Stromflusses ändert sich die Richtung des Wärmeflusses, Warm- und Kaltseite werden getauscht. In der Praxis bedeutet dies einen Wechsel von der Funktion Kühlen zur Funktion Heizen. Peltier-Heiz-/Kühlaggregate machen sich diesen Effekt zunutze. Da die thermische Pumpleistung eines einzelnen Peltierelements limitiert ist, werden in einem Peltier-Heiz/Kühlaggregat mehrere Peltierelemente zu einem Kühlblock zusammengefügt. Die Peltierelemente sind dabei elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet. Dadurch erhält man brauchbare Kühlleistungen, die notwendig sind zur Kühlung von Schränken mit Steuerelektronik oder elektronischen Schalttafeln. Abgestimmt auf die Pumpleistung der Peltierelemente befinden sich Profilkühlkörper in Verbindung mit Axialventilatoren auf beiden Seiten. Diese Kombination sorgt dafür, dass die Kühlleistung bzw. die Wärme von Peltier-Heiz-/-Kühlaggregaten an die jeweilige Umgebung abgegeben wird. Wird ein solches Aggregat zur Klimatisierung eines Schaltschrankes eingesetzt, so strahlt der Profilkühlkörper die durch den Peltier-Kühlblock erzeugte Kühlleistung in den Gehäuseinnenraum ab. Ein Axialventilator sorgt dafür, dass die kühle Luft des Aggregates gleichmäßig verteilt wird. Man spricht hier auch vom Innenkreislauf. Im Außenkreislauf funktioniert das Prinzip umgekehrt, d. h., die erzeugte Wärme wird über den Kühlblock und den Kühlkörper nach außen abgeführt. Als Variante zu diesen Air-to-Air-Aggregaten existieren so genannte Surface-to-Air-Kühlaggregate. Sie kommen bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen man aufgrund von spezifischen Vorgaben das Außengehäuse nicht durchtrennen darf. Das Peltier-Heiz-/Kühlaggregat erhält hier an der Kaltseite eine Aluminiumplatte, die auf dem Außengehäuse befestigt wird, z. B. bei explosionsgeschützten Schaltschränken. Bei richtiger Auslegung und sachgerechter Anbringung sind Kühlleistungen von bis zu 200 W möglich. Es können Temperaturunterschiede von 30 bis 35 K erreicht werden. Kühlt sich nachts oder im Winter die Außentemperatur ab, so schaltet das Aggregat mittels einfacher Programmierung durch Umpolung des Betriebsstromes auf die Funktion Heizen. Eine Zieltemperatur wird nicht unterschritten. Damit lassen sich auch im Außenbereich temperaturempfindliche Bauteile bzw. Steuerungskomponenten effektiv gegen Schäden durch Überhitzung bzw. Kondensation bei niedrigen Temperaturen schützen.
Innen- und Außenluftkreis ist getrennt
Ein weiterer Pluspunkt der Peltier-Heiz-/ Kühltechnologie ist der Umstand, dass zum Betrieb der Aggregate keine Zufuhr von Luft aus der Umgebung in das Gehäuseinnere notwendig ist. Innen- und Außenluftkreis bleiben getrennt. Dadurch eignen sich diese Aggregate auch für den Einsatz in Außenbereichen mit erhöhter Staub- und Partikelkonzentration. Auch entfallen Zeit- und kostenaufwändige Serviceintervalle zum Austausch von Verschleißteilen wie etwa Filtermatten. Gegenüber Kältemaschinen auf Verdampfer-Basis zeichnen sich die Aggregate auf Peltier-Basis dadurch aus, dass man auf den Einsatz flüssiger Kühlmittel und auch auf Kompressoren verzichten kann. Die Aggregate lassen sich daher in beliebiger Lage und Position verbauen. Hinzu kommt, dass diese Produkte unempfindlich gegen Vibrationen und Erschütterungen sind, so dass sie für den Einsatz sowohl in rauer Umgebung als auch in mobilen Anlagen geeignet sind. Gerade im Outdoorbereich kann die Bereitstellung von Energie zum Betrieb von Applikationen eine Herausforderung darstellen. Durch den Betrieb mit Strom lässt sich das Peltier-Heiz-/Kühlaggregat flexibler einsetzen als z. B. Absorbersysteme, die mit Gas betrieben werden. Letztendlich ist aber der Einsatzbereich von Peltier-Heiz-/Kühlaggregaten gegenüber konventionellen Kühlmethoden limitiert durch den geringen Wirkungsgrad und auch die mögliche Kühlleistung sowie durch den relativ hohen Stromverbrauch.
Zusammenfassung
Der Einsatz eines Peltier-Heiz-/Kühlaggregates ist immer dann eine geeignete Option, wenn – wie im Außenbereich – Schaltschränke nicht nur gekühlt, sondern auch geheizt werden müssen. Bei vorgeschriebener Trennung von Innen- und Außenluftkreis lässt es sich zudem auch zur reinen Kühlung sinnvoll einsetzen. Das Aggregat ersetzt dann zwei separate Systeme, die man meist getrennt ansteuern muss. Es ist dann nicht nur platzsparender, sondern als kompaktes, einzelnes System auch kostengünstiger. Allerdings sollte man aufgrund der begrenzten Kühlleistung und der Eigenheiten des Peltiereffektes bei der Auslegung einen Fachmann hinzuziehen.
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