Peltier- und PTC- Technologie zum Kühlen und Heizen von Schaltgeräten

Verträgliches Klima

Funktionsbeeinträchtigungen der empfindlichen Schalt- und Regeltechnik drohen nicht nur durch den betriebsbedingten Anstieg der Verlustwärme im Gehäuseinneren. Auch bei Unterschreitung des Taupunktes können installierte Elektronik-Komponenten durch abtropfendes Kondenswasser und Korrosion beträchtlichen Schaden nehmen. Größere Temperaturschwankungen erfordern daher zusätzlich zur effektiven Schaltschrankkühlung auch eine Wärmezufuhr in das Gehäuse, um das Klima im verträglichen Rahmen zu halten. Hierzu bieten sich umweltfreundliche thermoelektrische Systeme auf Peltier-Basis in Kombination mit PTC-Heizungen als Alternative zu klassischen Kompressionskühlgeräten und Widerstandsheizungen an.

Selbstregulierend: PTC-Heizlüfter passen die Wärmeleistung automatisch der Umgebungstemperatur an. (Bild: Seifert Systems GmbH)

In den wenigsten Fällen lässt sich die Abkühlung des Schaltschrankinneren allein durch natürliche Konvektion bewerkstelligen. Zunehmend dichtere Bestückung mit moderner Leistungselektronik sowie Bauart und Aufstellungsorte, die sich ungünstig auf die Wärmeabfuhr auswirken, erhöhen die Gefahr, dass sich die Wärme im Schaltschrank staut und gefährliche Wärmenester entstehen. Wird der empfohlene Mittelwert von +35°C dauerhaft überschritten, büßt die temperaturempfindliche Leistungselektronik an Funktionstüchtigkeit und Lebensdauer ein. Schon bei 10K über ihrer maximalen Betriebstemperatur ist davon auszugehen, dass sich die Lebensdauer der betroffenen Komponenten halbiert und die Ausfallrate auf das Doppelte steigt. Ein wirkungsvolles, energieeffizientes Thermal Management muss die Kühlleistung daher auf die abzuführende Verlustwärme abstimmen und die Kühltechnik den spezifischen Einsatz- und Umgebungsbedingungen anpassen.

Kompakt und robust: Thermoelektrische Kühlsysteme mit Peltier-Technologie benötigen weder Kompressor noch Kältemittel. (Bild: Seifert Systems GmbH)

Kühlen mit Peltier-Effekt

Bei rauen Industriebedingungen, im staubigen und öligen Umfeld oder bei starken Temperaturschwankungen braucht es besonders robuste und wartungsarme Kühltechnik. Deshalb führt der Klimatisierungsspezialist Seifert Systems zur breiten Palette an Kompressionskühlgeräten auch ein großes Spektrum von Peltier-Systemen mit Nutzkühlleistungen von 30W bis 800W im Programm. Die auf dem Peltier-Effekt basierenden Systeme nutzen die thermoelektrische Temperaturleitfähigkeit von Halbleitern mit unterschiedlichen elektronischen Wärmekapazitäten. Unter Strom werden die Elektronen des einen Leiterbandes auf ein energetisch höheres Niveau angehoben und nehmen dabei Wärme auf, während auf der anderen Seite das Energieniveau absinkt und Wärme freigesetzt wird. Auf diese Weise vollzieht sich ein kontinuierlicher Wärmetransfer von innen nach außen, ohne eines Kältemittels und Kompressors zu bedürfen. Dies schont die Umwelt, verringert erheblich den Wartungsbedarf und erlaubt sehr kompakte Bauformen für die flexible Installation. Seifert bietet seine Peltier-Kühlgeräte der Baureihe SoliTherm TG in Modellvarianten zum Halbeinbau wie auch zum Schaltschrankanbau mit Rahmen an. Die Geräte können – anders als konventionelle Kühltechnik – unter Berücksichtigung des Kondensatablaufs in nahezu jeder Einbaueinlage montiert werden. Mit ihren robusten, korrosionsbeständigen V2A- oder V4A-Edelstahlgehäusen in Schutzart IP66 sind die Systeme für den Innen- wie Außeneinsatz nach NEMA Typ 4X ausgelegt. Sämtliche der nach CE, RoHS, cURus zertifizierten Fabrikate lassen sich in einem erweiterten Temperaturbereich zwischen -20 und +65°C betreiben. Peltier-Elemente und die geräuscharme Lüftereinheit verfügen über separate Anschlüsse und sind abhängig von der Kühlleistung mit AC-Weitspannungsbereich (120 – 230V) sowie mit verschiedenen DC Spannungen (12, 24 und 48V) lieferbar.

Thermoelektrische Klimatisierung sorgt für Abkühlung im Schaltschrankinneren und beugt gefährlicher Feuchtigkeitsung vor. (Bild: gii die Presse-Agentur GmbH)

Peltier- und PTC-Beheizung

Da der Wärmetransfer eines Peltier-Elements an die Stromrichtung gekoppelt ist, kann es durch einfache Umkehrung des Stromflusses vom Kühlsystem zur Heizung umfunktioniert werden. Die Beheizung wirkt gefährlicher Feuchtigkeits- und Kondensatbildung im Schaltschrankinneren entgegen und schützt die empfindliche Schalt- und Steuerelektronik vor durch Temperaturschwankungen verursachten Leistungseinbußen. Für seine Peltier Geräte mit DC-Spannung führt Seifert System hierzu eine externe Steuerung im Programm, die bei voreingestellten Sollwerten automatisch vom Kühlmodus in den Heizmodus umschaltet. Peltier Geräte mit AC-Spannung verfügen über eine interne Steuerung. Neben der Peltier-Technologie bieten sich zur Schaltschrankbeheizung alternative thermoelektrische Verfahren an. Bewährt haben sich Heizgeräte mit integriertem PTC-Thermistor, deren Wärmeleistung sich dynamisch der Umgebungstemperatur anpasst. Als Thermistoren mit positivem Temperatur-Koeffizienten (PTC) werden überwiegend keramische Kaltleiter verbaut. Da ihr Widerstand bei tiefen Temperaturen gering ausfällt, verfügen sie über eine hohe Leitfähigkeit und können die elektrische Energie schnell in Wärme umwandeln. Mit steigender Temperatur nimmt der Widerstand zu und begrenzt damit automatisch die Wärmeentwicklung, so dass ein Überhitzen ausgeschlossen ist. Auch in diesem Produktsegment hält Seifert eine breite Palette an Systemen und Gerätevarianten bereit. Hierzu zählen mit der Baureihe KH 401 besonders schlank dimensionierte PTC-Heizlüfter, die Heizleistungen von 300W und 350W mit geringem Anlaufstrom erbringen. Die im kompakten, hitzeisolierenden Kunststoffgehäuse gefertigten Modellreihen sind für Temperaturbereiche von -10°C bzw. -40 bis +70°C ausgelegt und gewährleisten mit ihrer Lüftertechnologie eine gleichmäßige Wärmeverteilung im Gehäuseinneren. Zur Erwärmung größerer Luftvolumina bei Betriebstemperaturen zwischen -45 und +70°C sind mit den Geräteserien KH 501 und KH 502 PTC-Schaltschrankheizungen mit Nennleistungen zwischen 25W und 150W im Weitspannungsbereich 100 – 240V AC/DC verfügbar.

Fazit

Thermoelektrische Systeme zur Schaltschrankklimatisierung stellen eine wartungsarme und kompakte Alternative für das Kühlen und Heizen von Schaltgehäusen dar. Spezialisierte Hersteller wie Seifert Systems bieten ein breites Spektrum an Klimatisierungstechnik auf Grundlage thermoelektrischer Wirkprinzipien. Es umfasst unter anderem robuste Peltier-Kühlsysteme für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen sowie Heizlüfter und Heizungen mit selbstregulierenden PTC-Thermistoren.