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Bei Cold Plates ist das Optimierungspotenzial in Sachen Wärmeabführung, Montage und Handling noch nicht ausgeschöpft.
Der Verlauf der Verrohrung hat sich geändert: Die Kühlflüssigkeit fließt jetzt im Wesentlichen horizontal statt vertikal.
Der größte Vorteil der horizontalen Verrohrungen ist die gleichmäßige Wärmeabführung.

Noch vor einigen Jahren stand der Markt dem Thema Wasserkühlung im direkten Umfeld empfindlicher Elektronik skeptisch gegenüber. Wie schnell ein Umdenken erfolgte, zeigen die geänderten Konstruktionen aktiver Komponenten, die seit einiger Zeit namhafte Firmen anbieten: angefangen bei Frequenzumrichtern über Servo- und Motorregler bis hin zu Gleichrichtern und Hochleistungshalbleitern. Diese werden auf Wunsch anstelle der bisherigen Kühlrippen mit einem genormten und planen Anschluss ausgeliefert, der zur direkten Montage auf die wassergekühlte Cold Plate vorgesehen ist. Bei diesen Geräten ist die Elektronik konstruktiv so ausgelegt, dass circa 70 % der Verlustleistung direkt auf den Kühlkörper übertragen werden. Durch die Abführung der Verlustleistung über die Cold Plate lassen sich die Geräte zudem ohne Problem übereinander aufbauen. Außerdem verringert sich die Einbautiefe im Schaltschrank, da die Lüfter entfallen.

Technik im Detail

Die fünf wichtigsten Integrationstipps

Worauf der Konstrukteur bei der Integration einer Cold Plate in einen Schaltschrank achten muss:

Die zu verbauenden Komponenten wie Frequenzrichter, Servo- und Motorregler sowie Gleichrichter müssen für die Cold-Plate-Technik konstruktiv geeignet sein und auf der Rückseite über eine plane Oberfläche verfügen, die auf die Cold Plate montiert werden kann.

Da die Ausbauteile der Cold Plate hohen Drücken ausgesetzt sind, sollte die Wasserinfrastruktur mit druckfesten Rohren, Schläuchen sowie Fluidverteilern ausgeführt sein. Hier empfehlen sich Systemlösungen, die mit der TÜV-Zertifizierung ‚Baumuster geprüft‘ ausgezeichnet und für Drücke bis 10 bar zugelassen sind.

Die Wassertemperatur darf nicht zu niedrig sein. Empfohlen wird eine Vorlauftemperatur von 25° C, um die Wahrscheinlichkeit der Kondensatbildung zu verringern. Für das genaue Einhalten der Vorlauftemperatur sorgt entsprechendes Zubehör.

Beim Betrieb der Cold-Plate-Technik ist auf die Wasserqualität zu achten. Bei schlechter Wasserqualität – etwa durch verschmutztes Fluss- oder Brunnenwasser – wird eine Cold Plate in Edelstahl-Ausführung empfohlen. Bei herkömmlichen Verrohrungen aus Kupfer besteht die Gefahr, dass sich bei schlechter Wasserqualität das Material auflöst.

Es ist darauf zu achten, dass sich das Gesamtsystem etwa durch Schnellentlüfter leicht entlüften lässt und zur besseren Wärmeabführung über eine horizontale Verrohrung verfügt.

Gegenüber der internen Luftkühlung im Schaltschrank bietet die Cold Plate dem Anwender eine größere Unabhängigkeit von den Umgebungsbedingungen und damit mehr Flexibilität in Bezug auf den Aufstellungsort. Gerade die klassische Luftkühlung kommt bei hohen Umgebungstemperaturen und Staubbelastungen oftmals an ihre Grenzen. Erhöhte Außentemperaturen können auch Schaltschrank-Kühlgeräten mit einem Kompressor Probleme bereiten, da der Verflüssiger mit zu warmer Luft angeströmt wird. Ähnliches gilt für die Durchstecktechnik, bei der überstehende Kühlkörper den wesentlichen Teil der Verlustleistung nach außen abführen. Diese Lösung ist ebenfalls nur bei kalter und sauberer Umgebungsluft sinnvoll. Außerdem sind entsprechende Abdichtungen notwendig.

Hohe Schutzart möglich

Da die Abwärme leistungsstarker Komponenten über eine Wasserkühlung dort abgeleitet wird, wo sie entsteht, bleibt die Schutzart des Schrankes erhalten. Das bedeutet, dass der Anwender über Gehäuse mit hohem IP-Schutz verfügen kann – bis hin zu IP67K. Auch für den Einsatz im Ex-Bereich ist die Cold-Plate-Lösung interessant. Schaltschränke mit klassischer Luftkühlung können nur mittels vergossener Wicklungen im Ex-Bereich eingesetzt werden, wobei die Umgebungstemperatur ebenfalls bestimmte Werte nicht überschreiten sollte.

Bei der Kühlung von Präzisionswerkzeugmaschinen bietet die fast bewegungslose Cold-Plate-Technik im Vergleich zur Luftkühlung ebenfalls Vorteile. Denn bei der Luftkühlung kann sich das Fräsbild der Werkzeugmaschine durch das Anlaufen des Ventilators verändern. Sinnvoll ist die geräuschlose Lösung auch in der Medizintechnik oder in der Nahrungsmittelindustrie sowie im Reinraumbereich, wo wenig Luft zirkulieren soll. Darüber hinaus ist eine vollständige Integration der Cold Plate in eine Maschine möglich.

Horizontale Verrohrung

Was unterscheidet die neue Cold Plate von Rittal von ihrem Vorgängermodell? Auf den ersten Blick erkennt man nur, dass der Verlauf der Verrohrung geändert wurde. Die Kühlflüssigkeit fließt jetzt im Wesentlichen horizontal statt vertikal. Der größte Vorteil der horizontalen Verrohrungen ist die gleichmäßige Wärmeabfuhr. Da Zu- und Ablauf des Kühlwassers seitlich erfolgen, kann der Anwender die Cold Plate auch um 180° gedreht einbauen. Das heißt, die Wasseranschlüsse sind wahlweise rechts oder links. Das erhöht die Flexibilität. Früher konnten Zu- und Ablauf nur von der Rückseite her zugeführt werden. Darüber hinaus hat sich das Leeren der Kühlkanäle mit der neuen Version vereinfacht – ein häufig genannter Wunsch der Kunden. Und schließlich kann die Cold Plate von zwei Seiten bestückt werden.

Die Cold Plate von Rittal besteht aus Aluminium und wird für 600 und 800 mm breite Schaltschränke sowie eine maximale Verlustleistung von 2,5 beziehungsweise 3 kW angeboten. Um einen möglichst guten Kontakt mit der Platte zu erreichen, werden die Rohre nun ohne einen zusätzlichen Kleber in die gefrästen Kühlkanäle gepresst. Der Kunde hat die Wahl zwischen einer Kupfer- und einer Edelstahl-Verrohrung. Kupfer ist für Standardanwendungen – mit Luft/Wasser-Wärmetauschern sowie Rückkühlanlagen – mit den Medien Wasser und Glykol vorgesehen. Die Edelstahl-Variante wird für den Nahrungsmittelbereich und bei schlechter Wasserqualität empfohlen. Damit hat der Anwender die Möglichkeit, nicht-aufbereitetes Wasser, wie Fluss- oder Brunnenwasser, als Kühlmittel einzusetzen. Er kann die Cold Plate auch in einer Anlage mit offenem Kreislauf betreiben. Empfohlen wird eine Vorlauftemperatur von 25 °C, um die Wahrscheinlichkeit der Kondensatbildung zu verringern. Das Zubehör reicht von Flexschläuchen und Fluidverteilern über eine automatische Entlüftung bis hin zu Systembefestigungen für die aktiven Komponenten.

Die Montage erfolgt sowohl an der Rückwand als auch an der Seitenwand. Und durch den Einsatz von System-Chassis ist auch der Einbau in Bezug auf die Tiefe variabel. Ähnlich schnell und sicher verläuft die Montage der aktiven Komponenten mit einem T-Nut-Befestigungssystem – entweder über seitliche oder umlaufende Spannflächen oder direkt in der T-Nut. Darüber hinaus hat der Anwender die Möglichkeit individuelle Bohrungen zu setzen. Der Verlauf der Kühlkanäle ist deshalb markiert.