Praxisnaher Versuchsaufbau bei Audi

Welche positiven Effekte der Einsatz des Airstream-Systems auf das Temperaturniveau sowie die -verteilung im Schaltschrank hat, wurde kürzlich im Motorenwerk von Audi Hungaria in Györ in der Praxis unter Alltagsbedingungen untersucht. Hierzu wurden vor Ort in der Produktion zwei Anlagen mit je vier Schaltschränken (1 200 mm bzw. 600 mm Breite, 2 000 mm Höhe, 600 mm Tiefe) mit den gleichen Bau- und Leistungsteilen bestückt und verdrahtet. Einziger Unterschied: Anlage I wurde mit Montageplatte und Anlage II mit Airstream-Rahmen ausgestattet (Bild 1).
Die Klimatisierung erfolgt bei der Anlage I über ein Klimagerät mit 1 500 W und bei der Anlage II über Wärmetauscher mit 1 450 W. Die Verlustleistung der beiden Kühlmedien spielt bei dieser Untersuchung jedoch nur eine Nebenrolle, da die kalte Luft bei beiden Varianten vom Dach kommt. Der Fokus der Studie lag vielmehr auf dem Nachweis sowie der Wirkung einer gezielten Luftführung im Schaltschrank, da die Luft bei Airstream, im Gegensatz zur Montagetafel, frei zirkulieren kann. Beide Schaltschrankaufbauten waren bei gleicher Taktung jeweils für rund 6 h in eine Fertigungslinie zur vollautomatischen Einpressung von Ventilsitzringen und Ventilführungen in den Zylinderkopf eines V6-Otto-Motors eingebunden.
Die Dauer der Messreihen war auf zwei Tage angesetzt. Messung I mit Montageplatte erfolgte am ersten Tag – bei einer Umgebungstemperatur von 22 °C – und Messung II mit einem Lütze-Airstream-Rahmen am zweiten Tag – bei einer Umgebungstemperatur von 23,9 °C.
Nach Betriebsbeginn erfassten zehn Messfühler die Umgebungs- und die Innentemperaturen. Die tatsächliche Leistungsaufnahme der beiden Anlagen wurde nicht betrachtet, da von einer identischen Taktung ausgegangen wurde. Stattdessen achteten die Experten darauf die Temperatur besonders an den wärmekritischen Punkten im Schrank – also zum Beispiel an den Komponenten mit hoher Wärmeverlustleistung (FU) – zu messen.

Die Messergebnisse im Detail

Beim Versuchsaufbau I mit Montageplatte (Bild 2) pendelten sich die Temperaturschichten nach Anlauf des Klimageräts (ca. 40 min nach Produktionsstart) zwischen 29 °C und 43 °C ein. Beim Versuchsaufbau II mit Airstream-Verdrahtungsrahmen (Bild 3) pendelten sich die Temperaturschichten nach Anlauf der Wärmetauscher (ca. 37 min nach Produktionsstart) zwischen 30 °C und 34 °C ein.
Bild 4 zeigt die Temperaturen an den Messpunkten 8 und 9 sowie am Luftaustritt im Detail. Beim Versuch mit Montageplatte herrscht am Messpunkt 9 zwischen Schütz und Kabelkanal eine Temperatur zwischen 38,5 °C und 42,5 °C, am Messpunkt 8 zwischen der Simatic ET200S und Kabelkanal eine Temperatur zwischen 36,5 °C und 38,5 °C sowie am Luftaustritt des Klimageräts von 33,5 °C. Die hohe Temperatur am Kabelkanal deutet auf eine Luftverblockung hin, die diesen Hotspot hervorruft. Ein Hotspot der gerade noch knapp innerhalb der Toleranzen bleibt, da die Anlage auf eine Außentemperatur von 38 °C und eine maximal zulässige Innentemperatur von 42 °C ausgelegt ist.
Im Airstream-Schaltschrank wurde einen Tag später am Messpunkt 9 zwischen Schütz und Simatic ET200S eine Temperatur von 31 °C bis 33,5 °C, am Messpunkt 8 zwischen Simatic ET200S und Klemmen eine Temperatur von 32 °C bis 33,5 °C und am Luftaustritt des Wärmetauschers von 29,5 °C gemessen. Würde die Luft beim Austritt des Wärmetauschers identisch der Temperatur des Klimageräts entsprechen, würden die Kurven linear ansteigen. Trotzdem ist die Luft homogen und nicht geschichtet wie bei der Montageplatte. Hotspots sind beim Airstream-Verdrahtungsrahmen kaum erkennbar.
Beim Vergleich der beiden Schaltschrankaufbauten ist außerdem zu berücksichtigen, dass der Versuchsaufbau II mit ungünstigeren Rahmenbedingungen belastet war: So lag die Umgebungstemperatur mit 1,9 K höher als am Tag 1 der Messreihe. Bei gleicher Außentemperatur wäre somit der Schrank mit Airstream innen um weitere 1,9 K kühler gewesen und die Kurven in Bild 3 würden dementsprechend tiefer verlaufen.