Die Relais der G5NB-Serie fallen kompakter aus als typische Sugar-Block-Varianten und sparen so Platz auf der Leiterplatte.

Bild: Omron

Ex-geschützte Relais Bessere Vorschriften und Komponenten für Kältemittel

20.01.2023

Während die Welt Maßnahmen ergreift, um den Planeten vor einer Klimakatastrophe zu schützen, erfordern neue Gefahren strengere Vorschriften für verschiedene Anwendungen. Dazu zählt auch die Kühlung von Industriegeräten und Heizsystemen wie Wärmepumpen. Welche Anforderungen ergeben sich dadurch für zugehörige Mess- und Steuergeräte?

Haushalts- und Industriekühlschränke, Verkaufsautomaten und Wärmepumpen wie Klimaanlagen sind auf Kältemittel angewiesen. Dass ältere Kältemittel die Atmosphäre belasten, ist bekannt. FCKW sind als Zerstörer der Ozonschicht berüchtigt, und die nachfolgenden Alternativen haben immer noch das Potenzial, die globale Erwärmung zu beschleunigen – ganz zu schweigen von den weiteren schädlichen Auswirkungen auf den Menschen und die Ökosphäre im Allgemeinen.

Genauer gesagt handelt es sich bei einem Kältemittel um ein Arbeitsmittel, das im Kältekreislauf von Klimaanlagen und Wärmepumpen verwendet wird, wo es in den meisten Fällen einen wiederholten Phasenübergang von einer Flüssigkeit zu einem Gas und wieder zurück durchläuft. Kältemittel sind aufgrund ihrer Toxizität, ihrer Entflammbarkeit und ihres Beitrags zum Ozonabbau (FCKW und HFCKW) beziehungsweise zum Klimawandel (HFCKW) stark reguliert.

Kohlenstoffarme Systeme sind eine offensichtliche Lösung und machen den Weg frei für neue, umweltfreundliche Kältemittel. Das Problem ist, dass Kältemittel mit niedrigem Ozonabbaupotenzial (ODP) und dem geringsten Treibhauspotenzial (GWP) eigene Gefahren mit sich bringen. Kältemittel mit niedrigem GWP sind nämlich leicht entflammbar, weshalb eine gasexplosionssichere Konstruktion vorgeschrieben ist. Atex-zugelassene Komponenten könnten eine gute Lösung sein, um die Konstruktion zu vereinfachen und die Sicherheitsvorschriften für Kühlanlagen, Verkaufsautomaten und Wärmepumpen zu erfüllen.

Das Problem mit den Wärmepumpen

Die Welt fängt damit an, fossile Gaskessel zugunsten von Wärmepumpen und alternativen Brennstoffen auslaufen zu lassen. Dies bringt neue Herausforderungen mit sich, denn es müssen Lösungen gefunden werden, die die Auswirkungen der globalen Erwärmung abmildern und gleichzeitig die Sicherheit der Heiz- und Kühlanlagen gewährleisten. Außerdem wird unsere Notwendigkeit, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, durch die jüngste Volatilität der weltweiten Gaspreise unterstrichen.

In Europa verfolgt der REPowerEU-Plan darüber hinaus das weitere Ziel, unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen schrittweise zu beenden. Durch die Verringerung des CO2-Fußabdrucks werden sowohl die Verbraucher als auch die Atmosphäre geschützt. Diese Ziele werden durch drei Zusicherungen untermauert: Beschleunigung des Übergangs zu sauberer Energie, Diversifizierung der Energieressourcen und Senkung des Gesamtverbrauchs.

Um diese Ziele zu erreichen, werden Gaskessel durch den Repower-Plan der EU-Gemeinschaftspolitik eingeschränkt, wobei weitere Investitionen in Solar- und erneuerbare Energien erwartet werden. Die Europäische Union sollte sich insbesondere zum Ziel setzen, die derzeitige Einführungsrate von individuellen Wärmepumpen zu verdoppeln, was zu einer kumulativen Anzahl von zehn Millionen Einheiten in den nächsten fünf Jahren führen würde. REPowerEU erweitert diese Ambitionen und erhöht den Zeitplan auf 20 Millionen installierte Wärmepumpen bis 2026 und fast 60 Millionen bis 2030.

Daraufhin hat die deutsche Regierung eine neue Wärmestrategie mit Schwerpunkt auf Fernwärmelösungen beschlossen, mit dem Auftrag, Wärmepumpen ab Januar 2025 verbindlich vorzuschreiben. Die Niederlande wollen, dass Hybrid-Wärmepumpen beim Austausch bestehender Heizkessel zum Standard werden, und machen Wärmepumpen ab 2026 zur Pflicht. Großbritannien hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2028 jährlich 600.000 Wärmepumpen zu installieren, und wird ab 2025 die Installation von Gaskesseln in Neubauten verbieten. Frankreich hat zugesagt, die staatlichen Subventionen für die Installation neuer Gasheizungen in Privathaushalten einzustellen und die Förderung von Heizungen mit erneuerbaren Energien zu verstärken, während die italienische Regierung ebenfalls ihre Absicht erklärt hat, Gasheizungen in Privathaushalten ab 2029 zu verbieten.

Werden diese Ziele erreicht, wird der Verbrauch fossiler Brennstoffe stark zurückgehen, die Verwendung potenziell schädlicher Kältemittel jedoch stark zunehmen, da neue Wärmepumpen zusätzlich zu der bestehenden Nachfrage nach diesen Stoffen aus Klimaanlagen und Kühlgeräten hinzukommen. Die Umstellung auf Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotenzial ist unabdingbar, was den Übergang zu einer explosionssicheren Bauweise für alle Arten von Wärmepumpen und Kälteanlagen mit brennbaren Gasen mit sich bringen wird.

Normen für die Sicherheit

Die Norm der American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineering (ASHRAE) klassifiziert Kältemittel nach ihrer Gefährlichkeit, basierend auf Toxizität und Entflammbarkeit. Gängige umweltfreundliche Kältemittel wie R290 (Propan), R1270 (Propen) und R600a (Isobutan) weisen einen ODP-Wert von Null und ein niedriges GWP (Treibhauspotenzial) auf. Sie sind jedoch nach der Norm A3 eingestuft, das heißt leicht entzündlich. Dies bedeutet, dass für die Komponenten, die bei der Konstruktion von Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlsystemen verwendet werden, neue Lösungen erforderlich sind. Diese Überlegungen gelten in noch stärkerem Maße für hochentzündliche Wasserstoffheizkessel.

Eine explosionsfähige Atmosphäre liegt vor, wenn sich ein Gemisch aus Luft, Gasen, Dämpfen, Nebeln oder Stäuben in einer Weise verbindet, die sich unter bestimmten Betriebsbedingungen entzünden kann. In ganz Europa umfassen die Geräte und Schutzsysteme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen (Atex) eine Reihe von Produkten, darunter solche, die unter anderem auf festen Offshore-Plattformen, in petrochemischen Anlagen, in Bergwerken und in Getreidemühlen eingesetzt werden.

Explosionsgeschützte Relais, Schalter und ähnliche Geräte fallen unter die Bestimmungen der IEC60335-2-40 „Besondere Anforderungen für elektrische Wärmepumpen“. Bei Klimageräten und Luftentfeuchtern erweitern die Vorschriften der IEC 60730 / UL508 die Einsatzmöglichkeiten für brennbare Kältemittel wie R290.

In der Praxis gelten spezifische Vorschriften für die unterschiedlichsten Anwendungen, von Transportkühlschränken über Kältemaschinen und Klimaanlagen bis hin zu Wärmepumpen und Wasserstoffheizkesseln. Dies wiederum macht es notwendig, neue Lösungen zu entwickeln, die Schutz bieten und gleichzeitig den Bedürfnissen des Marktes entsprechen.

Explosionssichere gekapselte Standardrelais

Zu den ersten Erfolgen gehören die Zertifizierungen von geschlossenen und offenen Relais, die bereits die Zulassung nach VDE IEC60079-15 erhalten haben. Ein Beispiel: Das G5NB von Omron ist ein Miniaturrelais mit einpoliger 5-A-/7-A-Schaltfähigkeit und 10-kV-Stoßspannungsfestigkeit. Sein effizienter Magnetkreis sorgt für eine Empfindlichkeit von 200 mW. Dieses Standardmodell entspricht den UL/CSA/VDE-Normen und erfüllt die Anforderungen der verstärkten Isolierung nach EN61010.

Das Miniatur-Leistungsrelais G5Q ist ein einpoliges Bauteil mit 10 A Schaltleistung für eine Vielzahl von Lasten. Es ist klein und bietet dennoch eine Stoßspannung von 8 kV (zwischen Spule und Kontakten) sowie eine geringe Leistungsaufnahme der Spule.

Das G2RL ist ein flaches PCB-Leistungsrelais mit einer Höhe von 15,7 mm, das sich ideal für den Einbau in Miniaturgeräte eignet. Es ist eine große Auswahl an einpoligen, zweipoligen, hochleistungsfähigen (16 A) und hochempfindlichen (250 mW) Relais erhältlich. G2RL erfüllt die Anforderungen an die Umgebungstemperatur von 85 und 105 °C (Modell -CV). Luft- und Kriechstrecke: 8 mm / 8 mm min.

Der niedrige Stromverbrauch der Modelle G5NB und G5Q sorgt für eine geringere Wärmeentwicklung. Die Relais können in einer Vielzahl von Verbraucher-, kommerziellen und industriellen Anwendungen als explosionsgeschützte Relais, glühdrahtfeste Relais und Hochstromrelais eingesetzt werden.

Die Relais G5NB, G5Q und G2RL sind für den Einsatz in zunehmend risikoreichen Situationen mit gefährlichen Kraftstoffen und Kältemitteln zugelassen. Die VDE-Explosionsschutzprüfung nach IEC/EN60079-15 ist sowohl für abgedichtete als auch für nicht abgedichtete Geräte vorgesehen. Weitere Zulassungen für Motorlasten sind in Vorbereitung. Zusätzliche Zulassungen umfassen VDE Glühdraht EN60335-1(-HA-Modell) und IEC/EN61810-1 sowie UL/CSA.

Miniaturrelais

Neben den gekapselten Standardrelais bieten Miniatur-Leistungsrelais wie das G6RN eine Schaltleistung von 8 A / 250 VAC bei einer Bauhöhe von nur 15 mm. Es zeichnet sich außerdem durch eine hohe Empfindlichkeit mit 220 mW Leistungsaufnahme, eine hohe Isolierung mit einem Isolationsabstand von 8 mm und eine Stoßspannung von 10 kV zwischen Spule und Kontakten aus.

Das G6RN erfüllt die Anforderungen an eine Betriebsumgebungstemperatur von 85 °C und entspricht in der Standardausführung den VDE-Normen. Diese in der Entwicklung befindliche Relaisfamilie wird ein nicht abgedichtetes Modell -EL1 und sein abgedichtetes Gegenstück -EL2 umfassen. Beide werden nach den Normen IEC/EN60079-15 (Explosionsschutz) und EN60335-1 (Glühdraht) zugelassen.

Gekapselte Mikroschalter

Neue Versionen von Ultra-Subminiatur-Basisschaltern, die nach IP67 abgedichtet sind, werden sich ebenfalls als ideal für den sicheren Betrieb in der Nähe von hochentzündlichen Flüssigkeiten erweisen. Die Modelle mit Gleitkontaktkonstruktion haben einen langen Hub und bieten eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine hohe Isolationsleistung. Die versiegelten Mikroschalter von Omron sind je nach Größe für Signalströme bis zu 5 A erhältlich, alle Modelle können mit umspritzten Kabeln geliefert werden.

MEMS-Sensoren

Die Überwachung des Luftstroms und des Luftdrucks gewährleistet einen korrekten und optimalen Betrieb von Wärmepumpen, Kälteanlagen und Klimaanlagen, verbessert die Verbrennungseffizienz in Heizkesseln und liefert eine Rückkopplungsregelung für Klimaanlagen durch Messung der Luftmenge und der Belüftung. Die Drucksensoren des Typs D6F-PH und der Überdrucksensor 2SMPP unterstützen die vielfältigen Anforderungen von Luftstrommessungen. Sie könnten auch zur Erkennung von verstopften Filtern und zur Unterstützung von vorausschauenden Wartungslösungen eingesetzt werden. Die Geschwindigkeitssensoren D6F-V und D6F-W sparen durch die Erfassung des Luftstroms Energie und optimieren gleichzeitig die Klimaregelung ohne Qualitätseinbußen.

Fazit

Die Bedrohung durch die globale Erwärmung und die Notwendigkeit, die Nutzung fossiler Brennstoffe zu beenden, bringen neue Herausforderungen mit sich. Die Welt muss Lösungen finden, die die Auswirkungen der globalen Erwärmung abmildern und gleichzeitig die Sicherheit von Heiz- und Kühlanlagen gewährleisten. Mess- und Kontrollgeräte stellen sich den Herausforderungen neuer Anwendungen und Vorschriften.

Omron hat sich verpflichtet, Technologien zu entwickeln und zu fördern, die Ressourcen und Umwelt schonen. Dazu gehören Atex-konforme Relais, abgedichtete Schalter und neue Arten von Sensoren.

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