Modulare Hochleistungskühlkörper für Frequenzumrichter
Standard und doch maßgeschneidert
Moderne elektronische Baugruppen, wie sie in Frequenzumrichtern Verwendung finden, werden immer kleiner und gleichzeitig leistungsstärker. Damit entwickelt sich auch mehr Wärme, die über Kühlkörper abzuführen ist. Für den schnellen Wärmeabtransport in Frequenzumrichtern eignen sich modular aufgebaute Hochleistungskühlkörper in Kombination mit Lüftern. Durch den standardisierten Aufbau sind sie zudem kompakt und kostengünstig.
Bild: Getriebebau Nord GmbH & Co. KGNord fertigt seit 1984 Elektronikkomponenten aus eigener Entwicklung. Dazu zählen Motorstarter sowie dezentrale und zentrale im Schaltschrank zu montierende Frequenzumrichter - darunter auch in abgestuften Ausstattungsvarianten die kompakten Frequenzumrichter der Produktreihe SK 500E. Die Umrichter eignen sich für zahlreiche Anwendungsbereiche (z.B. Kräne, Rührwerke, Torantriebe, Hubwerke oder Handling-Systeme) und lassen sich unkompliziert an spezifische Anforderungen anpassen. Insgesamt bietet Nord elf verschiedene Baugrößen mit Leistungen von 0,25 bis 160kW. Bei den leistungsstarken Geräten der höheren Baugrößen 8 bis 11 (45 bis 160kW) sorgen spezielle, jeweils mit zwei bis drei Axiallüftern kombinierte Hochleistungskühlkörper für den schnellen Abtransport der entstehenden Wärme. Die abzuführende Verlustleistung beträgt dabei von 900W bei Umrichtern der Baugröße 8 bis 3,1kW bei Baugröße 11.
Bild: Getriebebau Nord GmbH & Co. KGKompakt und effizient
Die für die Entwärmung verwendeten Hochleistungskühlkörper sind modular aufgebaut. Die Basis der Kühlkörper besteht aus einer hochleitfähigen Aluminiumlegierung, die Rippen, die durch Hartlöten miteinander verbunden werden, aus reinem Aluminium - möglich sind auch Kombinationen aus Aluminium und Kupfer. "Anders als bei herkömmlichen Kühlkörpern in Modulbauweise, bei denen die einzelnen Elemente verklebt oder kaltgeschweißt werden, treten bei hartgelöteten Kühlkörpern keine mechanischen oder thermischen Lücken an der Basis der Kühlrippen bzw. zwischen den einzelnen Kühlkörperkomponenten auf. Denn beim Hartverlöten wird die Molekularstruktur der einzelnen Module bei hohen Temperaturen miteinander vernetzt", erläutert Wilfried Schmitz, Geschäftsführer von CTX Thermal Solutions. Das Ergebnis sind geringe Übergangswiderstände. Damit verfügen die Hochleistungskühlkörper über die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40 Prozent leichter und kompakter als herkömmliche Druckgusskühlkörper. Sie erreichen fast die gleiche Kühlleistung wie Flüssigkeitskühlkörper, sind allerdings kostengünstiger als diese. Damit sind modulare, hartverlötete Kühlkörper effektiver als herkömmliche Rippenkühlkörper aus extrudierten Aluminiumprofilen mit erzwungener Konvektion.
Bild: Getriebebau Nord GmbH & Co. KGKeine Werkzeugkosten
Die erforderliche Kühloberfläche lässt sich aufgrund des modularen Aufbaus präzise an das elektronische Bauteil und dessen Verlustleistung anpassen. Kühlkörperlängen und -breiten bis zu 600mm sind möglich. Die Gesamtabmessungen der maßgeschneiderten Hochleistungskühlkörper für Nord betragen inklusive Profilträger 125x508x264mm. Das Kühlelement setzt sich aus insgesamt 47 Kühlrippen zusammen und misst 87,5x280x240mm. "Die Kühlkörper wurden präzise auf unsere Anwendung zugeschnitten. Dabei galt es, die Eigenschaften der Wärme erzeugenden Quellen sowohl in den mechanischen Abmessungen des Kühlkörpers als auch in der thermischen Auslegung zu berücksichtigen. Dadurch steigt die Temperatur der Kühlkörper selbst bei Überlast gegenüber der Umgebungstemperatur nur um höchstens 40°C an. Der modulare Aufbau ermöglicht die kurzfristige Realisierung individueller Kühllösungen. Werkzeugkosten, wie sie bei Druckgusskühlkörpern auftreten, entfallen.
Thermische Simulation
Bei Auswahl und Dimensionierung der neuen Hochleistungs-Kühlkörper griffen die Konstrukteure auf Erfahrungswerte aus älteren Frequenzumrichterbaureihen zurück. Auf dieser Basis wurden die thermischen Eigenschaften der Kühlkörper berechnet und durch praktische Tests verifiziert. Eine thermische Simulation war in diesem Fall nicht erforderlich. Liegen jedoch keine Erfahrungswerte vor, kann ein simulierter Prozess auf Basis der thermodynamischen Rahmendaten der Anwendung die Auslegung eines applikationsgerechten Kühlkörpers wesentlich beschleunigen. Zudem reduziert er kostspielige Praxisversuche oder macht sie überflüssig. Zu den thermodynamischen Randbedingungen zählen zum einen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelementes mit Bemaßung und Position des Hotspots, also des Moduls, Chips oder ähnlichem, an dem die Verlustleistung auftritt. Dazu kommen die geometrischen Gegebenheiten wie der zur Verfügung stehende Platz. Auch die für den Betrieb zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur spielen eine entscheidende Rolle. "Ob das zu kühlende Bauteil in einem Büro bei maximal 25°C, in einem Kühlhaus bei -40°C oder bei Arbeitstemperaturen von +70°C beispielsweise in der Nähe von Motoren oder Lichtquellen zum Einsatz kommt, ist eine entscheidende Information. Denn die Differenz zwischen Umgebungs- und Komponententemperatur, das T, fließt ebenfalls in die Berechnung des Wärmewiderstandes des Kühlkörpers ein", erklärt Georg Laskowsky, Verkaufsleiter bei CTX. Der Wärmewiderstand Rth ist die entscheidende Kenngröße eines Kühlelementes und maßgeblich für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers. Der Wert Rth gibt an, wie viel Grad Temperaturdifferenz in Kelvin erforderlich sind, um die Wärmeleistung von 1W zu übertragen. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung.
Höchste Gestaltungsflexibilität
Mit den hartgelöteten Kühlkörpern bietet CTX Thermal Solutions seinen Kunden ein hohes Maß an Gestaltungsflexibilität, denn sie lassen sich nicht nur mit Lüftern, sondern für besondere Kühlaufgaben auch mit einer Flüssigkeitskühlung kombinieren. Die höhere Effizienz bei gleichen Dimensionen erlaubt somit ein kompaktes Design und senkt damit gleichzeitig die Anschluss- und Schaltschrankkosten. Die Kühlkörper lassen sich in fast allen Bereichen der Industrie einsetzen. Selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch.
Moderne elektronische Baugruppen, wie sie in Frequenzumrichtern Verwendung finden, werden immer kleiner und gleichzeitig leistungsstärker. Damit entwickelt sich auch mehr Wärme, die über Kühlkörper abzuführen ist. Für den schnellen Wärmeabtransport in Frequenzumrichtern eignen sich modular aufgebaute Hochleistungskühlkörper in Kombination mit Lüftern. Durch den standardisierten Aufbau sind sie zudem kompakt und kostengünstig.
Bild: Getriebebau Nord GmbH & Co. KGNord fertigt seit 1984 Elektronikkomponenten aus eigener Entwicklung. Dazu zählen Motorstarter sowie dezentrale und zentrale im Schaltschrank zu montierende Frequenzumrichter - darunter auch in abgestuften Ausstattungsvarianten die kompakten Frequenzumrichter der Produktreihe SK 500E. Die Umrichter eignen sich für zahlreiche Anwendungsbereiche (z.B. Kräne, Rührwerke, Torantriebe, Hubwerke oder Handling-Systeme) und lassen sich unkompliziert an spezifische Anforderungen anpassen. Insgesamt bietet Nord elf verschiedene Baugrößen mit Leistungen von 0,25 bis 160kW. Bei den leistungsstarken Geräten der höheren Baugrößen 8 bis 11 (45 bis 160kW) sorgen spezielle, jeweils mit zwei bis drei Axiallüftern kombinierte Hochleistungskühlkörper für den schnellen Abtransport der entstehenden Wärme. Die abzuführende Verlustleistung beträgt dabei von 900W bei Umrichtern der Baugröße 8 bis 3,1kW bei Baugröße 11.
Getriebebau NORD GmbH & Co. KG
Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 6 2017 - 19.06.17.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
