Wärmemanagement Frequenzumrichter effizient kühlen

Nord nutzt für den schnellen Wärmeabtransport in seinen Frequenzumrichtern maßgefertigte Hochleistungskühlkörper von CTX – auch in Kombination mit Lüftern. Besonderer Vorteil: Die Kühlkörper bestehen aus standardisierten Modulen.

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CTX Thermal Solutions GmbH

Bei kompakten Frequenzumrichtern mit hoher Leistung entwickelt sich in Folge der Leistungsdichte auf sehr kleinem Raum viel Wärme. Damit ein zuverlässiger Betrieb der Umrichter sichergestellt ist, muss diese schnell abtransportiert werden. Nord Drivesystems bietet mit seiner Produktreihe SK 500E solche kompakten Umrichter in elf verschiedenen Baugrößen von 0,25 kW bis 160 kW an. Bei den leistungsstarken Geräten der höheren Baugrößen 8 bis 11 (45 kW bis 160 bzw. 200 kW), die u.a. in Lüftern, Pumpen und Kränen Einsatz finden, sorgen jeweils mit zwei bis drei Axiallüftern kombinierte Hochleistungskühlkörper für den Abtransport der Wärme. Lieferant der Kühlkörper ist die CTX Thermal Solutions GmbH.

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Die Anforderungen an die Kühlkörper sind hoch: Sie müssen äußerst kompakt sein und gleichzeitig über eine sehr hohe Kühlleistung verfügen. Zudem muss das System aus Lüftern und Kühlkörpern extrem robust und wartungsarm sein, um den rauen industriellen Betriebsbedingungen begegnen zu können.

Modular aufgebaute Hochleistungskühlkörper

CTX empfahl für diesen Einsatz modular aufgebaute Hochleistungskühlkörper mit einer Basis aus einer hochleitfähigen Aluminiumlegierung und Rippen aus reinem Aluminium, die durch Hartlöten miteinander verbunden werden. „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 beziehungsweise zwischen den einzelnen Kühlkörperkomponenten auf. Denn beim Hartverlöten wird die Molekularstruktur der einzelnen Module bei hohen Temperaturen miteinander vernetzt“, erläutert Wilfried Schmitz, Geschäftsführer bei CTX. Das Ergebnis sind minimale Übergangswiderstände.

Damit verfügen die Hochleistungskühlkörper über die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40 % leichter und kompakter als herkömmliche Druckgusskühlkörper. Sie erreichen nahezu die gleiche Kühlleistung wie Flüssigkeitskühlkörper, sind allerdings günstiger als diese. Damit sind modulare, hartverlötete Hochleistungskühlkörper deutlich effektiver als herkömmliche Rippenkühlkörper aus extrudierten Aluminiumprofilen mit erzwungener Konvektion.

Für Einsätze, bei denen noch mehr Wärme abgeführt werden muss, lässt sich auch eine Kühlkörperbasis aus Kupfer mit Aluminiumrippen kombinieren.

Kühloberfläche präzise an elektronische Bauteile anpassen

Die erforderliche Kühloberfläche lässt sich aufgrund des modularen Aufbaus präzise an das elektronische Bauteil und dessen Verlustleistung anpassen. Kühlkörperlängen und -breiten bis zu 600 mm sind möglich. Die Abmessungen der maßgeschneiderten Hochleistungskühlkörper für Nord betragen inklusive Profilträger 125 mm × 508 mm × 264 mm (H × L × B) für Frequenzumrichter der Baugrößen 8 und 9 sowie 125 mm × 708,5 mm × 394 mm für Geräte der Baugrößen 10 und 11. „Die Kühlkörper wurden präzise auf unsere Anwendung zugeschnitten. Dabei wurden die Eigenschaften der Wärme erzeugenden Quellen sowohl in den mechanischen Abmessungen des Kühlkörpers als auch in der thermischen Auslegung berücksichtigt. Dadurch steigt die Temperatur der Kühlkörper selbst bei Überlast gegenüber der Umgebungstemperatur nur um maximal 40 °C an“, sagt Schmitz. Der modulare Aufbau ermöglicht es, kurzfristig individuelle Kühllösungen zu realisieren. Werkzeugkosten, wie sie bei Druckgusskühlkörpern auftreten, entfallen.

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Schnellere Auslegung danke thermischer Simulation

Bei Auswahl und Dimensionierung der neuen Hochleistungskühlkörper konnten die Konstrukteure von Nord auf Erfahrungswerte aus älteren Frequenzumrichterbaureihen zurückgreifen. 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 beschleunigen. Zudem minimiert er kostspielige Praxisversuche oder macht sie gleich ganz überflüssig.

Zu den thermodynamischen Randbedingungen zählen zum einen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements 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.

BUCHTIPPDas Buch „Praxishandbuch Antriebsauslegung“ hilft bei der Auswahl der wesentlichen Bestandteile elektrischer Antriebssysteme: Motor, Getriebe, Stellgerät, Netzversorgung sowie deren Zusatzkomponenten. Auch auf die Berechnung wird intensiv eingegangen.

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Umgebungstemperatur berücksichtigen

Auch die für einen optimalen Betrieb maximal 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 ΔT, fließt ebenfalls in die Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers ein“, erklärt Wilfried Schmitz.

Dieser Wärmewiderstand Rth ist die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements 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 1 W zu übertragen. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung.

Mit den hartgelöteten Kühlkörpern bietet CTX seinen Kunden Gestaltungsflexibilität, denn sie lassen sich nicht nur mit Lüftern, sondern für besonders extreme Kühlaufgaben auch mit einer Flüssigkeitskühlung kombinieren. Die Kühlkörper können in fast allen Bereichen der Industrie eingesetzt werden. Selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch.

CTX auf der Electronica 2018 (München): Halle A2, Stand 317

Nord auf der SPS IPC Drives 2018 (Nürnberg): Halle 3A, Stand 465

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* Georg Laskowsky ist Verkaufsleiter bei CTX Thermal Solutions

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