Wasser kann aufgrund seiner um den Faktor 4.000 höheren spezifischen Wärmekapazität pro Volumeneinheit wesentlich mehr Wärme abführen als Luft. Daher ist bereits eine dünne Wasserleitung um ein vielfaches effektiver als eine lüfterbetriebene Kühlung. Zudem kommen Flüssigkeitskühlkörper mit sehr geringen Übertragungsflächen aus. Sie sind ausgesprochen kompakt und leiten den Kühlungsprozess genau dort ein, wo die Wärme entsteht: unmittelbar an den elektronischen Hochleistungselementen der Baugruppen. Dadurch werden 15 bis 25 Prozent mehr Wärme abgeleitet als bei herkömmlichen Kühlsystemen. Damit sind Wasserkühlkörper in der Lage, hohe Verlustleistungen auch bei schwierigen Einbaulagen sicher und schnell abzuführen.
Diese Eigenschaften macht sich das Lüneburger Industrieelektronik-Unternehmen Sieb & Meyer für die Kühlung der Endstufe seiner leistungsstarken Frequenzumrichter vom Typ SD2S zu Nutze. Der kompakte SD2S ist speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie beispielsweise Werkzeugmaschinen oder Turbokompressoren ausgelegt und ermöglicht den Antrieb synchroner und asynchroner Motoren bis zu einer Drehzahl von 480.000 Umdrehungen pro Minute. Da insbesondere hochdrehende Motoren aufgrund ihres geringeren Rotorvolumens nur geringe Übertemperaturen zulassen, muss der Frequenzumrichter eine möglichst geringe Erwärmung der Motoren garantieren. Doch nicht nur der Motor erwärmt sich während des Betriebs, auch die elektrischen Baugruppen des Frequenzumrichters erzeugen Wärme. Insgesamt fallen vor allem in der Endstufe rund zwei Kilowatt Verlustleistungen an. Sie müssen schnell abgeführt werden, um die Leistung des SD2S zuverlässig sicherzustellen.
Effektive Wasserkühlung
Für die Kühlung des SD2S setzt Sieb & Meyer seit cirka 5 Jahren Flüssigkeitskühlkörper von CTX. Das Unternehmen konnte zum Zeitpunkt der Produktentwicklung genau das richtige Produkt bereitstellen. Im Rahmen der Auswahl und Entwicklung einer geeigneten Kühllösung wurden die Lüneburger umfassend von den Experten des Nettetaler Handelshauses beraten – nicht nur bei der Entscheidung für den passenden Kühlkörpertyp, sondern unter anderem auch bei der bestmöglichen Platzierung der Kühlrohre in der Kühlplatte. Neben der Kühlleistung war für Sieb & Meyer die optimale Anordnung der Kühlrohre wichtig. Schließlich verursachen die zu kühlenden Bauteile unterschiedliche Wärmeeinträge und sind an unterschiedlichen Positionen platziert. Damit erfolgt der Wärmeeintrag nicht homogen über die gesamte Kühlkörperfläche. Die größten Verluste entstehen an dem IGBT-Modul der Endstufe sowie am Netzgleichrichter. Hier laufen die meisten (Schalt-) Vorgänge ab und erzeugen die größte Wärme. Schnell war klar: ein Wasserkühlkörper aus der Superplate-Reihe des CTX-Lieferanten Pada könnte die Lösung sein.
Das leistungsstarke Hochleistungskühlkörper-System hält mit der permanenten Weiterentwicklung der IGBTs und anderer elektronischer Leistungsmodule Schritt. Da es auf Standardelementen basiert, stellt es dennoch eine kostengünstige Lösung zur konzentrierten, effektiven Wärmeabfuhr bei Leistungshalbleitern dar. Das Kühlsystem genügt der Richtlinie IEC 77 und verursacht weder Geräusche noch Vibrationen. Es besteht aus einer Zirkulationspumpe, einem Ausgleichsbehälter, einem Wärmetauscher und der eigentlichen Kühlplatte, der Superplate. Sie besteht wahlweise aus Aluminium oder Kupfer mit kernlochgebohrten oder extrudierten Kühlkanälen zur Realisierung des Wasserkreislaufs. Eine weitere Alternative ist eine Aluminiumplatte (Dicke 15-20 mm) mit eingepresstem Kupfer- oder Edelstahlrohr, das in der Regel einen Außendurchmesser von 10 mm und eine Wandstärke von 1 mm besitzt.
Die Kühlleitungen werden in exakt gefräste, u-förmige Nuten auf der jeweiligen Kühlplattenfläche eingepresst. Ein Spezialkleber aus leitendem Harz schließt mögliche thermische oder mechanische Unterbrechungen und damit eine Beeinträchtigung der Wärmeableitung aus. Die Rohrbögen liegen bei Größenordnungen von 30,5 bis 90 mm und können wahlweise innerhalb oder außerhalb der Platten liegen. Im Fall der Kühllösung für die Frequenzumrichter befinden sich die Rohrbögen mit einem Durchmesser von 40 mm in der Platte. Für einen idealen Sitz der Rohre sind alle Auflageflächen der Platten mit seitlichen Löchern passend gefräst. Auf diese Weise wird eine Ebenheit von 0,01 mm/150 mm und eine Rauheit von Ra <1,2 μ erzielt. Die Verbindungen berücksichtigen die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe und bilden einen außerordentlich guten Wärmekontakt. Sie liegen absolut dicht auf und besitzen eine sehr hohe Lebensdauer.
Das richtige Material ist entscheidend
Bei der Materialwahl für die jeweilige Kühllösung müssen Kriterien wie Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und die jeweiligen Einsatzbedingungen berücksichtigt werden. Denn auch wenn Aluminium kostengünstiger ist als Kupfer oder Edelstahl: bei sogenannten Wärmenestern bietet sich das besser wärmeleitende Kupfer trotz des dreifach höheren Gewichts an. Bei Kühllösungen mit deionisiertem Wasser empfehlen sich dagegen korrosionsfeste Edelstahllegierungen.
Der Flüssigkeitskühlkörper für die Frequenzumrichter von Sieb & Meyer besteht aus einer 15 mm starken, 160 mm breiten und 340 mm langen Aluminiumplatte mit einem eingepressten Kupferrohr, das sich in drei Bögen durch die gesamte Länge der Platte zieht. Der Außendurchmesser des Rohres beträgt 10 mm, die maximale Kühlwassertemperatur 40 °C und die Durchflussmenge liegt bei mindestens vier Litern pro Minute. Darüber hinaus muss bei der Konzeption eines Flüssigkeitskühlkörpers für einen Frequenzumrichter die Temperaturbeständigkeit auch bei kurzzeitigem Volllastbetrieb gewährleistet sein.
Bis das finale Kühlkörperdesign gefunden war, dauerte es insgesamt drei Monate. Nach weiteren sieben Wochen konnten dann die ersten Wasserkühlkörper ausgeliefert werden. Inzwischen benötigt Sieb & Meyer jährlich rund 50 dieser Flüssigkeitskühlkörper für ihre Frequenzumrichter. Damit diese kurzfristig bei CTX abgerufen werden können, übernehmen die Nettetaler Kühltechnikspezialisten auch die notwendige Lagerhaltung für die Kühlsysteme.
