Die Nord Drivesystems Group (Nord) setzt bei ihren leistungsstarken Frequenzumrichtern mit 45 bis 160 kW spezielle, jeweils mit zwei bis drei Axiallüftern kombinierte Hochleistungskühlkörper ein. Sie sorgen für den schnellen Abtransport der entstehenden Wärme. Die abzuführende Verlustleistung beträgt dabei von 900 W bis 3,1 kW. Die für die Entwärmung verwendeten Hochleistungskühlkörper sind modular aufgebaut. Die Basis der Kühlkörper besteht aus einer hochleitfähigen Aluminiumlegierung, die Rippen aus reinem Aluminium, möglich sind auch Kombinationen aus Aluminium und Kupfer, die durch Hartlöten verbunden werden. „Anders als bei herkömmlichen modularen Kühlkörpern, 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 von CTX Thermal Solutions. Das Ergebnis sind minimale Übergangswiderstände. Damit verfügen die Kühlkörper über die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40 Prozent leichter und kompakter. Sie erreichen fast die Kühlleistung von Flüssigkeitskühlkörpern, sind allerdings wesentlich günstiger. Damit sind modulare, hartverlötete Hochleistungskühlkörper viel effektiver als Ihre Pendants aus extrudierten Aluminiumprofilen mit erzwungener Konvektion.
Keine Werkzeugkosten
Die erforderliche Kühloberfläche lässt sich durch den modularen Aufbau präzise an das Bauteil und dessen Verlustleistung anpassen. Kühlkörperlängen und -breiten bis zu
600 mm sind möglich. Die Gesamtabmessungen der maßgeschneiderten Hochleistungskühlkörper für Nord betragen inklusive Profilträger 125 mm x 508 mm x 264 mm. Das Kühl-
element setzt sich aus 47 Kühlrippen zusammen und misst
87,5 mm x 280 mm x 240 mm. Die Kühlkörper hat man präzise auf die Nord-Anwendung zugeschnitten. Dabei wurden die Eigenschaften der Wärme erzeugenden Quellen sowohl in den mechanischen Abmessungen des Kühlkörpers als auch in der thermischen Auslegung berücksichtigt. So steigt die Temperatur der Kühlkörper selbst bei Überlast gegenüber der Umgebungstemperatur um maximal 40 °C an. Der modulare Aufbau macht es möglich, individuelle Kühllösungen kurzfristig zu realisieren. Werkzeugkosten, wie sie bei Druckgusskühlkörpern auftreten, entfallen. Damit sind auch exakt an die erforderliche Kühloberfläche angepasste Lösungen wie die Kühlkörper der Nord-Frequenzumrichter kostengünstig umsetzbar.
Reduzierte Entwicklungskosten
Bei Auswahl und Dimensionierung der neuen Hochleistungskühlkörper konnten die Konstrukteure von Nord auf Erfahrungswerte aus älteren Baureihen zurückgreifen. Auf dieser Basis wurden die thermischen Eigenschaften der Kühlkörper berechnet und durch praktische Tests verifiziert. Eine thermische Simulation war nicht erforderlich. Liegen keine Erfahrungswerte vor, kann ein simulierter Prozess auf Basis der thermodynamischen Rahmendaten der Anwendung helfen, einen applikationsgerechten Kühlkörper wesentlich schneller zu entwerfen und kostspielige Praxisversuche zu reduzieren oder überflüssig zu machen. Zu den thermodynamischen Randbedingungen zählen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements mit Bemaßung und Position des Hotspots, also des Moduls, Chips oder Ähnlichem, an dem Verlustleistung auftritt. Dazu kommen die geometrischen Gegebenheiten. Auch die für einen optimalen Betrieb zulässige Oberflächentemperatur 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 in der Nähe von Motoren zum Einsatz kommt, ist eine entscheidende Information. Denn die Differenz zwischen Umgebungs- und Komponententemperatur, das ΔT, fließt in die Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers ein“, erklärt Wilfried Schmitz. Dieser Wärmewiderstand Rth ist ausschlaggebend dafür, wie man einen geeigneten Kühlkörper dimensioniert und auswählt. Der Wert Rth gibt an, wie viel Grad Temperaturdifferenz in Kelvin erforderlich sind, um die Wärmeleistung von 1 Watt zu übertragen. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss.
Hohe Flexibilität
Mit den hartgelöteten Kühlkörpern ist eine hohe Gestaltungsflexibilität gegeben, denn sie lassen sich nicht nur mit Lüftern, sondern für besonders extreme Kühlaufgaben auch mit einer Flüssigkeitskühlung kombinieren. Die höhere Effizienz bei gleichen Dimensionen erlaubt ein kompaktes Design und senkt gleichzeitig die Anschluss- und Schaltschrankkosten. Die Kühlkörper sollen sich in fast allen Bereichen der Industrie einsetzen lassen: Selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist nach Aussagen des Anbieters unproblematisch.
