Extrudierte Kühlkörper
Stromversorgungen individuell gekühlt
Spannungswandler und Batterieladegeräte zur Stromversorgung anspruchsvoller Anwendungen benötigen robuste, wartungsarme Komponenten. Schäfer Elektronik setzt daher auf Profilkühlkörper von CTX Thermal Solutions, um die elektronischen Bauteile seiner Stromversorgungsgeräte zuverlässig zu entwärmen.
Profilkühlkörper aus Aluminiumstrangguss-Legierungen sind der Klassiker unter den Kühllösungen für elektronische Bauteile. Sie führen die Verlustleistungen der Elektronik über ihre große Oberfläche zuverlässig ab – wahlweise durch natürliche oder, kombiniert mit einem Lüfter oder Heatpipes, forcierte Konvektion. Ihre Geometrie ist ebenso vielfältig wie ihre Anwendungsbereiche.
Viele der Profilkühlkörper aus dem Portfolio des Herstellers CTX Thermal Solutions basieren auf Standardprofilen, die für die jeweiligen Einsatzbereiche auf Länge geschnitten werden. Doch für Anwender, die im Standardsortiment nicht fündig werden, entwickelt und fertigt das Unternehmen anwendungsspezifische Stranggusskühlkörper inklusive optionaler CNC-Bearbeitungen und/oder Oberflächenveredelungen durch Eloxieren, Pulverbeschichten, Chromatieren oder Lackieren. Zum Einsatz kommen sie zum Beispiel bei Schäfer Elektronik, einem Entwickler kundenspezifischer Stromversorgungsgeräte für anspruchsvolle Anwendungen in der Automatisierungstechnik, der Transport- und Kraftwerksbranche sowie in den Bereichen Öl & Gas, E-Mobilität und erneuerbarer Energie.
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Am Anfang steht eine thermische Simulation
Die Zusammenarbeit der beiden Unternehmen begann im Jahr 2003. Damals war Schäfer auf der Suche nach geeigneten Kühlkörpern für seine Stromversorgungsgeräte. In CTX fand man einen Partner, der nicht nur mithilfe einer thermischen Simulation den optimalen Kühlkörper berechnen, sondern diesen auch kostengünstig und kurzfristig liefern konnte.
Die Vorgaben seitens Schäfer waren überschaubar: Der fragliche Kühlkörper musste die passende Größe besitzen und gleichzeitig auf einem Standard basieren, der durch einfache Modifikationen an das jeweilige Gerät angepasst werden konnte – ohne eigens ein neues Werkzeug bauen zu müssen. Diese Anforderungen flossen zusammen mit den thermodynamischen Rahmenbedingungen des Systems in die thermische Simulation ein. Dazu zählten das Design und die zu erwartende Wärmeentwicklung des elektronischen Bauelements, an dem die Verlustleistung auftritt. Auch die Größe des vorhandenen Bauraums sowie die für einen sicheren Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils wurden als Simulationsparameter berücksichtigt.
Auf diese Weise ließen sich thermische Probleme frühzeitig erkennen sowie mehrere Prototypen- und Versuchsdurchläufe während der Entwicklungsphase einsparen. Gleichzeitig trug die Optimierung des Kühlkörperdesigns mithilfe der thermischen Simulation zu einer Einsparung von Kühlkörpermaterial und -gewicht bei.
Ein Profil – zwölf verschiedene Kühlkörper
Das Ergebnis war ein schwarz eloxierter Profilkühlkörper aus einer Aluminiumstrangguss-Legierung (AlMgSi) mit einer Bodenstärke von zehn Millimetern, einer Rippenhöhe von 40 Millimetern und einem Rippenabstand von zehn Millimetern. Je nach Gerät, in dem der Kühlkörper zum Einsatz kommt, variieren Länge und Breite des Kühlkörpers sowie die mechanische Bearbeitung der Bodenplatte nach Zeichnungsvorgabe. Die gängigste Kühlkörpergröße, von der Schäfer pro Jahr zwischen 150 bis 250 Stück in den unterschiedlichsten Geräten verbaut, misst 300 mm in der Breite und 224 mm in der Länge.
Ein solcher extrudierter Kühlkörper kühlt auch die Elektronik eines 1-kW-DC/DC-Wandlers, den Schäfer für den fahrenden Betrieb bei Umgebungstemperaturen von -40 °C bis 75 °C konzipierte (Bild 1). Der rüttelfeste Wandler, der auch unter extremen Bedingungen sicher und zuverlässig funktioniert, sorgt unter anderem in der Schweizer Zahnradbahn zum Jungfraujoch, dem höchstgelegenen Bahnhof Europas, für eine sichere Stromversorgung.
Wie alle Stromversorgungen auf Zügen muss das Gerät hohe Anforderungen hinsichtlich Langlebigkeit, mechanischer Robustheit beziehungsweise Rüttelfestigkeit und Zuverlässigkeit erfüllen. Es wurde daher so ausgelegt, dass es ohne Lüfter in einer erhöhten Umgebungstemperatur nahezu wartungsfrei betrieben werden kann.
Der Wandler selbst ist in einem 19-Zoll-Einschubgehäuse mit der Schutzart IP20 untergebracht und wie alle Geräte standardmäßig mit elektronischer Strombegrenzung, Überspannungsschutz und Dauer-Kurzschlussfestigkeit ausgelegt
(Bild 2). Alternativ kann der Wandler auch für die Chassis- oder Wandmontage konzipiert werden. Darüber hinaus verfügt er über optionale Erweiterungen für Programmierung und Überwachung. Der Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand Rth von
0,35 K/W bildet die linke Seite des Wandlergehäuses und ist über Schraubbolzen direkt an der Leiterplatte befestigt.
Mehr als nur spezielle Kühllösungen
Der Kühlkörperspezialist setzt aber nicht nur Auslegung, Fertigung, Oberflächenveredlung und Bearbeitung der Profilkühlkörper für Schäfer um. Sie übernehmen auch die gesamte logistische Abwicklung inklusive Lagerhaltung und liefern nur die jeweils benötigten Stückzahlen just in time aus. Grundlage für diesen individuellen Logistikservice sind optimierte Lieferketten und ein unterbrechungsfreier Warenfluss.
Um dies zu gewährleisten, nutzt CTX sämtliche Transportmöglichkeiten, betreibt am Standort in Nettetal ein großes Reservelager und beliefert Konsignations- und Sicherheitslager. Überdies bietet das Unternehmen seinen Kunden die Nutzung und Pflege ihrer Logistikportale sowie die Integration in deren Kanban-Systeme an.
Der Autor
Thomas Windeck
ist Leiter Vertrieb bei CTX Thermal Solutions.
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