Langzeittests in Klimakammern

Kühlung für Stirnradgetriebe

25. April 2019, 12:00 Uhr | Mark Stöcker

Geräte, die in Klimakammern eingesetzt werden, sind großen Temperaturspannen ausgesetzt. Besonders die hohen Temperaturen stellen die Hersteller vor Probleme. Abhilfe schaffen Wasserkühlkörper.

Um sicherzustellen, dass Produkte auch bei großer Hitze, extremer Kälte oder hoher Luftfeuchtigkeit voll funktionsfähig sind, werden sie Langzeittests in Klimakammern unterzogen. Die Temperaturspanne beträgt dabei in der Regel zwischen - 40 °C und + 150 °C. Werden beispielsweise Elektromotoren in einer solchen Klimakammer getestet, benötigen Sie einen Antrieb, der auch unter den dort herrschenden Umgebungsbedingungen zuverlässig und dauerhaft funktioniert. Solche Sonderantriebe entwickelt und fertigt die Tandler Zahnrad- und Getriebefabrik. Das in Bremen ansässige Familienunternehmen ist spezialisiert auf die Produktion applikationsspezifischer, hochpräziser Standard- und Sondergetriebe sowie Zahnräder und Verzahnungsteile.

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Kühlung der Getriebe

Bei den Elektromotorentests in der Klimakammer kommen eigens zu diesem Zweck von Tandler konzipierte Stirnradgetriebe zum Einsatz. Diese Getriebe mit parallelen An- und Abtriebswellen sind bei Tandler typische Sondergetriebe, die nicht auf dem Standardprogramm basieren. Sie eignen sich insbesondere für hohe Drehmomente und Drehzahlen bei kleinem Bauraum. Zudem sind sie robust, überlastbar und unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Für Unempfindlichkeit gegenüber sehr hohen sowie besonders niedrigen Temperaturen sorgen unter anderem zwei spiegelbildlich an den seitlichen Gehäuseflächen des Getriebes angeordnete Wasserkühlkörper. Bild 1 zeigt, wie die Kühlkörper an das Getriebe montiert werden. Die Kühlkörper vom Typ »SuperPlate« werden vom italienischen Hersteller Pada Engineering gefertigt und von CTX Thermal Solutions geliefert.

An Getriebekontur angepasste Kühlkörper

Wie in Bild 2 zu sehen, sind die Kühlplatten aus Aluminium mit eingelassenen Kupferrohren Sonderanfertigungen und vollständig an die Getriebekontur angepasst. Die Maße betragen 510 x 870 x 25 mm³. Die in exakt gefräste, u-förmige Nuten in der Aluminiumplatte eingepressten Kupferrohre besitzen einen Außendurchmesser von 12 mm und eine Wandstärke von 0,9 mm. Ein Spezialkleber aus leitendem Harz schließt mögliche thermische oder mechanische Unterbrechungen und damit eine Beeinträchtigung der Wärmeableitung aus. 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.

Individuelle Anpassung durch Standards

Die aktive Kühlrohrlänge pro Kühlkörper beträgt 4346 mm. Bei einer Wassereintrittstemperatur von 20 °C und einem Wasserdurchfluss von 12 l/min können damit pro Platte bis zu 10 kW Wärmeleistung abgeführt werden.

Neben der von Tandler eingesetzten gängigen Superplate-Variante mit eingepressten Kühlschlangen aus Kupfer in einer Platte aus AlMgSi0,5 führt CTX weitere Modelle im Programm: Zur Ableitung besonders hoher Wärmemengen kann die Kühlplatte auch aus Kupfer gefertigt werden. Die Kühlkanäle können kernlochgebohrt oder extrudiert werden. Bei einem Einsatz aggressiver Kühlmedien bieten sich zudem Kühlrohre aus Edelstahl an. Die Rohrbögen liegen bei Größenordnungen von 30,5 bis 90 mm und können wahlweise innerhalb oder außerhalb der Platten liegen. Einen Kühlkörper mit innenliegenden Kühlrohren zeigt Bild 3. Entsprechende Verbindungselemente wie Krümmer in verschiedenen Radien sowie unterschiedliche Anschlüsse stehen zur Verfügung. In jedem Fall dienen seitliche Verschraubungen der Realisierung des Wasserkreislaufs. Sie können in ihrer Ausführung ebenfalls applikationsspezifisch angepasst werden. So sind beispielsweise werkseitig spezielle Anschlüsse zur Montage lieferbar. Ebenso ist es möglich, auf Kundenwunsch ¼-, ½- oder ¾-Zoll-GAS-Verbindungen an die 10-mm-Rohrendungen anzulöten.

Im Fall der Wasserkühlkörper von Tandler wurden die Anschlüsse den Wünschen des Endbetreibers angepasst: dazu wurden Messingblöcke mit ½-Zoll-GAS-Ein- und Ausgangsgewinden in die Platte integriert. Es sind jedoch auch alle anderen gängigen Innen- und Außengewindeanschlüsse erhältlich. Um den individuellen Anforderungen maximal zu entsprechen, kann ein derartiges Kühlsystem mit Kanälen in Parallel- oder Reihenschaltung sowie in gemischter Ausführung ausgelegt werden.

Welche Materialien, Anschlüsse und Techniken letztendlich eingesetzt werden, hängt wesentlich von Kriterien wie Wärmeleitfähigkeit, Gewicht, Kühlmedium und nicht zuletzt vom Preis ab. Dabei erlaubt die weitestgehende Standardisierung von Materialien und Geometrien die schnelle und kostengünstige Realisierung praxisgerechter Lösungen.

Kühlkörper sorgen für Temperaturunempfindlichkeit

Neben der Kühlplatte als zentralem Element besteht ein Superplate-Flüssigkeitskühlkörpersystem, wie in Bild 4 dargestellt, üblicherweise zudem aus Zirkulationspumpe, Ausgleichsbehälter und Wärmetauscher. CTX hat an Tandler ausschließlich die Superplate-Flüssigkeitskühlkörper geliefert, da das System beim Endanwender in einen übergeordneten Kühlkreislauf eingebunden ist. Dabei dienen die Kühlkörper nicht nur zum Kühlen des Getriebes, das eine maximale Betriebstemperatur von 100 °C erreicht. Bei sehr hohen Umgebungstemperaturen halten sie auch die umgebende Wärme von den Getrieben fern und bei tiefen Umgebungstemperaturen wärmen sie das Getriebe vor. Damit sorgen sie für eine Unempfindlichkeit des Getriebes gegenüber extremen Temperaturen in der Klimakammer. Zudem erlauben die Kühlplatten auf der getriebeabgewandten Seite die Anbringung weiterer kundenseitiger Komponenten.