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Hochleistungskühlkörper

Standard und doch maßgeschneidert

27. Juli 2015, 16:58 Uhr | Von Georg Laskowsky

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Keine Werkzeugkosten

Die erforderliche Kühloberfläche lässt sich dank des modularen Aufbaus präzise an das elektronische Bauteil und dessen Verlustleistung anpassen. Kühlkörperlängen und -breiten bis 600 mm sind möglich. Die Gesamtabmessungen der maßgeschneiderten Hochleistungskühlkörper, die in den Frequenzumrichtern der Getriebebau Nord eingesetzt werden, betragen inkl. Profilträger 125 mm × 508 mm × 264 mm. Das Kühlelement indes setzt sich aus insgesamt 47 Kühlrippen zusammen und misst 87,5 mm × 280 mm × 240 mm.

Die Kühlkörper wurden präzise auf die Anwendung zugeschnitten. Dabei wurden die Eigenschaften der Wärme erzeugenden Quellen sowohl in den mechanischen Abmessungen des Kühlkörpers als auch in der thermischen Auslegung berücksichtigt. Bei verschiedenen Testreihen stieg die Temperatur der Kühlkörper – selbst bei Überlast – gegenüber der Umgebungstemperatur um maximal 40 K an.

Der modulare Aufbau ermöglicht die kurzfristige Realisierung individueller Kühlkörper. Werkzeugkosten, wie sie bei Druckgusskühlkörpern auftreten, entfallen. Damit sind selbst individuelle, exakt an die erforderliche Kühloberfläche angepasste Kühlkörper vergleichsweise kostengünstig umsetzbar.

Thermische Simulation reduziert Entwicklungskosten

Bei Auswahl und Dimensionierung der neuen Hochleistungskühlkörper konnten die Konstrukteure des Antriebeherstellers 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 wesentlich beschleunigen.

Zudem minimiert die Simulation kostspielige Praxisversuche oder macht sie gleich ganz überflüssig. Zu den thermodynamischen Randbedingungen zählen zum einen die zu erwartende Verlustleistung und die Gestaltung des Bauelements mit Bemaßung und Position der Wärmequelle, also des Moduls, Chips oder Ähnlichem, an dem die Verlustleistung auftritt. Dazu kommen die geometrischen Gegebenheiten – zum Beispiel der zur Verfügung stehende Platz. 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. Dieser Wärmewiderstand R_th ist die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements und maßgeblich für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers. Der Wert R_th gibt an, wie viel Kelvin Temperaturdifferenz erforderlich sind, um die Wärmeleistung von 1 W zu übertragen. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung.

Hohe Freiheitsgrade bei der Gestaltung

Mit den hartgelöteten Kühlkörpern (siehe Bild 2) bietet CTX Thermal Solutions seinen Kunden ein hohes Maß an Gestaltungsflexibilität, denn sie lassen sich nicht nur mit Lüftern, sondern auch mit einer Flüssigkeitskühlung für besonders extreme Kühlaufgaben kombinieren. Die Kühlkörper können zudem in fast allen Bereichen der Industrie eingesetzt werden, denn selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch.