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Neben modularen Hochleistungskühlkörpern für Frequenzumrichter umfasst das CTX-Produktportfolio unter anderem applikationsspezifische Flüssigkeits-, Profil-, Druckguss- und Leiterplattenkühlkörper sowie Kühllösungen für LEDs, SMD-Bauteile und Embedded-Sys
Durch den modularen Aufbau der Hochleistungskühlkörper lassen sich applikationsspezifische Kühllösungen schnell und vergleichsweise kostengünstig realisieren.
Kompakte Hochleistungskühlkörper wie beispielsweise modular aufgebaute hartgelötete Aluminiumrippenkühlkörper sorgen in Kombination mit Lüftern für eine effektive Entwärmung von leistungsstarker Industrieelektronik.
Die Frequenzumrichter der NORD Produktreihe SK 500E: Bei den Geräten der höheren Baugrößen 8 bis 11 (45 kW bis 160 kW) sorgen spezielle, jeweils mit zwei bis drei Axiallüftern kombinierte Hochleistungskühlkörper für den schnellen Abtransport der entstehen
Die in Wärme umgewandelte Verlustleistung der Frequenzumrichter wird über CTX-Kühlkörper durch die seitlichen Lüftungsschlitze aus dem Gehäuse transportiert.
Bauaufzüge, wie hier an einem Hochhausneubau in Moskau, sind ein typisches Einsatzgebiet für die Frequenzumrichter der Serie SK 500E.

Nord Drivesystems Group (Nord) fertigt bereits seit 1984 Elektronikkomponenten aus eigener Entwicklung in seinem Werk in Aurich. Dazu zählen Motorstarter sowie dezentrale und zentral im Schaltschrank zu montierende Frequenzumrichter – darunter auch in abgestuften Ausstattungsvarianten die kompakten Frequenzumrichter der Produktreihe SK 500E. Diese Umrichter eignen sich für zahlreiche Anwendungsbereiche (Kräne, Rührwerke, Torantriebe, Hubwerke, Handlingsysteme etc.) und lassen sich auf einfache Weise an spezifische Anforderungen anpassen. Insgesamt bietet das Unternehmen elf verschiedene Baugrößen mit Leistungen von 0,25 kW bis hin zu 160 kW. Bei den leistungsstarken Geräten der höheren Baugrößen 8 bis 11 (45 kW bis hin zu 160 kW) sorgen spezielle, jeweils mit zwei bis drei Axiallüftern kombinierte Hochleistungskühlkörper für den schnellen Abtransport der entstehenden Wärme. Die abzuführende Verlustleistung beträgt dabei von 900 W bei Umrichtern der Baugröße 8 bis 3,1 kW bei Baugröße 11.

Wilfried Schmitz ist Geschäftsführer von CTX Thermal Solutions.

Wilfried Schmitz ist Geschäftsführer von CTX Thermal Solutions.CTX

Kompakt und effizient

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 miteinander verbunden werden. „Anders als bei herkömmlichen Kühlkörpern in Modulbauweise, 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“, erläutert Wilfried Schmitz. Der Geschäftsführer von CTX Thermal Solutions merkt weiter an: „Beim Hartverlöten wird die Molekularstruktur der einzelnen Module bei hohen Temperaturen miteinander vernetzt. Das Ergebnis sind minimalste Übergangswiderstände.“

Applikative Funktionalitäten des Frequenzumrichters SK500E

  • „Sicherer Halt“ (STO) nach EN ISO 13849-1: Kat. 4 / Performance Level e und nach EN 61508: SIL3
  • CANopen-Schnittstelle on board
  • Inkrementalgebereingang (TTL) on board
  • Absolutwertgeber über CANopen, SSi, Bi‘SS, Hiperface, EnDat
  • Positioniersteuerung POSICON
  • Externe Versorgungsspannung 24 V für Steuerkarte
  • Betrieb von Synchronmotoren (PMSM) auch geberlos
  • PLC-Logikfunktion

Damit verfügen die Hochleistungskühlkörper über die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40 Prozent leichter und kompakter als herkömmliche Druckgusskühlkörper. Sie erreichen fast die gleiche Kühlleistung wie Flüssigkeitskühlkörper, sind allerdings wesentlich günstiger als diese. Damit sind modulare, hartverlötete Hochleistungskühlkörper deutlich effektiver als herkömmliche Rippenkühlkörper aus extrudierten Aluminiumprofilen mit erzwungener Konvektion. Durch diese Eigenschaften eignen sie sich auch zur lüftergestützten Kühlung. Die erforderliche Kühloberfläche lässt sich dank des modularen Aufbaus präzise an das elektronische Bauteil und dessen Verlustleistung anpassen. CTX bietet dabei eine große Auswahl an Standardmodulen an, die sich problemlos applikationsspezifisch konfigurieren lassen. Das Unternehmen verfügt dabei über jahrelanges Know-how: Allein 85 Prozent des Kühlkörpergeschäfts erzielt CTX mit projekt- und applikationsspezifischen Produkten. Zu den von CTX vertriebenen Kühllösungen zählen die Hochleistungskühlkörper des italienischen Produzenten Pada Engineering und die Produkte des amerikanischen Herstellers Aavid Thermalloy sowie die Marken Summit (Druckgusskühlkörper), Youthen (Gehäuse) und Zaward (Lüfter und Embedded-Lösungen). Die hohen Qualitäts- und Umweltstandards stellen die Zertifizierungen nach ISO 9001:2008 und ISO 14001:2009 sicher.

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 (H x L x B). Das Kühlelement setzt sich aus insgesamt 47 Kühlrippen zusammen und misst 87,5 mm x 280 mm x 240 mm (H x L x B). Die Kühlkörper wurden 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. Dadurch steigt die Temperatur der Kühlkörper selbst bei Überlast gegenüber der Umgebungstemperatur nur um maximal 40 °C an. Der modulare Aufbau ermöglicht die kurzfristige Realisierung individueller Kühllösungen. Werkzeugkosten, wie sie bei Druckgusskühlkörpern auftreten, entfallen. Damit sind selbst individuelle, exakt an die erforderliche Kühloberfläche angepasste Lösungen wie die Kühlkörper für die Nord-Frequenzumrichter vergleichsweise kostengünstig umsetzbar.

Thermische Simulation reduziert Entwicklungskosten

Bei Auswahl und Dimensionierung der neuartigen Hochleistungskühlkörper konnten die Konstrukteure von Nord auf Erfahrungswerte aus älteren Frequenzumrichter-Baureihen 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 er kostspielige Praxisversuche oder macht sie gleich ganz überflüssig.

Zu den thermodynamischen Randbedingungen zählen zum einen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements mit Bemaßung und Position des Hotspots, also des Moduls, Chips oder ähnlichem, an dem die Verlustleistung auftritt. Dazu kommen die geometrischen Gegebenheiten wie 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“, erklärt Wilfried Schmitz. Dieser Wärmewiderstand Rth ist die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements und maßgeblich für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers. Der Wert Rth gibt an, wie viel Grad Temperaturdifferenz in Kelvin 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 Gestaltungsflexibilität

Mit den hartgelöteten Kühlkörpern bietet CTX Thermal Solutions seinen Kunden ein höchstes Maß an Gestaltungsflexibilität, 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 somit ein kompaktes Design und senkt damit gleichzeitig die Anschluss- und Schaltschrankkosten. Die Kühlkörper können in fast allen Bereichen der Industrie eingesetzt werden. Selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch.