Das Unternehmen Sieb & Meyer nutzt diese Eigenschaften zur Kühlung der Endstufe seiner leistungsstarken Frequenzumrichter vom Typ SD2S. Die kompakten Geräte sind speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Werkzeugmaschinen oder Turbokompressoren ausgelegt und ermöglichen den Antrieb synchroner und asynchroner Motoren bis zu einer Drehzahl von 480.000U/min. Da der Motor (insbesondere hochdrehende Motoren können aufgrund ihres geringeren Rotorvolumens nur geringe Übertemperaturen zulassen) und elektrische Baugruppen des Frequenzumrichters Wärme erzeugen, muss der Frequenzumrichter eine möglichst geringe Erwärmung der Motoren sicherstellen. Insgesamt fallen vor allem in der Endstufe rund 2kW Verlustleistungen an, die zur Sicherstellung der Leistung schnell abgeführt werden müssen.
Effektive Wasserkühlung
Für die Kühlung des SD2S nutzt Sieb & Meyer seit rund fünf Jahren Flüssigkeitskühlkörper von CTX. Im Rahmen der Auswahl und Entwicklung einer geeigneten Kühllösung wurden die der Umrichterhersteller bei der Entscheidung für den passenden Kühlkörpertyp sowie bei dessen bestmöglicher Platzierung beraten. Neben der Kühlleistung war eine passende Anordnung der Kühlrohre wichtig. Schließlich verursachen die zu kühlenden Bauteile unterschiedliche Wärmeeinträge und sind an unterschiedlichen Positionen platziert. Damit erfolgt der Wärmeeintrag nicht homogen über die gesamte Kühlkörperfläche. Die größten Verluste entstehen am IGBT-Modul der Endstufe sowie am Netzgleichrichter. Hier laufen die meisten (Schalt-)Vorgänge ab und erzeugen die größte Wärme, wodurch sich ein Wasserkühlkörper aus der Superplate-Reihe des CTX-Lieferanten Pada als Lösung anbot.
Das leistungsstarke Kühlkörpersystem hält mit der permanenten Weiterentwicklung der IGBTs und anderer elektronischer Leistungsmodule mit. Obwohl es auf Standardelementen basiert, stellt es eine kostengünstige Lösung zur konzentrierten, effizienten Wärmeabfuhr bei Leistungshalbleitern dar. Das Kühlsystem genügt der Richtlinie IEC77 und verursacht weder Geräusche noch Vibrationen. Es besteht aus einer Zirkulationspumpe, einem Ausgleichsbehälter, einem Wärmetauscher und der eigentlichen Kühlplatte. Sie besteht wahlweise aus Aluminium oder Kupfer mit kernlochgebohrten oder extrudierten Kühlkanälen zur Realisierung des Wasserkreislaufs. Eine weitere Alternative ist eine Aluminiumplatte (Dicke 15 bis 20mm) mit eingepresstem Kupfer- oder Edelstahlrohr, das in der Regel einen Außendurchmesser von 10mm und eine Wandstärke von 1mm besitzt.
Die Kühlleitungen werden in exakt gefräste, U-förmige Nuten auf der jeweiligen Kühlplattenfläche eingepresst. Ein Spezialkleber aus leitendem Harz schließt mögliche thermische oder mechanische Unterbrechungen und damit eine Beeinträchtigung der Wärmeableitung aus. Die Rohrbögen liegen bei Größenordnungen von 30,5 bis 90mm und können wahlweise innerhalb oder außerhalb der Platten liegen. Im Fall der Kühllösung für die Frequenzumrichter befinden sich die Rohrbögen mit einem Durchmesser von 40mm in der Platte. Für einen idealen Sitz der Rohre sind alle Auflageflächen der Platten mit seitlichen Löchern passend gefräst. Auf diese Weise wird eine Ebenheit von 0,01mm/150mm und eine Rauheit von Ra <1,2 erzielt. Die Verbindungen berücksichtigen die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe und bilden einen sehr guten Wärmekontakt. Sie liegen dicht auf und besitzen eine hohe Lebensdauer.
Das richtige Material
Bei der Materialwahl für die jeweilige Kühllösung müssen Kriterien wie Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und die jeweiligen Einsatzbedingungen berücksichtigt werden. Bei sogenannten Wärmenestern bietet sich das besser wärmeleitende Kupfer trotz des dreifach höheren Gewichts an. Bei Kühllösungen mit deionisiertem Wasser empfehlen sich dagegen korrosionsfeste Edelstahllegierungen.
Der Flüssigkeitskühlkörper für die Frequenzumrichter von Sieb & Meyer besteht aus einer 15mm starken, 160mm breiten und 340mm langen Aluminiumplatte mit einem eingepressten Kupferrohr, das sich in drei Bögen durch die gesamte Länge der Platte zieht. Der Außendurchmesser des Rohres beträgt 10mm, die maximale Kühlwassertemperatur 40°C und die Durchflussmenge liegt bei mindestens 4l/min.
Inzwischen benötigt Sieb & Meyer jährlich rund 50 dieser Flüssigkeitskühlkörper für die Umrichter. Damit diese kurzfristig abgerufen werden können, übernimmt CTX die Lagerhaltung.
Flexible Standards sorgen für Kombinationsvielfalt
Um die Fertigung der wassergekühlten Platten schnell und kostengünstig zu realisieren, nutzt Hersteller Pada weitestgehend standardisierte Materialien und Geometrien der auf Lager befindlichen Rohre. Die Standardelemente kommen einzeln oder zusammen mit den passenden, praxisgerechten Verbindungen zum Einsatz. Das Flüssigkeits-Kühlkörpersystem ist entsprechend der kundenspezifischen Belange in verschiedenen Abmessungen und Konfigurationen verfügbar. So können werkseitig spezielle Anschlüsse zur Montage vorgesehen werden. Ebenso ist es möglich auf Kundenwunsch 1/4-, 1/2- oder 3/4″-GAS-Verbindungen an die 10mm-Rohrendungen anzulöten. Darüber hinaus sind alle gängigen Innen- und Außengewindeanschlüsse erhältlich. Um den individuellen Anforderungen zu entsprechen, kann ein derartiges Kühlsystem mit Kanälen in Parallel-, Reihen- und gemischter Ausführung ausgelegt werden.
