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PC & Industrie 6/2014

Elektromechanik

Elektromechanik Entwärmung auch für kleine und mittlere Serien Neue Stiftkühlkörper für Leistungselektronik mit hoher Verlustleistung Seit Anfang 2014 hat die Alutronic Kühlkörper GmbH und Co. KG Stiftkörper im Programm, die auch in Leistungsklassen mit einer Abwärme von über 500 W eingesetzt werden können. Quelle: Alutronic Kühlkörper GmbH und Co. KG Hohe Wärmeableitung Das angewandte Fließpressverfahren und die resultierende hohe Materialdichte der Stiftkühlkörper in nahezu reiner Aluminiumlegierung (Al 99,5) sorgen für eine Wärmeleitung von bis zu 236 W/mK. Gleichzeitig erlaubt es eine optimale Wärmeverteilung, da das Material in Wärmefluss- und Materialflussrichtung – von der Basis bis in die Stift enden – dieselbe Struktur aufweist. Für den optimalen Wärmeeintrag in die Basisfläche sorgt die standardmäßige Ebenheit der Montagefläche von weniger als 0,1 mm. Erhältlich als Round- oder Square-Cut, sind die 50 neuen Stiftkühlkörper hinsichtlich ihrer Abmessungen, aber auch was die Stiftdichte betrifft, größer als bisher von anderen deutschen Herstellern erhältlich. Durch neue Werkzeugtechnik sind die Stiftkühlkörper mit einer Montagefläche von bis zu 160 x 260 mm und eine Gesamthöhe von 40 mm aus einem Stück herstellbar. Bei dem bislang größten Standard-Stiftkühlkörpern von Alutronic finden auf einer Fläche von 120 x 200 mm 1.215 Stifte mit einem Durchmesser von 3,2 mm und einer Stifthöhe von 30 mm Die sichere Entwärmung von Bauteilen ist eine essentielle Anforderung, um deren Zerstörung zu verhindern und eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten. Effiziente Entwärmung, in bestimmten Abmaßen und zu einem möglichst geringen Preis - das ist eine große Herausforderung und das Ziel von Alutronic. Der deutsche Hersteller bringt Stiftkühlkörper mit einer Montagefläche von bis zu 120 x 200 mm ohne zusätzliche Werkzeugkosten auf den Markt. Der Bauraum für die sichere Entwärmung von IGBTs, Endstufen, MOSFETs, Hochleistungs-LEDs und ähnlicher Leistungselektronik ist meist begrenzt. Auch das Gewicht, die Möglichkeiten bei der Montage und die Materialkosten des Kühlkörpers spielen eine entscheidende Rolle. In vielen Anwendungsfällen bieten Stiftkühlkörper wirtschaftlich, konstruktiv und thermisch klare Vorteile gegenüber Strangpressprofilen. Gerade für Leistungsmodule mit hoher Verlustleistung waren jedoch bislang als Standard keine Modelle in der erforderlichen Größe erhältlich. Alutronic löst jetzt dieses Problem: seit Anfang 2014 hat das Unternehmen Stiftkühlkörper in 50 verschiedenen Standardausführungen im Programm, die unter anderem in den Leistungsklassen mit einer Abwärme von über 500 W eingesetzt werden können. Hinsichtlich Bearbeitung, Oberflächenveredelung, Befestigung und Zubehör können kundenspezifische Anpassungen vorgenommen werden. Dies gilt auch für kleine und mittlere Serien. Platz. Die Bodenstärke beträgt in dieser Dimension 10 mm. Zur Veranschaulichung: Das sind neun Stifte auf 12 x 12 mm, wobei der Abstand zwischen den Stiften 1,2 mm beträgt. Bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C und einer Temperatur der Sperrschicht von 80 °C, was einer Differenz ΔK von 55 K entspricht, wäre ein solcher Stiftkühlkörper bei natürlicher Konvektion für maximal 60 W Abwärme oder 0,91 K/W geeignet. Der Vorteil gegenüber stranggepressten Kühlkörpern ist in diesem Fall die schnelle Wärme- 42 PC & Industrie 6/2014

Elektromechanik Ist die Verlustleistung hoch und der Bauraum begrenzt, sind Stiftkühlkörper eine neue Alternative. Nicht nur in den Abmaßen und im Gewicht schneiden sie besser ab als Strangpressprofile, auch wirtschaftlich bieten sie oft entscheidende Vorteile. Quelle: Alutronic Kühlkörper GmbH und Co. KG spreizung an der Kontaktfläche. Einen herausragenden Vorteil bieten die Stiftkühlkörper allerdings in Verbindung mit forcierter Konvektion. Zwei Varianten Dafür kommen zwei Varianten in Frage: Die Belüftung quer zu den Stiften und die Belüftung mittels einer Lüftung von oben, also mit der Stiftrichtung. Simulationen über alle Stiftkühlkörper im Standardangebot der Firma Alutronic haben ergeben, dass die abführbare thermische Energie bei in Stiftrichtung montiertem Lüfter im Vergleich zu natürlicher Konvektion das Fünf- bis Neunfache beträgt. Wenn quer belüftet werden kann, verbessert sich die Wärmeleitung im Vergleich zur Belüftung in Stiftrichtung noch um weitere 20 bis 40 Prozent. Bei einem Luftdurchsatz von 2 m/s quer zur Stiftrichtung können bei dem größten Standardmodell mit 1.215 Pins 550 W abgeführt werden. Das entspricht bei einem Delta von 55 K einem RthK-Wert von 0,1 K/W. Das Gewicht des Kühlkörpers liegt in diesem Fall nur bei 1,6 kg. Eine Entwärmungslösung auf Basis eines stranggepressten Profils wäre mehr als fünfmal so groß und unter 15 kg Kühlkörpergewicht kaum machbar. Mit den Powerblocs lässt sich also erheblich Platz und Gewicht sparen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Lüftung von oben zwar weniger effizient ist als von der Seite, aber mechanisch einfacher, da nicht erst ein Windkanal geschaffen werden muss. Bei größeren Abmessungen, die von der Seite belüftet werden sollen, ermöglicht ein Trichter für die Luft eine turbulentere Durchströmung und damit eine bessere Wärmeübergabe. Hierbei gilt es allerdings zu beachten, dass der Lüfter einen relativ hohen Druck aufbauen muss, um den Luftdurchsatz zu gewährleisten, der nötig ist, um die thermische Energie durch den relativ geringen Querschnitt abzutragen. Zusätzlich zum Standardlieferprogramm gibt es die Option einer mechanischen Fräs- und Bohrbearbeitung, eine Anpassung der Bodenstärke sowie der Stiftzahl. Die Oberfläche kann in Aluminium blank ausgeführt, naturfarben, schwarz oder dekorativ in Blau eloxiert, chromatiert, verzinnt oder vernickelt werden. Die Eloxalbeschichtung bietet den Bauteilen Oberflächenschutz, verbessert die Wärmeabstrahlung und gewährleistet eine elektrische Isolierung. Individuelle Beratung Alutronic bietet eine umfassende Beratung zum Design, zur optimalen Oberflächenbeschichtung und der unkompliziertesten Montagemöglichkeit an, die auf langjähriger Erfahrung basiert. Sein Expertenwissen wird durch ein etabliertes Netzwerk von Spezialisten ergänzt. Als Zubehör sind vormontierte oder beigestellte Lüfter, Isolierung und Wärmeleitung mit anwendungsspezifischen Zeichnungsteilen in allen gewünschten Formen und Abmessungen sowie detaillierte Leistungsdaten erhältlich. Zur Befestigung wird bei Versionen 50 x 50 mm auch Durchgangsbohrungen zur Schraubmontage oder Clipnuten erhältlich. Thermografische Computersimulationen Neben der Beratung bietet das Unternehmen auch thermografische Computersimulationen an, um auch kundenspezifische Stiftkühlkörper in kürzester Zeit zu realisieren. Technisch entscheidend sind dabei die Maximalwerte für Verlustleistung, Sperrschicht- und Außentemperatur. Außerdem spielen die mechanischen Vorgaben hinsichtlich Maximalmaßen, Bauteilorientierung und Befestigung eine wichtige Rolle. Darüber hinaus muss geklärt werden, welche Stückzahlen geplant sind, um festzustellen, ob es sich beispielsweise lohnt, in ein Sonderwerkzeug zu investieren. Den größten Teil der 50 Standard-Powerblocs hält Alutronic zur Bemusterung auf Lager vor, so dass diese kurzfristig zur Verfügung stehen. Serien sind je nach Bearbeitungsart in kurzer Zeit lieferbar. Bei den gängigen Dimensionen fallen keine Werkzeugkosten an und auch bei kundenspezifischen Abmaßen liegen diese sowie die Mindestbestellmengen in den meisten Fällen unter denen von Strangpressprofilen und weit unter denen von Gussteilen. • Alutronic Kühlkörper GmbH und Co. KG www.alutronic.de Über Alutronic Kühlkörper Die Alutronic Kühlkörper GmbH und Co. KG mit Sitz im nordrhein-westfälischen Halver ist ein familiengeführtes Unternehmen, das seit 1977 Lösungen zur Bauteilentwärmung anbietet. Die Hauptkompetenz liegt heute in der Herstellung von Aluminiumkühlkörpern mittels Zerspanung und Eloxieren. Das Angebot reicht dabei von Standardmaterial über kundenspezifische Anpassungen bis hin zu komplett eigenen Lösungen. Mit seinen Produkten beliefert Alutronic alle Branchen der Leistungselektronik, vor allem die Bereiche Automatisierung, Steuerungstechnik, Medizintechnik und Industrie-PCs. PC & Industrie 6/2014 43

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