Wärmemanagement Integrierte Kühlkörper für die Leistungselektronik optimieren

Autor / Redakteur: Jan Wettlaufer * / Johann Wiesböck

Wechselrichter und hochintegrierte Antriebe können durch funktionale Integration kompakter gestaltet werden. Hierfür ist es vorteilhaft die Kühlkörper in die Struktur der Gesamtkonstruktion zu integrieren.

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Bild 1: Hochintegrierte Antriebe und die Kühlkörper ihrer Leistungselektronik (orange eingefärbt)
Bild 1: Hochintegrierte Antriebe und die Kühlkörper ihrer Leistungselektronik (orange eingefärbt)
(Bild: Bild: Lenze)

Die Optimierung von Standard-Kühlkörpern mit ebener Bodenplatte ist Stand-der-Technik. In diesem Artikel werden drei Wege verglichen, wie beliebig geformte Kühlkörper-Geometrien optimiert werden. Durch eine Kombination von Rapid-Prototyping-Technologien, Messungen und Simulationen ist eine schnelle, zielgerichtete und wirtschaftliche Optimierung möglich. Diese führt sowohl zu einer höheren Leistungsdichte, als auch durch niedrigere Temperaturen zu einer erhöhten Zuverlässigkeit und Lebensdauer der optimierten Geräte.

Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben „EMiLE“ wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 16EMO0007 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

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Die Optimierung von konventionellen Kühlkörpern mit ebener Bodenplatte, wie sie beispielsweise in Schaltschrankumrichtern zum Einsatz kommen, ist Stand der Technik. Der thermische Widerstand dieser Kühlkörper kann mithilfe analytischer Formeln, Datenblattangaben oder kostenlos verfügbarer Auslegungssoftware abgeschätzt werden. Die thermischen Grenzen konventioneller Kühlkörper mit senkrecht zur Bodenplatte angeordneten Rippen sind relativ gut bekannt, z.B. [1] oder [2]. Integrierte Kühlkörper erfüllen jedoch nicht die Annahmen, die diesen Untersuchungen zugrunde liegen. Aufgrund der komplexen Geometrien ist es praktisch nicht möglich analytische Ansätze anzuwenden.

Bei kompakten leistungselektronischen Geräten ist die mögliche Dauerleistung meist thermisch bedingt; der limitierende Faktor ist die Kühlung der Leistungshalbleiter. In [3] und [4] ist ein neuartiges Integrationskonzept für besonders kompakte Antriebe mit Luftkühlung beschrieben. Wie in Abbildung 1 zu sehen, ist dabei der Kühlkörper der Leistungselektronik (orange eingefärbt) vollständig in das Motorgehäuse integriert. In diesem Artikel wird dargelegt, wie der thermische Widerstand solch integrierter Kühlkörper ingenieurmäßig optimiert werden kann.

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