Geschälte Rippen für maximale Kühlleistung

Für Torsten Blankenburg ist die Entwicklungsarbeit in der Leistungselektronik wie ein „gordischer Knoten“, den es zu lösen gilt: nicht unmöglich, es bedarf jedoch einer gewissen Raffinesse. Darum geht es: Wie erziele ich auf immer kleinerem Bauraum immer mehr Leistung, ohne dass die Elektronik Schaden nimmt? 

Torsten Blankenburg ist Chief Technology Officer von Sieb & Meyer, einem Unternehmen, das im Bereich der Steuerungs- und Antriebselektronik tätig ist. Kernprodukte des Unternehmens sind Frequenzumrichter und Servoverstärker für die Steuerung von Hochgeschwindigkeitsanwendungen, zum Beispiel in Werkzeugmaschinen. Die Anwendungen erfordern von den Spindelantrieben hohe Laufruhe bei enormen Drehzahlen. Die Frequenzumrichter von Sieb & Meyer erzielen dies mit Ausgangsfrequenzen bis 8.000 Hz. Genau hier liegt die Herausforderung. „Die hohen Ausgangsfrequenzen verursachen deutliche Verluste“, erklärt Blankenburg. So entstehen bei Umrichtern in einem Leistungsbereich von 6 bis 15 kW Verlustleistungen von einigen hundert Watt. Bei Geräten mit einer Leistung von 50 kW und mehr erreichen die Verluste Werte von mehreren kW. „Um dies in einem vernünftigen Rahmen zu halten, ist eine verlässliche Entwärmung essenziell“, so Blankenburg. Die Kühlung ist damit ein Schlüsselpunkt, wenn es um die Weiterentwicklung der Umrichter-Leistungsdichte geht.

Die Grenzen der klassischen Ansätze

Seit 2003 zählt CTX zu den Kühlkörperherstellern, mit denen das Lüneburger Technologieunternehmen zusammenarbeitet. Sieb & Meyer schätzt die breite Aufstellung des Spezialisten für Thermomanagement. CTX ist in der Lage, sowohl Standardkühlkörper als auch individuell konzipierte Lösungen mit allen relevanten Herstellungsverfahren zu fertigen. Dafür kann das Unternehmen auf ein internationales Netzwerk an Fertigungspartnern zugreifen, mit denen es über sein Logistikzentrum auch die Auslieferung großer Serien sicherstellt. Für Sieb & Meyer realisiert CTX Wasserkühlkörper, Kühlkörper mit eingepressten Rippen, den Crimped Fins, sowie Profilkühlkörper, die im Extrusionsverfahren hergestellt werden. „Bei der Entwicklung unserer SD4S-Frequenzumrichter stießen wir jedoch mit den klassischen Ansätzen schnell an unsere Grenzen“, schildert Mario Livancic, Konstruktionsingenieur bei Sieb & Meyer.

Die Frequenzumrichter der SD4x-Generation wurden von Grund auf für Hochgeschwindigkeitsmotoren entwickelt. Sie verringern motorseitige Verluste und ermöglichen dadurch Drehzahlen, die zuvor nicht realisierbar waren. Zu den jüngsten Entwicklungen der Reihe zählen die SD4S-Varianten für den stationären Einsatz in Schaltschränken. Ihr 32-Bit-Prozessor ist bis zu fünfmal schneller als der ihrer Vorgängervariante SD2S. Gegenüber dieser erzielen sie zudem eine doppelt so hohe Ausgangsfrequenz von bis zu 4.000 Hz für Synchron- und 6.000 Hz für Asynchronmotoren. Bis zu 360.000 U/min sind auf diese Weise möglich. Dabei misst die kleinste Baugröße gerade mal eine Breite von 40 mm.

„KI ist Change Management – in Lichtgeschwindigkeit“

Künstliche Intelligenz ist im industriellen Umfeld längst mehr als ein Modewort. Auf der Automation NEXT Conference 2025 zeigte Dr. Axel Zein, CEO der WSCAD GmbH, aus Herstellerperspektive, wie sich Engineering-Prozesse durch KI nicht nur optimieren, sondern grundlegend verändern lassen.

Neuer Ansatz für die Kühlung

Auch wenn die bisherigen Kühlkörper, die CTX für Sieb & Meyer herstellte, sehr leistungsfähig waren – die SD4S-Umrichter erforderten einen neuen Ansatz. Die Konstrukteure von Sieb & Meyer ermittelten für den Profilkühlkörper einen Bauraum von 90 mm Gesamthöhe, davon 70 mm Rippenhöhe. „Für die notwendige Kühloberfläche mussten sehr, sehr dünne Rippen in einem sehr engen Abstand zueinander gefertigt werden“, so Ulf-Guido Held, Vertriebsleiter von CTX. „Das war im zuvor genutzten Extrusionsverfahren nicht mehr herstellbar.“ So kam eine neue Methode aufs Tableau: Sieb & Meyer entschied sich für Skived-Fin-Kühlkörper.

Für diese Kühlkörperart werden die Rippen aus einem Aluminiumblock geschält. Die Verbindung zwischen Rippen und Bodenplatte bleibt dabei erhalten. Thermische Widerstände, wie sie bei Press-, Löt- oder Klebverbindungen unvermeidlich sind, treten dadurch nicht auf. Es entstehen Kühlkörper mit besonders feinen, sehr hohen und dicht stehenden Rippen aus einem Stück. CTX ist in der Lage, Aluminium-Rippen in einer Stärke von 0,1 bis 2 mm und einer Höhe von 1 bis 180 mm sowie mit Abständen zwischen 0,2 und 12 mm – gemessen von Mitte zu Mitte – zu fertigen.

Keine Werkzeugkosten, dennoch flexibel gestaltbar

„Skived-Fin-Kühlkörper erzeugen keine Werkzeugkosten wie bei einem formgebenden Verfahren, dennoch sind sie sehr flexibel in der Geometrie“, sagt Mario Livancic, der die Entwicklung der SD4S-Umrichter begleitete. „Wir haben sowohl die Luftströmung als auch die Belüftungsdrücke optimiert und passend für unseren Umrichter ausgelegt.“ Nachdem alle Parameter für den Kühlkörper feststanden, übernahm CTX. Der Hersteller überprüfte die Zeichnung mit einer thermischen Simulation auf Machbarkeit. Lediglich die zu verwendende Legierung empfahl CTX zu ändern. „Das von uns vorgeschlagene Material war besser verfügbar, so dass wir schneller in die Fertigung starten konnten“, erläutert Ulf-Guido Held. 

Die Herstellung erfolgt über einen CTX-Partner in Asien. „In den dortigen Märkten ist das Verfahren schon länger im Einsatz“, schildert Held. „Daher verfügen wir dort über umfangreiche Kapazitäten.“ Um für das zunehmend gefragte Herstellungsverfahren künftig noch flexibler agieren zu können, baut CTX seine Produktionsmöglichkeiten weiter aus.

Nach nur gut einem Jahr Projektzeit war der SD4S bereit zur Serienfertigung. „Der Austausch mit CTX sowie die Umsetzung unserer Anforderungen verliefen reibungslos und schnell“, so Livancic. Der Konstrukteur führt das unter anderem auf die große Bandbreite des Herstellers zurück. „Dass hier eine Vielfalt an Fertigungsverfahren verfügbar ist, eröffnet uns ganz andere Möglichkeiten, als wenn sich ein Hersteller auf nur eine Methode fokussiert.“

Kühlleistung weiter steigern

CTX prüft stetig, wie sich die Leistung der Kühlung verbessern lässt. Dabei geht es darum, die Wärmeleitfähigkeit unterschiedlicher Materialien sowie verschiedene Konstruktions- und Herstellungsvarianten unter den Aspekten Kühlleistung, Baugröße und Kosteneffizienz auszuloten. Intensiv wird an Möglichkeiten geforscht, wie sich Kupfer in einem größeren Rahmen für die Kühlung nutzen lässt. „Kupfer hat mit bis zu 400 W/mK eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium, das auf etwa 210 W/mK kommt“, erläutert Ulf-Guido Held. „Es ist aber schwerer und teurer, weshalb wir es nur ganz gezielt einsetzen.“ Kupfer wird beispielsweise als feine Beschichtung aufgetragen oder als Platte oder Kern in Aluminium integriert.

„Aktuell ist Kupfer vor allem im Zusammenhang mit dem Kühlkonzept der Heatpipe ein gefragtes Thema“, so Held. Mit Heatpipes lässt sich der Wärmefluss gezielt steuern. Sie bestehen aus einem geschlossenem Kupferrohrsystem mit innenliegender Kapillarstruktur. In diesem nimmt ein Kühlmedium hohe Wärmemengen am Hotspot auf, transportiert sie zum Kühlkörper und gibt sie dort per Kondensation ab. Die Vorteile des Konzepts liegen neben der hohen Kühlleistung in der lageunabhängigen Montage, wodurch es sich vor allem für enge Bauräume eignet.

Streben nach Kompaktheit

„Nach Kühlkörpern mit gesteckten und geschälten Rippen sind Heatpipes womöglich der nächste Punkt, wo wir ansetzen“, sagt Torsten Blankenburg von Sieb & Meyer. „Wir streben für unsere Komponenten nach Kompaktheit und dafür testen wir mit unseren Partnern wie CTX aus, wie weit wir an die Grenzen der thermischen Beanspruchung gehen können.“ Der SD4S ist ein Beleg dafür, was mit Thermomanagement möglich ist: Seine kleinste Baugröße ist um 44 Prozent kompakter als es die Umrichter der Vorgängergeneration waren.