In der Kühlkörper-Designschmiede
Sicherheitsgerichtete Steuerungssysteme sind unabdingbar in der Industrie: Sie minimieren Risiken für Mensch und Umwelt und versuchen Störungen gar nicht erst entstehen zu lassen. Doch auch diese Systeme müssen geschützt werden. Eine wichtige Aufgabe übernehmen hierbei Stromversorgungen und ihre Komponenten, wie individuell angepasste Kühlkörper.
Funktionale Sicherheit ist zu einem Schlüsselbegriff für industrielle Prozesse geworden. Produktionsausfälle kommen Unternehmen nicht nur teuer zu stehen, sie bedeuten auch ein Gefährdungspotenzial für Mensch und Umwelt, wenn beispielsweise schädliche Gase, Chemikalien oder explosive Stoffe austreten.
Sicherheitsgerichtete Systeme (SIS) sollen die Risiken für einen Ausfall minimieren und im Falle einer Störung die Anlagensicherheit gewährleisten. Ihre Strukturen ähneln denen konventioneller Automationssysteme. Ihre Anforderung an die Ausfallsicherheit ist jedoch höher. Daher braucht es zuverlässige Komponenten. Ein neuralgischer Punkt ist dabei die Stromversorgung.
Anwendungsspezifische Netzteile als Problemlöser
Das in Bremen ansässige Unternehmen Eplax entwickelt und produziert anspruchsvolle Produkte zur Stromversorgung. Einen Schwerpunkt stellen DC/DC-Wandler und kundenspezifische Netzteile dar. „Wir stimmen unsere Entwicklungen präzise auf den jeweiligen Bedarf ab“, erklärt Niklas Lüdermann, zuständig für das Supply Chain Management bei Eplax.
Für das SIS eines Herstellers entwickelte Eplax ein Schaltnetzteil, das besonderen Anforderungen gerecht werden sollte. Das SIS ist für SIL 3 zertifiziert, das heißt, es dient der Absicherung der dritthöchsten Risikostufe von insgesamt vier Levels. Dreh- und Angelpunkt des Konzepts war daher seine Ausfallsicherheit. „Wir entwickelten ein Netzteil mit einer n+1 redundanten Betriebsmöglichkeit“, so Niklas Lüdermann. Fällt eine Einheit aus, übernehmen die verbleibenden Einheiten die Last vollständig.
Weitere Sicherungsmerkmale des Netzteils sind ein zweifach eingebauter Überspannungsschutz, der den Anforderungen an die funktionale Sicherheit gemäß der Norm IEC 61508 entspricht, sowie ein Schutz gegen Dauerüberlast und Kurzschluss. Eine Strombegrenzungsfunktion regelt die maximale Ausgangsleistung auf 1.200 W ab. Fällt die Spannung auf unter 22 V, setzt das Netzteil einen Alarm ab.
Eine zusätzliche Herausforderung stellte der Einsatzbereich des Netzteils dar. „Die hohe Ausfallsicherheit sollten wir gemäß Kundenvorgabe für einen Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen ermöglichen wie sie beispielsweise auf einer Ölförderplattform herrschen“, ergänzt Niklas Lüdermann. Extrem niedrige oder hohe Umgebungstemperaturen sowie ständige Vibrationen sollten keinen Einfluss auf den zuverlässigen Betrieb haben können. „Das Gerät ist geeignet für Umgebungstemperaturen von bis zu 70 °C und zudem nach IEC Ex für den Betrieb in zeitweise explosiven Umgebungen zugelassen.“
Kühlkörper sichern den Langzeitbetrieb
Ein auf die Betriebstemperaturen abgestimmtes Thermomanagement schützt das Netzteil nicht nur vor Ausfällen durch Überhitzung. Es sorgt auch für dessen Zuverlässigkeit im 24/7-Betrieb. Eplax arbeitet seit 2001 im Bereich Kühllösungen mit CTX zusammen. „In der Elektronik gilt die Regel, dass jede Erwärmung um 10 Kelvin die Lebensdauer eines Bauteils halbiert“, erklärt Thomas Windeck, Vertriebsleiter des Kühlkörperherstellers aus Nettetal. „Für die Sicherheit eines Systems ist es also unabdingbar, entstehende Verlustleistungen mit einer bedarfsgerechten Kühllösung effizient abzuleiten.“ Die wichtigsten Kriterien für die Wahl eines geeigneten Kühlkörpers sind dabei dessen Material, das Herstellverfahren und eine passende Kühlkörpergeometrie.
Für das Netzteil steuerte CTX Clip-Kühlkörper bei. Sie verfügen über eine Rippenstruktur mit einer großen Gesamtoberfläche, wodurch sie auf engem Bauraum ein hohes Maß an Wärmeableitung leisten können. In den Netzteilen, die 420,5 x 140 x 90 mm messen, sind jeweils drei kompakte Kühlkörper verbaut. In Summe transportieren sie eine Verlustleistung von bis zu 50 Watt ab.
Vorteile des Extrusionsverfahrens
Die Kühlkörper für Eplax werden von CTX im Extrusionsverfahren gefertigt. Dabei wird zähflüssiges Aluminium durch eine Matrize gepresst. „Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in seiner Individualität und gleichzeitigen Möglichkeit zur Serienfertigung“, erläutert Thomas Windeck. „Eine Matrize lässt sich individuell erstellen, wodurch auch komplexe Kühlkörpergeometrien machbar werden. Ist eine Matrize erst mal gefertigt, können wir damit beliebig viele Kühlkörper produzieren.“ Das senkt im Ergebnis die Produktions- und Stückkosten. „Als einfach per Clip aufzusteckende Lösung ist der Kühlkörper für die Serienfertigung geeignet“, so Thomas Windeck.
Passgenau für die Serienfertigung konzipiert
Passgenaue aktive und passive Kühllösungen für die Leistungselektronik in verschiedenen Branchen sind das Schwerpunktthema von CTX. Speziell für die Stromversorgung entwickelt und fertigt das Unternehmen Kühlkörper unter anderem für Schaltnetzteile, Wechselrichter und Wandler. Neben Profilkühlkörpern bietet es für diesen Bereich auch Flüssigkeitskühlkörper und Kombinationen mit Lüftern an. „Jede Anwendung in der Elektronik stellt ihre eigenen Anforderungen an den Abtransport von Verlustleistungen“, sagt Thomas Windeck. „Diese sinnvoll zu bedienen ist nur möglich, wenn man als Zulieferer flexibel auf den jeweiligen Anwendungsbedarf eingehen kann.“ CTX kann dafür auf alle Herstellungsverfahren zurückgreifen, mit denen sich eine Vielzahl von Kühlkörperarten fertigen lassen. Neben dem Extrusionsverfahren sind dies der Druckguss, das Skived-Fin-Verfahren, die Stanzbiegetechnik sowie verschiedene Verbindungstechniken. „Wir können so jeden Kühlkörper als Standardversion oder auch in einer projektspezifischen Ausführung herstellen.“
Eplax schätzt die Variabilität seines Partners, die sich selten in dieser Bandbreite am Markt findet, wie Niklas Lüdermann sagt: „Vorhandene Alternativen bieten häufig nicht die geforderte Flexibilität. Hinzu kommen bei CTX technische Expertise, eine hohe Qualität der Bauteile und ein reibungsloser Austausch, der schnell zum Ergebnis führt.“ Das hat bereits in mehreren gemeinsamen Projekten Niederschlag gefunden. Das SIS-Netzteil war aufgrund seiner Sicherheitsanforderungen eines der anspruchsvollsten und der erfolgreichsten Projekte. Es wird von Eplax bereits seit mehreren Jahren in Serie gefertigt.
