Möglichkeiten der Elektronikkühlung

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Neues Whitepaper: Die 11 wichtigsten Punkte für die optimale Konstruktion einer Kühllösung bei hohen Verlustleistungen

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Es gibt eine Vielzahl an Möglichkeiten, Bauteile entsprechend der vorliegenden Anforderungen zu kühlen. Alle Arten verbindet das Ziel, eine entstehende Verlustleistung an die Umgebungsluft abzugeben. Die Funktionsweise von Kühllösungen unterscheiden sich dabei erheblich. In diesem Artikel stellen wir die verschiedenen Funktionsweisen und Produkttechnologien vor.  

Luftkühler für die Leistungselektronik.

Die direkte Luftkühlung mit Profilkühlkörpern der elektronischen Bauteile stellt die einfachste und vor allem günstigste Variante der Elektronikkühlung dar. Das Ausgangsmaterial für Profilkühlkörper wird meist im Strangpressverfahren mit hohem Fertigungsvolumen produziert, weshalb eine hohe Effizienz zu erreichen ist. Mindestpressmengen liegen je nach Strangpressprofil zwischen 500 kg  und 2.000 kg, sodass hier die benötigte Menge an benötigten Kühlkörpern abgewogen werden muss. Alleine wir bei Cool Tec Electronic haben über 500 Werkzeuge für individuelle Kühlkörperprofile bei unseren Strangpresswerken in Deutschland und Europa eingerichtet.  

Wie funktioniert ein Luftkühler? 

Am einfachsten lässt sich das Prinzip der Luftkühlung an der Formel für den Wärmestrom, also der Kühlleistung, erklären. Keine Sorge! Es wird nur bei dieser einen Gleichung bleiben, die auch gar nicht so kompliziert ist. 

Kühlleistung = Wärmeübergangskoeffizient * Fläche * Temperaturdifferenz (Bauteil und Umgebungsluft)

Beim Luftkühler ist die Kühlleistung abhängig von der wärmeübertragenden Fläche. So wird bei der Gestaltung eines Profilkühlkörpers das Ziel verfolgt, die Fläche, die mit der Luft in Kontakt steht, so groß wie möglich gestalten. 

Durch entsprechend gestaltete Kühlrippen wird die wärmeübertragende Fläche zwischen Kühlkörper und Luft immens gesteigert und somit gemäß der Formel auch die Kühlleistung maximiert. 

Den Wärmeübertragungskoeffizienten, der angibt, wie effizient die Wärme an die Luft übertragen wird, kann auch durch konstruktive Maßnahmen gesteigert werden. Hierbei kommt man in den Bereich der Sonderkühlkörper. Diese funktionieren exakt nach dem gleichen Prinzip der Luftkühlung, werden aber individuell für das entsprechende Kühlproblem optimiert. Das passiert beispielsweise durch das Einpressen von Heatspreadern oder Heatpipes. Darüber hinaus kann durch eine spezielle Auslegung die Luftströmung optimiert und somit auch der Wärmeübergangskoeffizient und schlussendlich die Kühlleistung weiter gesteigert werden. 

Wann sollte ich auf einen Luftkühler für meinen Anwendungsfall zurückgreifen? 

Durch den Umstand, dass ein Luftkühler die wärmeübertragende Fläche stark vergrößert, erhöht sich der Bauraumbedarf dementsprechend stark. Somit muss ein ausreichend großer Bauraum berücksichtigt werden. Da eine freie Strömung der Luft essenziell ist, ist ein dichtes Package des Gesamtaufbaus nicht möglich. Durch den Einsatz von Lüftern kann dem teilweise entgegengewirkt werden. Trotzdem sollte die Leistungsdichte, also die Verlustleistung pro Volumen, nicht allzu groß sein, da der Luftkühler hier schnell an seine Grenzen stößt. 

Kann mir Cool Tec Electronic einen optimalen Luftkühler herstellen? 

Unser Angebot an Profilkühlkörpern reicht von mehr als 500 Standardprofilen bis zu zahlreichen Sonderprofilen für spezielle Anforderungen.

Auf Basis unserer Standard- und Sonderprofile offerieren wir Ihnen jede Form der kundenspezifischen Bearbeitung. Produziert wird auf modernsten Sägeautomaten, CNC-Bearbeitungszentren, Drehautomaten und Pressen. Alle Oberflächen werden nach Ihren Vorgaben veredelt. Von der ultraschallgereinigten Alu-blank-Version, Chrom-6-freie Chromatierung, dekorative Eloxaloberflächen bis hin zu unterschiedlichsten galvanisch und chemisch erzeugten Oberflächen einschließlich Mill-Normen. 

Gemeinsam mit Ihnen entwickeln und fertigen wir Sonderprofile, die nahezu unbegrenzte Möglichkeiten zur idealen Anpassung an Ihre Elektronik bieten. Neben einer intensiven Unterstützung und Mitarbeit bei der Entwicklung und Konstruktion Ihrer Profilkühlkörper, realisieren wir eine vollständige CNC-Bearbeitung mit anschließender Oberflächenbehandlung. Auch die Montage von Systemkomponenten ist möglich. 

Flüssigkühler für die Leistungselektronik. 

Reicht die Kühlleistung des Luftkühlers nicht mehr aus oder ist der Bauraum beschränkt, kommen Flüssigkeitskühler in Frage. Diese stellen auf vergleichsweise geringem Bauraum, wenn man nur die Kühlplatte betrachtet, eine sehr hohe Kühlleistung dar. Dabei unterscheiden wir bei Cool Tec Electronic nochmal zwischen Flüssigkeitskühlern mit eingepresstem Rohr (Mono- oder Duopress) und Flüssigkeitskühler mit gefräster Innenstruktur (Structure). Die zu kühlenden Komponenten werden dabei auf der Flüssigkeitskühlplatte verschraubt. 

Wie funktioniert ein Flüssigkühler? 

Auch hier greift wieder die Formel für den Wärmestrom. Ein Flüssigkeitskühler führt die gesamte Wärme über den Pfad der Wärmeleitung und erzwungene Konvektion ab. Da die Bauteile direkt auf der Flüssigkeitskühlplatte sitzen, kann die Wärme im Vergleich zur Luftkühlung viel effizienter übertragen werden. Das ist dem Umstand geschuldet, dass der Wärmeübergang von Festkörper zu Wasser im Vergleich zu Festkörper zu Luft ungefähr 50–100-mal größer ist. Der vom Wasser aufgenommene Wärmestrom muss über einen Rückkühler an die Umgebungsluft abgegeben werden. 

Wann sollte ich auf einen Flüssigkühler zurückgreifen? 

Immer dann, wenn die Kühlleistung eines Luftkühlers nicht mehr ausreicht oder der Bauraum limitiert ist, ist ein Flüssigkeitskühler erforderlich. Hierfür muss allerdings auch die entsprechende Infrastruktur bereitgestellt werden bzw. vorhanden sein. Dies umfasst den Flüssigkeitskreislauf mit Rohr- oder Schlauchleitungen und einen Rückkühler, der den Wärmestrom aus dem Kühlmedium an die Umgebungsluft abgibt. 

Kann mir Cool Tec Electronic einen optimalen Flüssigkühler herstellen? 

Wir bieten ein weites Spektrum an verschiedenen Flüssigkeitskühlern. Diese entwickeln wir mit unseren Kunden gemeinsam individuell nach dessen Vorgaben oder wir entwickeln die Kühlplatten auf Basis von Thermosimulationen komplett neu. 

Bei Flüssigkeitskühlkörpern gibt es verschiedenste Produkttechnologien. Von der Kühlplatte mit eingepressten Rohren aus Kupfer, Edelstahl oder Aluminium (Monopress), über mittig eingebettete Rohre (Duopress), bis hin zu Flüssigkeitskühlern mit gefrästen Innenstrukturen und gefügten Deckeln ist alles machbar. 

Siedekühler für die Leistungselektronik.

Ist die Leistungsdichte Ihrer Komponenten sehr hoch und haben Sie sehr wenig Bauraum zur Verfügung, kommt eine Siedekühlung in Frage. Diese ermöglicht auf vergleichsweise geringem Bauraum, wenn nochmals höhere Kühlleistung im Vergleich zu Flüssigkeitskühlern. Wir bieten unser Powerboil System dabei mit Naturumlauf oder erzwungenem Kreislauf an. 

Wie funktioniert ein Siedekühler? 

Im Vergleich zum Flüssigkühler wird der Wärmeübergangskoeffizient deutlich erhöht, was wiederum zu einer deutlichen Steigerung der Kühlleistung führt.

Ein Siedekühler führt die gesamte Wärme über die Verdampfung eines flüssigen Mediums ab. Da bei der Verdampfung große Energiemengen benötigt werden, können wiederum hohe Wärmeströme aufgenommen werden. Dies führt dazu, dass die Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zum Flüssigkeitskühler um das bis zu 4-fache steigen. Der vom verdampfenden Medium aufgenommene Wärmestrom muss über einen Rückkühler an die Umgebungsluft abgegeben werden.

Wann sollte ich einen Siedekühler einsetzen? 

Immer wenn sehr hohe Verlustleistungen auf kleinstem Bauraum abgeführt werden müssen, ist die Siedekühlung zu bevorzugen. Diese ist noch thermisch leistungsfähiger als eine Flüssigkeitskühlung. Die Siedekühlung stellt damit die effektivste Möglichkeit dar, einem System thermische Energie zu entziehen. Hierfür muss allerdings auch die entsprechende Infrastruktur bereitgestellt werden bzw. sein. Dies umfasst den Flüssigkeitskreislauf mit Rohrleitungen und einem Rückkühler, der den Wärmestrom aus dem Kühlmedium an die Umgebungsluft abgibt. 

Kann mir Cool Tec Electronic einen optimalen Siedekühler herstellen? 

Einen Siedekühler entwickeln wir mit unseren Kunden gemeinsam individuell nach dessen Vorgaben und Anforderungen. Unter anderem ermöglichen wir Siedeprozesse ab 35°C durch gezüchtete Mikrostrukturen in der Bauteilkammer. Außerdem ist es durch eine Trennung von Siedekammer und Kondensator möglich, die höchsten IP-Schutzklassen zu erreichen.

Neues Whitepaper: Die 11 wichtigsten Punkte für die optimale Konstruktion einer Kühllösung bei hohen Verlustleistungen

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