Entwicklung & Konstruktion

Die Not­wen­dig­keit von Elektronikkühlung

Lesezeit 2-3 Minuten

Kühl­kör­per für die Leis­tungs­elek­tro­nik wer­den immer wich­ti­ger.
Die Digi­ta­li­sie­rung ent­wi­ckelt sich wei­ter. Egal, ob Ver­net­zung von Sys­te­men, Indus­trie 4.0, künst­li­che Intel­li­genz oder Elektrifizierung.
Die­se Wei­ter­ent­wick­lun­gen füh­ren zu einem stär­ke­ren Ein­satz von Elek­tro­nik bzw. der Opti­mie­rung von bestehen­den Sys­te­men in Punk­to Leis­tungs­dich­te, Effi­zi­enz und Nach­hal­tig­keit.  

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Da jedes tech­ni­sche Sys­tem einem Wir­kungs­grad unter­liegt, erwär­men sich die Bau­tei­le durch die ent­ste­hen­de Ver­lust­leis­tung. Der Wir­kungs­grad ist das Ver­hält­nis von nutz­ba­rer Leis­tung zur ein­ge­setz­ten Leis­tung. Obwohl die Wir­kungs­gra­de der Elek­tro­nik durch ihre Effi­zi­enz stei­gen, steigt der Bedarf an Küh­lung wei­ter­hin, da immer höhe­re Leis­tun­gen erzielt wer­den sol­len. Meis­tens auf glei­chem bzw. Klei­ne­rem Raum.  

Durch die hohe Leis­tungs­dich­te heu­ti­ger Sys­te­me reicht die Eigen­küh­lung durch natür­li­che Kon­vek­ti­on längst nicht mehr aus, um die elek­tro­ni­schen Kom­po­nen­ten aus­rei­chend zu küh­len. In Kon­se­quenz muss aktiv gekühlt wer­den! Wäh­rend in der Ver­gan­gen­heit die Elek­tronik­küh­lung oft not­wen­di­ges, aber nicht wirk­lich prio­ri­sier­tes Bei­werk war, ist der Bereich Ther­mo­ma­nage­ment heu­te essen­ti­ell für die lang­fris­ti­ge Per­for­mance der Leis­tungs­elek­tro­nik und damit der gesam­ten Anwen­dung. Ins­be­son­de­re das The­ma Lebens­dau­er ist für fast alle Anwen­dun­gen obers­te Prio­ri­tät. 

Was sind die Fol­gen von schlech­ter Kühlung?

Die sich ein­stel­len­de Betriebs­tem­pe­ra­tur hat den größ­ten Ein­fluss auf die Lebens­dau­er elek­tro­ni­scher Bau­tei­le und ist expo­nen­ti­ell. Die zu erwar­ten­de Lebens­dau­er elek­tro­ni­scher Bau­tei­le redu­ziert sich jeweils pro ca. 10 Kel­vin Tem­pe­ra­tur­an­stieg um die Hälf­te. Das bedeu­tet in der Kon­se­quenz, dass bei unzu­rei­chen­der Küh­lung ein Bau­teil, dass auf eine Lebens­dau­er von Jahr­zehn­ten aus­ge­legt wur­de, schnell nach meh­re­ren Jah­ren oder gar Mona­ten aus­fällt. Jedes Grad zählt also. Zudem soll­te nicht ver­ges­sen wer­den, dass die Funk­ti­on Ihrer Elek­tronik­kom­po­nen­ten bei den ange­ben­den Maxi­mal­tem­pe­ra­tu­ren zwar gege­ben ist, aber die Lebens­dau­er durch die 10 Kel­vin Kor­re­la­ti­on, gegen­über der Betriebs­tem­pe­ra­tur, redu­ziert wird. 

Unkal­ku­lier­ba­re Kos­ten durch Pro­duk­ti­ons­still­stand. 

Wir wer­den immer wie­der gefragt, was das Worst-Case-Sze­na­rio einer unzu­rei­chen­den Kühl­lö­sung ist. Das kann vie­les sein: Ein wich­ti­ges elek­tro­ni­sches Bau­teil ist uner­war­tet aus­ge­fal­len. Der Ser­ver, über den die gesam­ten Daten ver­ar­bei­tet wer­den, die Elek­tro­nik, die Ihre Pro­duk­ti­ons­li­nie steu­ert oder die Leis­tungs­elek­tro­nik, die die elek­tri­sche Ener­gie einer Wind­kraft­an­la­ge umwan­delt, sind auf­grund von Über­hit­zung aus­ge­fal­len. Ersatz für die Bau­tei­le zu beschaf­fen, wird immer her­aus­for­dern­der und zeit­in­ten­si­ver. So ent­ste­hen direk­te Kos­ten durch die Ersatz­teil­be­schaf­fung und den Ein­bau, erst recht aber durch den Still­stand der Anla­ge und die damit ver­bun­de­nen Kon­se­quen­zen. 

Wie kann ich die Lebens­dau­er mei­ner elek­tro­ni­schen Kom­po­nen­ten erhö­hen? 

Zum einen besteht die Mög­lich­keit, den Wir­kungs­grad der elek­tro­ni­schen Bau­tei­le durch Opti­mie­rung zu erhö­hen. Dem gegen­über steht jedoch der Anspruch, stets die Leis­tungs­da­ten zu erhö­hen, um die Per­for­mance der Anwen­dung zu stei­gern. So oder so: Das Ent­wär­mungs­pro­blem ist nach wie vor da. Umso wich­ti­ger ist ein pro­fes­sio­nel­les Ther­mo­ma­nage­ment.  

In den meis­ten Fäl­len wer­den Kühl­lö­sun­gen und Kühl­kör­per für die Leis­tungs­elek­tro­nik indi­vi­du­ell für das ent­spre­chen­de Sys­tem ent­wi­ckelt. Das ergibt Sinn, da somit die best­mög­li­che Per­for­mance erreicht wer­den kann. Durch moder­ne CAE-Metho­den im Bereich der Ther­mo­si­mu­la­ti­on, die wir bei Cool Tec Elec­tro­nic anwen­den, spart man mit­hil­fe eines auf ite­ra­ti­ven und vir­tu­el­len Ver­fah­ren auf­bau­en­den Ent­wick­lungs­pro­zes­ses nicht nur Zeit, son­dern redu­zie­ren auch Kos­ten. Ins­be­son­de­re, da der Auf­bau meh­re­rer Pro­to­ty­pen obso­let wird.  

In vie­len Fäl­len, in denen bereits Sys­te­me im Seri­en­zu­stand lau­fen und es um Wei­ter­ent­wick­lun­gen oder Rede­signs geht, soll­te das bestehen­de Sys­tem mit­hil­fe einer Ther­mo­si­mu­la­ti­on über­prüft und wei­ter­ent­wi­ckelt wer­den. Ins­be­son­de­re in Bezug auf die anlie­gen­den Tem­pe­ra­tu­ren der elek­tro­ni­schen Bau­tei­le, um deren Lebens­dau­er zu stei­gern.  

Autor: Benedikt Lausberg

Veröffentlicht am 20.10.2022

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