Die Notwendigkeit von Elektronikkühlung

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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.  

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.  

 

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