Vernachlässige den Rth-Wert bei der Auswahl deiner Kühlkörper

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Vergiss den Rth-Wert bei der Auswahl deiner Kühllösung. 

Bei der Auswahl eines Kühlkörpers für dein System gibt es einiges zu beachten. Wenn du beispielsweise nach „Auswahl Kühlkörper“ suchst, wirst du mit Sicherheit auf folgenden oder ähnlichen Satz stoßen:  

„Der Wärmewiderstand ist eine wichtige Kennzahl bei der Auswahl eines Kühlkörpers.“ 

Das sehen wir anders! In diesem Artikel möchten wir dir zeigen, warum wir anderer Meinung sind und weshalb der Rth-Wert wenig aussagekräftig ist. Das gilt sowohl für Luftkühlkörper als auch für Flüssigkeitskühlkörper. Deshalb sprechen wir im Folgenden allgemein von Kühlkörpern. 

Keine Norm zur Ermittlung des Wärmewiderstands von Kühlkörpern. 

Ein großes Problem bei den angegebenen Werten für Wärmewiderstände von Kühlkörpern für Elektronik liegt darin, dass keine Norm zur Bestimmung (weder Berechnung noch Messung) existiert. Das führt dazu, dass jeder Hersteller die Wärmewiderstände seiner Kühlkörper auf unterschiedlicher Weise bestimmen kann, wodurch ein schlechter, bis gar kein Vergleich zwischen den Kühlkörpern möglich ist. Vor allem bei der Berechnung des Wärmewiderstands eines Kühlkörpers kann man mit einer geschickten Wahl der Bezugsgrößen diesen sehr leicht optimieren und so Werte vorgeben, die der Kühlkörper in der Realität nie erreicht. 

Komplexe Probleme lassen sich nicht auf eine Kennzahl reduzieren.

Anhand eines simplen Beispiels soll im Folgenden gezeigt werden, dass man den Rth-Wert durch geschickte Wahl der Bezugsgrößen ganz einfach zu seinem Vorteil bestimmen kann. Dies soll für einen Luftkühler geschehen. 

Bespiel Luftkühler: 

Angenommen wird ein simpler Profilkühlkörper aus Aluminium, welcher mit natürlicher Konvektion arbeitet. Eine Verlustwärmequelle von 100 W wird am Boden des Kühlkörpers vorgesehen. Die Umgebungstemperatur beträgt 20 °C. Diese Konfiguration stellt die Vergleichsbasis dar. 

Der Wärmewiderstand ergibt sich durch die Formel: 

Rth= Δ TQ.= TKühlkörperTUmgebungPVerlust

Bereits bei der Betrachtung der Formel erkennt man, dass die Kühltemperatur den Rth-Wert direkt beeinflusst. Aber welche Temperatur setze ich hier ein? Ich, als Kühlkörperhersteller, wähle natürlich die niedrigste Temperatur und setze sie ein, um den thermischen Widerstand so klein wie möglich zu machen.  

Es gibt sehr viele Möglichkeiten die Kühlkörpertemperatur zu beeinflussen. Einige Beispiele für einen Profilkühlkörper: 

  • Ort der Temperaturmessung 
  • Verwendung von Wärmeleitpaste (verringerte Kontaktwiderstände) 
  • Gleiche Verlustleistung auf größere Fläche verteilen 
  • Einbaulage 
  • Oberflächenbeschaffenheit (Wärmestrahlung)

Für einen Flüssigkeitskühler ist die Berechnung sehr ähnlich. Hier wird der Wärmestrom allerdings durch die strömende Flüssigkeit abgeführt. Die Bestimmung des Rth-Werts eines Flüssigkeitskühlers ist ebenfalls nicht genormt, weshalb man diesen, ähnlich wie im vorherigen Beispiel gezeigt, durch die geschickte Wahl der Bezugsgrößen positiv beeinflussen kann:

Einige Beispiele zur Beeinflussung der Temperatur eines Flüssigkeitskühlers: 

  • Ort der Temperaturmessung 
  • Verwendung von Wärmeleitpaste (verringerte Kontaktwiderstände) 
  • Gleiche Verlustleistung auf größere Fläche verteilen 

Das Beispiel hat gezeigt, dass für identische Kühlkörper unterschiedliche Wärmewiderstände ermittelt werden können, einfach durch eine geschickte Wahl der Bezugsgrößen. Deshalb ist ein Vergleich verschiedener Kühlkörper, vor allem zwischen verschiedenen Herstellern, sehr schwierig bis nicht möglich. Die angegebenen Rth-Werte geben immer nur einen sehr groben Anhaltswert, welcher auch nur für eine bestimmte Konfiguration (Einbaulage, Position und Verteilung der Verlustleistung, etc.) genau ist. 

Die Randbedingungen sind in der Anwendung (fast) immer unterschiedlich  

In fast jedem Projekt unterscheiden sich die Umgebungs- und Randbedingungen, was einen Vergleich schwer möglich macht. Was folgt daraus für mich als Anwender oder Entwickler beziehungsweise wie kann ich abschätzen, wie leistungsfähig mein Thermomanagementsystem sein wird?  

Mittels Thermosimulationen können alle relevanten thermischen Einflüsse abgebildet und simuliert werden. Dank unserer langjährigen Erfahrung bei Cool Tec Electronic können wir schnell die Realisierbarkeit abschätzen und Ihnen gute Vergleiche verschiedener Alternativen bieten. Dabei haben wir auch immer den Kosten-Nutzen-Faktor im Blick. Egal ob für dich eine Luft- oder Wasserkühlung in Frage kommt, können wir diese Arten der Kühlung simulativ abbilden. 

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