Entwärmung mit Luft und Wasser

Spezial Industrieelektronik

Entwärmung – Neben Vibrationen, Staub und Feuchtigkeit können thermische Belastungen die Funktion und Lebensdauer elektronischer Bauelemente und Systeme beeinträchtigen. Unzureichende Methoden der Entwärmung verursachen vermeidbare Ausfälle und sorgen für Ärger bei den Anwendern.

16. Februar 2017

Zu viel Wärme ist für elektronische Komponenten Gift. Doch die Entstehung thermischer Belastungen lässt sich aufgrund physikalischer Vorgänge nicht vermeiden.

Wird in einer Halbleiterschicht aufgrund des Stromflusses eine Verlustleistung erzeugt, entsteht gleichzeitig eine sogenannte Verlustwärme. Je häufiger geschaltet wird, desto höher ist die Wärmemenge. Der Betrieb der elektronischen Komponenten in dem vom Hersteller vorgegebenen Temperaturbereich ist allerdings zwingend erforderlich, um eine langfristige und sichere Funktion des Halbleiters zu garantieren.

Steigen die abzuführenden Verlustleistungen, beziehungsweise sind diese mit Hilfe der freien Konvektion durch klassische Strangkühlkörper nicht mehr zu bewerkstelligen, dann ist die Verwendung einer aktiven Entwärmung mittels Lüftermotoren oder einer Flüssigkeitskühlung oftmals erforderlich.

Aktiv entwärmen

Verschiedenartige Lüfteraggregate, bestehend aus einem Aluminiumkörper und Lüftermotor, bieten zur Wärmeabfuhr größerer thermischer Verlustleistungen zahlreiche Vorteile und sind in ihrer Wirkungsweise sehr effizient. Die jeweiligen unterschiedlichen Konzeptionen der Aluminiumbasisprofile sowie die dazugehörige Geometrie der Wärmetauschflächen sind jeweils spezifisch auf einen entsprechenden Lüftermotor und dessen Leistungskennlinie abgestimmt. Forcierte Entwärmungskonzepte basieren ebenfalls wie klassische Strangkühlkörper auf dem Prinzip des konvektiven Wärmeübergangs.

Durch die Lüftermotoren wird allerdings ein kräftiger Luftstrom erzeugt, welcher in gerichteter Form mit laminarer Strömung durch eine Wärmetauschstruktur hindurch geleitet wird. Strömungsoptimierte kannelierte Hohlrippen bilden die innere Wärmetauschstruktur der Hochleistungslüfteraggregate. Die kannelierte Oberflächenstruktur mit kleinen Rippen ergibt eine vergrößerte Oberfläche und infolgedessen eine zusätzliche Wirkungsgradverbesserung gegenüber einfachen Glattrippen.

Der wesentliche Unterschied liegt in den zu erzielenden Wärmeübergängen, welche bei einfachen Glattrippen zur durchströmenden Luft relativ gering sind. Die sich einstellende laminare Luftströmung ist nicht ausreichend, um die durch das Aluminiumprofil aufgenommene Wärme abzuführen. Im Gegensatz hierzu wird durch fein strukturierte Rippenoberflächen eine mehr turbulente Luftströmung erzeugt, wodurch ein besserer Wärmeübergang von den Rippen zur Luft erreicht wird. Die Kombination aus vergrößerter Wärmetauschfläche und erhöhter Turbulenz verbessern die Wärmeabfuhr deutlich, erfordern von den Lüftermotorenherstellern allerdings leistungsstarke Lüfterkonzepte, die dem aufgrund der zunehmenden Turbulenz steigenden Staudruck entgegenwirken.

Die Lüfterleistungen der häufig verwendeten Axial- und Diagonallüftermotoren müssen durch den Einsatz leistungsstarker Radiallüftermotoren den Volumenstrom und Staudruck deutlich steigern.

Bei diesem Lüfterprinzip wird die Luft seitlich, radial angesaugt und um 90 Grad umgelenkt in Richtung der Wärmetauschstruktur ausgeströmt.

Die großvolumigen Hochleistungslüfteraggregate mit Radiallüftermotoren besitzen wesentlich größere Abmessungen und können sich besonders in der Aggregatlänge recht deutlich von den Systemen mit den weniger druckstarken Lüftermotoren unterscheiden.

Luftfördermengen der Radiallüftermotoren bis zu 1.400 Kubikmeter pro Stunde bewirken in perfekter Abstimmung mit dem dazugehörigen Aluminiumbasisprofil, kleinste Wärmewiderstände von weniger als 0,015 Kelvin pro Watt.

Elektronik mit Wasser kühlen

Flüssigkeitskühlkörper zur Entwärmung besonders leistungsstarker Halbleiterbauelemente liefern bei etlichen technischen Anwendungen eine Alternative zur der bereits genannten Luftkühlung. Das gilt besonders, wenn sich in der Applikation das benötige große Volumen, der zur Verfügung stehende Einbauraum, das relative hohe Gewicht und die starke Geräuschentwicklung der aktiven Kühlung problematisch auswirken.

Elektronik mittels Flüssigkeiten zu entwärmen, wird von vielen Anwendern allerdings immer noch kritisch beäugt, wenn gleich sich Elektronik und Wasser aufgrund der hohen Verarbeitungsqualität problemlos vertragen. Spezielle Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung, verschiedene Kopplungssysteme sowie auch sicherheitsgeprüfte Schlauchsysteme sind heute technischer Standard. Physikalisch und auch wärmetechnisch gesehen liefern Flüssigkeitskühlkörper in Verbindung mit dem Kühlmedium Wasser oder Öl ausgezeichnete und sehr leistungsfähige Entwärmungskonzepte. So ist die spezifische Wärmekapazität von Wasser rund viermal größer als die von Luft. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Flüssigkeitskühlkörper sehr kompakt am zu kühlenden Halbleiter gebaut werden können, da sie keine großen Wärmespreizflächen benötigen. Die Entwärmung findet hierbei direkt am Bauteil statt.

Die modernen Flüssigkeitskühlkörper von heute sind komplett aus Aluminium gefertigt, mit verschiedenen Anschlusstechnologien versehen und besitzen eine interne, dreidimensionale Wärmetauschstruktur.

Diese zueinander versetzte Lamellenstruktur ist wärmeleitend mit der Basis- und Bauteilmontageplatte verbunden und sorgt für einen sehr guten Wärmetransport von dem zu kühlenden Bauteil in die durchströmende Flüssigkeit. Ebenfalls im Gegensatz zu üblichen verschiedenartigen eingesetzten Rohrsystemen wird durch die versetzte Wärmetauschstruktur eine homogene und flächige Durchströmung des Flüssigkeitskühlkörpers erreicht und die entstehenden Strömungsverluste minimiert.

Exakt plangefräste, dicke Halbleitermontageflächen dienen dabei zur Befestigung wärmeemittierender Bauelemente und erlauben darüber hinaus eine freie Platzierung der Bauteile ohne eine Beschränkung durch eventuell störende Rohrleitungen. Einzubringende Gewindetiefen von bis zu sieben Millimetern gewährleisten, wahlweise auch mit Helicoil-Inserts, die geforderten Anzugsdrehmomente der Halbleiterhersteller.

Spezieller Rückkühler

Um eine Auflösung von Aluminiummaterialien durch Lochfraßkorrosion wirksam zu vermeiden, muss das Kühlmedium Wasser mit Korrosionsinhibitoren, also mit Kühlschutzmitteln vermischt werden. Dabei wird seitens der Hersteller in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch von mindestens 60:40 empfohlen, oftmals kommt in der Praxis sogar ein Mischungsverhältnis von 50:50 zum Einsatz.

Das notwendige Rückkühlsystem, um die durch die Halbleiter erwärmte Flüssigkeit im Kühlkreislauf in der Temperatur zu senken, besteht aus einem speziellen Rückkühler mit flüssigkeitsführendem Rohrsystem, welches den eigentlichen Wärmetauscher darstellt sowie einem leistungsstarken Lüftermotor, der die Kühlluft durch die integrierten Wärmetauschlamellen drückt.

Eine Pumpe, die den Flüssigkeitskreislauf aufrechterhält, sowie das verbindende Schlauchsystem aus einem geeigneten kühlmittelbeständigen Material, zum Beispiel EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk), komplettieren das Rückkühlsystem. Aufgrund der vierfach höheren Wärmekapazität des Wassers gegenüber der Luft ist die Flüssigkeitskühlung als Entwärmungskonzept überragend und bei einer Reihe von Anwendungen überlegenswert. us

Auf einen Blick

Fischer Elektronik ist auf die Herstellung von korrosions- und kratzgeschützten Kühlkörpern, Aluminium-Gehäusen und Steckverbindern spezialisiert.

Eine weitere Kernkompetenz sind Konzepte für Halbleitererwärmer.

• Beschäftigte: ca. 380 Mitarbeiter

• Jahreserlös: über 40 Millionen Euro

• Exportanteil: über 30-35 Prozent

• Exportländer: 91

Erschienen in Ausgabe: 01/2017