Maßgeschneiderte Flüssigkeitskühlung mit integriertem Edelstahlrohr: Der Kunde entscheidet über Design, Größe und Geometrie.

Bild: CTX Thermal Solutions
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Elektromechanik & Verbindungstechnik Maßgeschneiderte Kühlung

14.10.2016

Moderne industrielle Hochleistungselektronik verursacht oft erhebliche Abwärme. Für Anwendungen, bei denen passive oder lüftergestützte Kühllösungen an ihre Grenzen stoßen, kommen effiziente anwendungsspezifische Flüssigkeitskühlungen zum Einsatz.

Ob im heimischen Spiele-PC oder in der modernen industriellen Hochleistungselektronik: Energiefressende Prozessoren finden in unzähligen Bereichen ihren Einsatz. Aufgrund ihrer zunehmend kompakteren Bauweise können diese Elemente immer dichter gepackt werden. Damit steigt jedoch gleichzeitig das Wärmeaufkommen und laut Expertenaussagen ist ein Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht. Um der entstehenden Abwärme Herr zu werden, sind durchdachte Kühlkonzepte notwendig. Ziel dieser Konzepte ist die Reduktion der Kühlkörpergröße und der Kosten für die Kühllösung sowie die Steigerung der Kühlkörpereffizienz bei gleichzeitig kurzer Produkteinführungszeit.

Dimensionierung des Kühlsystems

Je nach Verlustleistung kommen Kühlkörper unterschiedlicher Bauweisen zum Einsatz. So muss bei der Wahl eines geeigneten Kühlkörpers relativ früh festgelegt werden, ob das kühlende Bauteil eine passive, aktive Lüfter- oder gar Flüssigkeitskühlung erfordert. Bei relativ geringer Abwärme werden im Idealfall passive Kühlkörper eingesetzt. Diese arbeiten mit einer großen Oberfläche, über welche die Wärme lautlos abgeführt wird.

Bei erhöhter Leistungsaufnahme werden dagegen aktive Kühllösungen notwendig. Hierbei führt ein Lüfter eine definierte Luftmasse an dem Kühlkörper vorbei und führt auf diese Weise die entstehende Wärme aktiv ab. Bei gleicher Masse arbeiten aktive Kühler rund sechsmal effektiver als passive. Daher können sie kompakter gebaut werden. Der Nachteil ist allerdings die nicht vermeidbare Geräuschentwicklung. Wenn passive Systeme und selbst aktive Lüfterkühlungen an ihre Grenzen stoßen, ist der Einsatz von Flüssigkeitskühlungen sinnvoll beziehungsweise unumgänglich. Sie bilden aktuell die obere Leistungsklasse der Kühlkörpertechnik.

Flüssigkeitskühlungen arbeiten effizienter

Da Wasser eine um den Faktor 4.000 höhere spezifische Wärmekapazität als Luft aufweist, lässt sich die Abwärme mit diesem Konzept effizienter ableiten. Ein weiterer Vorteil ist, dass Flüssigkeitskühlkörper mit geringen Übertragungsflächen auskommen. Die Kühllösungen können somit kompakt gebaut werden und sprengen nicht die vorgegebenen Abmessungen der zu kühlenden Baugruppen. Eine typische Anwendung für Flüssigkeitskühlkörper sind beispielsweise Hochleistungsprozessoren. Diese produzieren auf einer wenigen Quadratzentimeter großen Fläche häufig eine Abwärme, die teilweise 100 Watt entspricht – und übertreffen damit in ihrer Wärmestromdichte die eines herkömmlichen Küchenherdes. Die Kühlkörper werden hierbei unmittelbar an den elektronischen Hochleistungselementen installiert, um die Wärme schnell abzuführen.

Ein Portfolio an effizienten Flüssigkeitskühlungen bietet CTX mit den Kühllösungen seines Partners Pada. Der italienische Kühlkörperproduzent bietet eine große Bandbreite an Aluminium- und Kupfer-Kühlsystemen. Dabei ist jede Kühltechnologie und jede Applikationsanpassung hinsichtlich
Größe oder I/O-Anbindung machbar. Eine effiziente Kühllösung ist das SuperPlate-System von Pada. Es besteht aus Zirkulationspumpe, Ausgleichsbehälter, Wärmetauscher und dem eigentlichen SuperPlate – einer Kühlplatte aus Aluminium oder Kupfer. Die Kühlplatten sind mit kernlochgebohrten oder extrudierten Kühlkanälen und mit seitlichen Verschraubungen zur Realisierung des Wasserkreislaufs versehen.

Alternativ zu den Aluminium- oder Kupfer-Kühlplatten bietet CTX auch Aluminiumplatten mit eingepresstem Kupfer- oder Edelstahlrohr an. SuperPlate kommt mit einer geringen Übertragungsoberfläche aus und verfügt über einen kompakten Aufbau. Der Hersteller unterscheidet je nach Art der verwendeten Technologie folgende Varianten: Varianten mit eingelegten Rohren, hierzu gehören Aluminium-Kühlplatten mit integrierten Kupferrohren oder integrierten Edelstahlrohren (V2A/V4A); Varianten mit integrierten Bohrungen, wozu Aluminium-Kühlplatten mit kernlochgebohrten Kühlkanälen und Kühlplatten mit gezogener Bohrung (extruded hole) gehören; und Varianten in Hartlöt-Technologie (hochtemperaturverlötetes Aluminium), also Kühlplatten mit hartgelöteten Kühlkanälen oder mit hartgelöteten Kühllamellen (mit integrierten Turbulatoren).

Kundenspezifische Kühllösung

Neben Standardlösungen gibt es auch maßgeschneiderte Kühlsysteme. Mit diesen projekt- und applikationsspezifischen Produkten erzielt das Unternehmen heute den größten Teil des Kühlkörpergeschäfts: Rund 85 Prozent der aktuell gefertigten Produkte sind kundenspezifische Maßanfertigungen. CTX konzipiert die individuelle Lösung anhand der Kundenvorstellung über Design, Größe und Geometrie für die entsprechende Applikation. Falls der Konstrukteur auf der Suche nach einer geeigneten Kühllösung noch keine konkreten Vorstellungen haben sollte, fragt CTX zunächst verschiedene Details zur Anwendung ab. Diese dienen dann als Grundlage, um eine Lösung für die spezifischen Anforderungen zu erarbeiten.

Über eine thermische Simulation wird festgelegt, wie genau der Kühlkörper für den jeweiligen Anwendungsfall konstruiert und dimensioniert werden muss. Die Simulation hilft zudem, die Entwicklungskosten so gering wie möglich zu halten und eventuelle thermische Probleme frühzeitig erkennen zu können. Durch die Optimierung des Kühlkörperdesigns unterstützt sie außerdem, Material und Gewicht einzusparen. Weiterhin lässt sich in der Regel die kostspielige Prototypenfertigung reduzieren oder sogar komplett vermeiden.

Bildergalerie

  • Aluminiumplatte mit eingepresstem Kupferrohr zur effektiven Kühlung von Hochleistungselektronik.

    Bild: CTX Thermal Solutions

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