Gekühlte Getränke sind herrlich erfrischend. Auch elektronischen Systemen dürstet es nach einer Abkühlung, damit sie nicht überlasten.

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Elektronik-Entwärmung So finden Sie Ihr optimales Kühlkonzept durch thermische Simulation

09.09.2020

Der Trend zu mehr Leistung auf weniger Bauraum bringt einen unangenehmen Nebeneffekt mit sich: Durch die höhere Verlustleistung entsteht mehr Wärme, die abgeführt werden muss. Wie Sie ein geeignetes Kühlkonzept auswählen und wie Ihnen thermische Simulation dabei behilflich sein kann.

Der Auswahl eines geeigneten Kühlkonzepts kommt bei der Entwicklung neuer Technologien und Geräte eine immense Bedeutung zu. Gefragt sind leistungsstarke Kühlkonzepte, die passgenau auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt sind. Nur so lässt sich eine thermische Überbelastung der empfindlichen Bauteile vermeiden, die Fehlfunktionen und einen frühzeitigen Ausfall nach sich zieht.

Passiv oder aktiv: Die Anwendung entscheidet

Welcher Kühlkörper zu welcher Anwendung passt, hängt in erster Linie von den Einbauverhältnissen sowie der Verlustleistung des zu kühlenden Bauteils ab. Zur Wahl stehen passive und aktive Kühlsysteme.

Ein passiver Kühlkörper führt die Wärme vorrangig durch Konvektion ab. Die erwärmte Umgebungsluft steigt auf und lässt kühlere Luft nachströmen. Entscheidend dafür sind eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials, eine große Oberfläche und ein ausreichend großer Abstand zwischen den Kühlrippen des Kühlelements. Grundsätzlich gilt: Wann immer Bauraum und Verlustleistung es erlauben, sollte aus Gründen der Langzeitzuverlässigkeit und Kosten die Wahl auf eine passive und damit lautlose Kühllösung fallen.

Das Produktportfolio von CTX Thermal Solutions in diesem Bereich umfasst mehrere Modelle in den unterschiedlichsten Formen und Varianten. Kühlkörper aus Aluminium-Stranggussprofilen zählen zu den Klassikern unter den passiven Elektronikkühllösungen. Sie leiten große Wärmemengen zuverlässig ab, sichern den stabilen Betrieb der Bauteile und erhöhen deren Lebensdauer.

Ebenso arbeiten die CTX-Kühlkörper für SMD-Bauelemente nach diesem Prinzip. Sie ermöglichen eine sehr dichte, auch beidseitige Bestückung von Leiterplatten und tragen durch ihren geringen Platzbedarf zur Miniaturisierung der Geräte bei.

Erzwungene Kühlung: Effizienz steigern

Wo passive Kühlkörper an ihre Grenzen stoßen, rücken aktive Kühllösungen in den Vordergrund. Die Entwärmung mit kleinformatigen Lüftern und Gebläsen ist leistungsstärker als die freie Konvektion. Die Lüfter und Gebläse lassen sich sowohl alleinstehend als auch in Kombination mit einem Kühlkörper nutzen, um die entstehende Wärme forciert abzuführen.

Solche Lösungen arbeiten bei gleicher Masse etwa sechsmal so effektiv wie ihre passiven Pendants. Entsprechend kompakt können sie gebaut werden. Die Königsklasse der aktiven Kühlung sind Flüssigkeitskühler. Mit ihrer Hilfe lassen sich Kühlkreisläufe realisieren, in denen Fluide wie Wasser, Öl, Alkohol oder auch bestimmte Gase zur Kühlung dienen. Hierbei erfolgt die Wärmeableitung direkt am elektronischen Bauteil, welches sich auf dem flüssigkeitsdurchströmten Kühlelement befindet.

Bei diesem wärmetechnischen Konzept überzeugt die Effizienz: Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen lassen sich 15 bis 25 Prozent mehr Wärme ableiten. Ein weiteres Plus: Flüssigkeitskühlkörper kommen mit einer sehr geringen Übertragungsfläche aus und sind daher kompakt. Eine typische Anwendung ist die Kühlung moderner Hochleistungs-IGBT-Module durch Ultra-Hochleistungskühlkörper. Bei dieser Variante leiten breite und in eine Aluminiumplatte eingelassene Kupferrohre die Hitze aus dem Bauelement schnell ab.

Der richtige Werkstoff: Aluminium oder Kupfer?

Auch Faktoren wie Material und Format spielen bei der Auswahl des passenden Kühlkörpers eine zentrale Rolle. Die thermische Leistung ergibt sich aus der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials, der Größe der Oberfläche und der Masse des Kühlkörpers.

Aluminium zeichnet sich durch sein geringes Gewicht bei guter Wärmeleitfähigkeit aus. Mittels Umformung im Extrusionsverfahren wird die Geometrie der Kühlkörper optimiert und den Erfordernissen angepasst. Eine zusätzliche Oberflächenveredlung, beispielsweise durch Eloxieren, verbessert die Wärmeabstrahlung der Kühlkörper nochmals.

Als Alternative steht Kupfer zur Auswahl. Die deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit des Kupfers führt innerhalb des Kühlkörpers zu einer schnellen und optimalen Wärmeverteilung – allerdings auf Kosten eines höheren Preises. Um die Kosten gering zu halten, kombiniert CTX beide Materialien und setzt Kupfer nur am sogenannten Hotspot ein, der Stelle mit der höchsten Verlustleistung. Der überwiegende Teil des Kühlkörpers besteht dagegen aus Aluminium.

Für Embedded-Systeme: kompakte Kühlkörper

Wenn es besonders klein sein muss, kommen Embedded-Kühlkörper zum Einsatz – je nach Anforderungen passiv oder aktiv. Speziell für Embedded-Systeme und Industriecomputer bietet CTX passgenaue und CNC-gefertigte Lösungen zur schnellen und zuverlässigen Wärmeabfuhr.

Das Angebot umfasst Kühlkörper mit Kupfer-Inlay zur direkten Installation am Hotspot sowie Heatspreader-Lösungen mit integrierten Heatpipes sowie Lüftern. Ebenso erhältlich sind komplette Sets, bestehend aus Kühlkörper, Isolierungen, Montagebolzen sowie projektspezifischen Gehäusen.

Nicht weniger effizient und kompakt sind die Hochleistungskühlkörper von CTX. Die modular aufgebauten hartgelöteten Aluminiumrippenkühlkörper sind ideal für eine Lüfter-gestützte Kühlung. Da beim Hartverlöten die Molekularstrukturen der einzelnen Module bei hohen Temperaturen miteinander vernetzt werden, treten bei ihnen nur minimale Übergangswiderstände zwischen den einzelnen Kühlkörperkomponenten auf. Damit verfügen die Hochleistungskühlkörper über die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40 Prozent leichter und kompakter. Sie lassen sich in fast allen Bereichen der Industrie einsetzen, selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch.

Thermische Simulation: Passgenau kühlen

Ist eine Standardlösung nicht die optimale Wahl, entwickelt CTX zusammen mit dem Konstrukteur den passenden Kühlkörper. Wie dieser im Detail auszulegen ist und wie die Lüfter dimensioniert sein müssen, legt eine thermische Simulation fest. Mit diesem analytischen Prozess lässt sich der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils im Vorfeld berechnen.

Voraussetzung ist die Eingabe definierter thermodynamischer Randbedingungen. Dazu gehören zum einen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements mit Bemaßung und Position des Hotspots, also des Moduls, Chips oder Ähnlichem, an dem die Verlustleistung auftritt. Dazu kommen geometrische Einschränkungen, wie etwa der zur Verfügung stehende Platz, sowie die für einen optimalen Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur.

Ob das zu kühlende Bauteil in einem Büro bei maximal 25 °C, in einem Kühlhaus bei -40 °C oder bei Arbeitstemperaturen von 70 °C beispielsweise in der Nähe von Motoren oder Lichtquellen zum Einsatz kommt, ist eine entscheidende Information. Denn die Differenz zwischen Umgebungs- und Komponententemperatur, das ΔT, fließt ebenfalls in die Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers ein.

Dieser Wärmewiderstand Rth ist die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements und maßgeblich für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers. Der Wert gibt an, wie viel Grad Temperaturdifferenz in Kelvin erforderlich sind, um die Wärmeleistung von 1 W zu übertragen. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung.

Früherkennung von Problemen: Kosten sparen

Speziell bei der Entwicklung eines Produkts kann eine solche thermische Simulation dazu beitragen, thermische Probleme frühzeitig zu erkennen. Zudem trägt sie durch die Optimierung des Kühlkörperdesigns maßgeblich zur Einsparung von Kühlkörpermaterial und -gewicht bei.

Stellt sich beispielsweise heraus, dass durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, des verwendeten Materials oder der Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden kann, spart dies in nicht unerheblichem Maß Material- und Fertigungskosten. Mit geeigneten Materialalternativen und Fertigungsmethoden, wie bei hohen Stückzahlen dem Druckguss statt einer CNC-Bearbeitung, lassen sich ebenfalls mit applikationsspezifischen Lösungen die Kosten reduzieren.

Ein weiterer Vorteil: Durch die thermische Simulation entfällt in der Regel der kostspielige Part der Prototypenfertigung oder er wird reduziert. CTX erzielt nicht zuletzt deswegen aktuell den überwiegenden Teil des Kühlkörpergeschäfts mit projekt- und applikationsspezifischen Produkten.

Bildergalerie

  • CTX bietet applikationsspezifische Kühlkörper für die unterschiedlichsten Anwendungen.

    Bild: Detmar Schmoll, Studio B Bremen

  • Maximale Wärmeableitung garantieren vollständig aus Kupfer gefertigte Kühlkörper mit Heatpipes.

    Bild: Detmar Schmoll, Studio B Bremen

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