Flüssigkeitskühlkörper Effektives Thermo-Management für Hochleistungselektronik

Autor / Redakteur: Wilfried Schmitz * / Kristin Rinortner

Speziell auf dem Gebiet der Hochleistungselektronik stehen Kühlkörpersysteme permanent unter Zugzwang. Das stetig steigende Leistungsvermögen erfordert immer effektivere Kühltechnik.

Firmen zum Thema

Flüssigkühlung: Flüssigkeitskühlkörper, in denen Edelstahlrohre passgenau in eine Aluminiumplatte eingelassenen sind, eignen sich für den Einsatz von aggressiven Kühlmedien wie beispielsweise deionisiertem Wasser.
Flüssigkühlung: Flüssigkeitskühlkörper, in denen Edelstahlrohre passgenau in eine Aluminiumplatte eingelassenen sind, eignen sich für den Einsatz von aggressiven Kühlmedien wie beispielsweise deionisiertem Wasser.
(Bild: Contrinex | CTX Thermal Solutions)

Mit der Weiterentwicklung elektronischer Bauelemente werden diese immer kleiner bei gleichzeitig zunehmender Verlustleistung. Diese Entwicklung führt dazu, dass die Wärme in den Baugruppen überproportional ansteigt. Aufgrund ihrer Kompaktheit können diese Bauelemente zudem auf engerem Raum platziert werden, was ebenfalls das gesamte Wärmeaufkommen erhöht.

Das Wärmeaufkommen kann auf einer Fläche von 10 cm² etwa 70 bis 100 W erreichen. Damit übertreffen Hochleistungsprozessoren mit ihrer Wärmestromdichte beispielsweise jeden Küchenherd. Elektronikhersteller prognostizieren für die nächsten Jahre sogar einen weiteren Anstieg der Abwärme.

Bei solchen hohen Verlustleistungen stoßen Lüfter an ihre Grenzen. Eine Luftkühlung ließe sich hier nur noch mit unvertretbar aufwändigen und voluminösen Kühlkörpern realisieren. Daher kommen für derartige Anwendungen vor allem fluidorientierte Kühlungen mit Kühlleistungen von 25 kW zum Einsatz.

Die Idee, „kühle“ Flüssigkeiten zum Wärmetransport zu nutzen, ist nicht neu. Schließlich kann beispielsweise Wasser pro Volumeneinheit wesentlich mehr Wärme abführen als Luft, da es eine um den Faktor 4000 höhere spezifische Wärmekapazität aufweist. Daher ist bereits eine dünne Wasserleitung um ein vielfaches effektiver als eine lüfterbetriebene Kühlung.

Überdies kommen Flüssigkeitskühlkörper mit sehr geringen Übertragungsflächen aus. Sie sind daher sehr kompakt und sprengen nicht die vorgegebenen Abmessungen der zu kühlenden Baugruppen. Außerdem leiten diese Kühlsysteme den Kühlungsprozess genau dort ein, wo die Wärme entsteht: unmittelbar an den elektronischen Hochleistungselementen der Baugruppen. Dadurch werden 15 bis 25% mehr Wärme abgeleitet als bei herkömmlichen Kühlsystemen. Der Abtransport der Kühlflüssigkeit zu einem Ort, an dem die Wärme entzogen oder weiter genutzt werden kann, lässt sich einfach realisieren.

Damit bilden Flüssigkeitskühlkörper heute die obere Leistungsklasse der Kühlkörpertechnik. Mit ihrer Hilfe lassen sich Kühlkreisläufe realisieren, in denen Fluide wie Wasser, Öl, Alkohol oder auch bestimmte Gase zur Kühlung dienen.

Das Wasserkühlkörpersystem Superplate

CTX Thermal Solutions und der Kühlkörperspezialist Pada tragen mit dem Flüssigkeitskühlkörpersystem Superplate, das mit reiner Wasserkühlung arbeitet, den aufgeführten Aspekten Rechnung. Die Superplate-Hochleistungskühlkörper sind in der Lage, mit der permanenten Weiterentwicklung auf dem Sektor der IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistor) und anderer elektronischer Leistungsmodule Schritt zu halten.

Sie bieten eine kostengünstige Lösung zur konzentrierten, effektiven Wärmeabfuhr bei Leistungshalbleitern und genügen den Richtlinien IEC 77. Darüber hinaus verursacht das System weder Geräusche noch Vibrationen.

Bildergalerie

Das System setzt sich aus einzelnen Komponenten zusammen, die sich einfach zu einem typischen Kühlsystem montieren lassen. Dieses besteht aus einer Zirkulationspumpe, einem Ausgleichsbehälter, einem Wärmetauscher und dem eigentlichen Superplate, einer Kühlplatte aus Aluminium oder Kupfer.

Dabei unterscheidet CTX Thermal Solutions zwischen drei grundsätzlichen Varianten von Flüssigkeitskühlkörpersystemen: Zum einen stehen Kühlplatten aus Aluminium (AlMgSi 0,5) oder Kupfer zur Verfügung. Sie sind mit kernlochgebohrten oder extrudierten Kühlkanälen ausgestattet sowie mit seitlichen Verschraubungen, die der Realisierung des Wasserkreislaufs dienen. Zudem gibt es Aluminiumplatten mit eingepresstem Kupferrohr oder solche mit Edelstahlrohr. Welche Rohre integriert werden, hängt zum Teil vom eingesetzten Kühlfluid ab. So ist es beispielsweise sinnvoll, bei aggressiven Medien Edelstahlrohre (V2A/V4A) zu verwenden.

Die Rohrbögen liegen in Größenordnungen von 30,5 bis 90 mm und können wahlweise innerhalb oder außerhalb der Platten liegen. Entsprechende Verbindungselemente wie Krümmer in verschiedenen Radien sowie unterschiedliche Anschlüsse stehen zur Verfügung.

Die Kühlleitungen werden in exakt gefräste, u-förmige Nuten auf der jeweiligen Kühlplattenfläche eingepresst. Ein Spezialkleber aus leitendem Harz schließt mögliche thermische oder mechanische Unterbrechungen und damit eine Beeinträchtigung der Wärmeableitung aus. Für einen idealen Sitz der Rohre sind alle Auflageflächen der Platten mit seitlichen Löchern passend gefräst.

Auf diese Weise wird eine Ebenheit von 0,01 mm/150 mm und eine Rauheit von Ra <1,2 μm erzielt. Die Verbindungen berücksichtigen die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe und bilden einen außerordentlich guten Wärmekontakt. Sie liegen absolut dicht auf und besitzen eine sehr hohe Lebensdauer.

(ID:40111760)