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Wärmemanagement Flüssigkeits-Kühlsysteme für Leistungshalbleiter

| Redakteur: Kristin Rinortner

Die derzeit eingesetzten Lüftersysteme reichen bei Weitem nicht mehr aus, um Leistungshalbleiter wie IGBT effizient zu kühlen. Eine Alternative bieten hier Flüssigkeitskühler.

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Betrachtet man das Wärmemanagement von Leistungshalbleitern aus Sicht der Physik, so bietet sich natürlich ein Vergleich des Wärmeübergangskoeffizienten an. Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt hierbei die Fähigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, Energie von der Oberfläche eines Stoffes abzuführen bzw. an die Oberfläche abzugeben.

Er ist im Gegensatz zur Wärmeleitfähigkeit keine Materialkonstante sondern stark abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Art der Strömung (laminar oder turbulent) des umgebenden Fluids.

Beim Kühlmedium Luft beträgt der Wärmeübergangskoeffizient 5 bis 500 W/m²K, je nach Bauart der Konstruktion. Beim Kühlmedium Wasser haben wir einen Wert von 500 bis zu 5000 W/m²K bei einer stark turbulenten Strömung.

Dies bedeutet, dass man bei Flüssigkeiten einen um den Faktor 10 besseren Übergang zum Kühlmedium hat als bei Luft. Der Wärmetransport durch Luft erscheint somit bei Hochleistungsmodulen als nicht besonders gut geeignet.

Demzufolge sollte man, wenn sich die Möglichkeit bietet, den Umstieg wagen und Flüssigkeitskühlung einsetzen.

Aber nicht jede Bauart von Flüssigkeitskühlern erfüllt die Anforderungen eines leistungsfähigen Kühlsystems. Als erste Überlegung bei der Dimensionierung von Flüssigkeitskühlern sollte man prüfen, welche Art von Kühlflüssigkeit eingesetzt werden kann.

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Auswahl-Checkliste
  • Welche Kühlflüssigkeit steht zur Verfügung?
  • Danach richtet sich die Materialauswahl für die Kühlkanäle.
  • Welcher Platz steht zur Verfügung?
  • Wie kann das Kühlmittel zugeführt werden?
  • Danach richtet sich die Auswahl der Anschlussarmaturen
  • Welche Verlustleistung soll abgeführt werden?
  • Wo liegen die Hot Spots?
  • Danach richtet sich die Strömungsführung.
  • Welche Temperaturverhältnisse herrschen?
  • Umgebungstemperatur, Temperatur auf der Montagefläche, Vorlauftemperatur der Kühlflüssigkeit.
  • Welcher Druckabfall ist zulässig?
  • Wie groß ist die Durchflussmenge an Kühlflüssigkeit in Liter pro Minute.
  • Danach richtet sich der Wärmewiderstand des gesamten Systems.
  • Oberfläche? Bohrbild?

Die verschiedenen Kühlflüssigkeiten haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Korrosionseigenschaften der Kühlkanäle. So sollte zum Beispiel sehr aggressives deionisiertes Wasser nach Möglichkeit nicht in Aluminiumkühlkanälen eingesetzt werden. Innerhalb kürzester Zeit kann das aggressive Kühlmedium zu Undichtigkeiten führen und Lochfraß im Aluminium erzeugen. Als Alternative bieten sich hier Kühlkanäle aus Edelstahl an.

Am weitesten verbreitet sind jedoch Kühlkanäle aus Kupfer, da meist Leitungswasser als Kühlmedium eingesetzt wird. Kupfer ist beim Einsatz von Leitungswasser weitgehend korrosionsbeständig und die Verfügbarkeit von Leitungswasser ist fast unbegrenzt.

Dimensionierung und Kühlflüssigkeit

Die Art der Kühlflüssigkeit bestimmt die verwendeten Materialien der Kühlkanäle bei der Konstruktion von Flüssigkeitskühlern.

Die Kühlkanäle sind meistens in einen Grundkühlkörper integriert auf dem die Bauteile montiert werden. Diese Grundkühlkörper werden in der Regel wegen des geringen Gewichtes und der relativ guten Wärmeleitfähigkeit aus Aluminium ausgeführt. Je nach Kühlflüssigkeit gibt es für die Ausführung der Kühlkanäle drei Möglichkeiten: Aluminium, Kupfer oder Edelstahl (Bild 1).

Kupfer, am häufigsten verwendet, hat eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 380 W/mK) und ist am besten geeignet, wenn als Kühlmittel Leitungswasser zur Verfügung steht.

Bei Aluminiumkanälen wird empfohlen, ein Gemisch von Wasser mit Korrosionsschutzmitteln einzusetzen. Aluminium hat eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 200 W/mK und bietet je nach Ausführung oft Vorteile hinsichtlich der Kosten.

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