Wärmemanagement Was die Elektronik-Kühlung auf Basis von APG bringt

Autor / Redakteur: Kevin R. Anderson * / Kristin Rinortner

Geglühter pyrolytischer Graphit ist mit seiner guten Wärmeleitung für platz- und gewichtskritische Anwendungen geeignet. Im Beitrag werden Eigenschaften und Schadensszenarien an Leistungselektronik-Komponenten untersucht.

Firmen zum Thema

Bild 1: k-Core-Technik von Thermacore [2]
Bild 1: k-Core-Technik von Thermacore [2]
(Bilder: California State University)

Um die Wärmeübertragung und Strömung in einem neuartigen Wärmetauscher bzw. einer Kühlplatte zu überprüfen, wurde für die Berechnungen die Simulationssoftware STAR-CCM+ genutzt. Die Kühlplatte wurde aus einem speziellen Werkstoff auf Graphitbasis „k-Core“ mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

Heatspreader auf Basis von k-Core ermöglichen eine hocheffiziente Wärmeableitung ohne Lüfter und sind hervorragend für Anwendungen geeignet, in denen Platz, Volumen, nahtlose Hardwareintegration und Gewicht entscheidende Anforderungen darstellen. In diesem Beitrag [1] werden Szenarien mit unterschiedlichen Werkstoffen für den Wärmetauscher ebenso untersucht wie Schadensszenarien in typischen Elektroniksystemen, um die Grenzen der konvektiven Wärmeübertragung auszuloten.

Technisch gesehen absorbieren Heatspreader die Wärme aus hitzeerzeugenden Leistungselektronik-Bauteilen und geben sie an die Umgebungsluft oder eine Kühlflüssigkeit ab. Deshalb sind sie sehr gut für raue Umgebungsbedingungen geeignet.

Für die Kühlung sehr dicht gepackter, leistungsstarker Anwendungen wie Halbleiter, Laser, Stromerzeuger oder medizinische Geräte, in denen Luftkühlung nicht ausreicht, muss eine Flüssigkeitskühlung eingesetzt werden. In diesem Artikel wird die Wärmeübertragung von Heatspreadern wie sie Thermacore [2] liefert, an einen Flüssigkeitskreislauf betrachtet (Bild 1).

In den Wärmetauschern aus Bild 1 wird verkapseltes APG (Annealed Pyrolytic Graphite – geglühter pyrolytischer Graphit) eingesetzt, in das ein Heatspreader mit einem Kühlkörper auf der einen Seite und eine Flüssigkeitskühlung auf der anderen Seite integriert sind.

Da APG die Wärme anisotrop leitet – diese ist in x- und y-Richtung sehr hoch im Verhältnis zur z-Richtung – lässt sich die Wärmeabgabe mit APG sehr genau steuern.

Das System besteht aus einem Gehäuse, in dem acht identische Untermodule möglichst platzsparend eingebaut sind. Die Untermodule sind mit jeweils zwölf Komponenten bestückt. Das Kühlsystem besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Kühlkörper, der Kühlplatte und den Kühllüftern für die Strömungskühlung. Das Gehäuse hat die Größe einer kleinen Truhe (B x L x L = 0,5 m x 1,0 m x 0,5 m).

Das Berechnungsgitter in STAR-CCM+ besteht aus unstrukturierten Polyedern mit fünf Prismenschichten, um die Grenzschicht an allen Interfaces zwischen Festkörper und Fluid aufzulösen. Ein typisches Gitter zur Strömungssimulation auf Systemebene enthielt etwa 2,5 Mio. Zellen; die jeweilige Gittergröße wurde auf Basis von Testläufen gewählt, um ein Optimum zwischen Genauigkeit und Rechenzeit zu finden.

(ID:43826342)