Wärmemanagement

Wie sieht der ideale Kühlkörper aus?

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Die richtige Ausrichtung des Kühlkörpers

Die Ausrichtung des Kühlkörpers sollte schon vor dessen Auslegung feststehen, da diese bei der Berechnung mit einfließen sollte. Die effektivste Entwärmung kann gewährleistet werden, wenn die Kühlrippen parallel zur Luftströmung, also parallel zur Gravitation, ausgerichtet werden. Dies begünstigt den sogenannten Kamineffekt. Hierbei gibt die Oberfläche des Kühlkörpers Wärme an die umgebende Luft ab, eine natürliche Konvektion entsteht.

Aufgrund des Dichteunterschieds von kalter zu warmer Luft (warme Luft ist leichter als kalte) steigt warme Luft nach oben. Bei einer nach unten geöffneten Rippenanordnung wird kalte Luft von unten angesaugt (Bild 2). Der Temperaturunterschied ist so immer möglichst groß und der Kühlkörper arbeitet am effektivsten. Bei einer Drehung des Kühlkörpers um 90° wird ebenfalls Wärme abgeleitet, aber nicht mehr so effizient. Die warme Luft wird dabei von den oben liegenden Kühlrippen blockiert und kann nicht nach oben strömen. Zusätzlich kann keine kalte Luft von unten angesaugt werden. Wenn keine Ausrichtung des Kühlkörpers im Vorfeld festgelegt werden kann, z.B. bei einer Anwendung, die in unterschiedlichen Positionen erfolgt, ist immer vom Worst Case auszugehen.

Bei einer erzwungenen Konvektion, typischerweise durch die Verwendung von Lüftermotoren, spielt die Ausrichtung des Kühlkörpers eine untergeordnete Rolle. Die induzierte Luft hat eine höhere Geschwindigkeit als die der natürlichen Konvektion. Die natürliche Konvektion wird überlagert und somit ist die Ausrichtung unwichtig.

Der Rippenabstand und die Rippenhöhe

Die Formeln für die Wärmeleitung und die Wärmestrahlung zeigen, dass eine möglichst große Oberfläche des Kühlkörpers einen positiven Einfluss auf die Wärmeübertragung hat. Dies stimmt bis zu einem gewissen Grad, aber auch die Rippenhöhe und der Rippenabstand müssen mit betrachtet werden. Eine Überlagerung der Grenzschichten (Bild 3) kann sich bei einem zu geringen Rippenabstand negativ auf die Konvektion und somit auf die Entwärmung auswirken.

Eine zu hohe Rippenhöhe ist ab einem bestimmten Punkt nicht mehr sinnvoll, da die Wärme nicht mehr in die Rippenspitzen übertragen werden kann und dieser Raum als „verschenkt“ betrachtet werden kann. Bei der Konstruktion ist es somit wichtig, das perfekte Gleichgewicht zwischen Rippenabstand, Rippenhöhe und der Kühlkörperoberfläche zu finden.

Bei der Entwicklung und Konstruktion von Kühlkörpern müssen die Vor- und Nachteile der verschiedenen Faktoren berücksichtigt werden. Die verschiedenen Herstellverfahren und Werkstoffe eröffnen die Möglichkeit, für jede der zahlreichen Anwendungen in der Elektronik den passenden Kühlkörper herzustellen und zu bearbeiten.

Neben ihrer Erfahrung nutzen die Kühlkörperhersteller bei der Kühlkörperentwicklung eine computergestützte Wärmesimulation (CFD), um das effizienteste Kühlkörperdesign zu finden.

* Dipl.-Ing. (FH) Jeannine Schmidt ist als Entwicklungsingenieurin bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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