Effektives Thermo-Management für Hochleistungselektronik

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Am häufigsten kommen Kupferrohre mit einem Außendurchmesser von 10 mm und einer Wandungsdicke von 1 mm zum Einsatz. Die verwendeten Platten bestehen meist aus Aluminium mit Dicken von 15 bis 20 mm. Die Frage, welches Material sich für die jeweilige Kühllösung am besten eignet, sollte nicht allein der Preis entscheiden, auch Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und diverse Einsatzkriterien müssen berücksichtigt werden.

Denn auch wenn Aluminium preisgünstiger ist als Kupfer oder Edelstahl, bei sogenannten Wärmenestern bietet sich Kupfer als der bessere Leiter an – trotz des dreifach höheren Gewichts. Kupfer kommt auch dann zum Einsatz, wenn sich die Verwendung von Aluminium aus Korrosionsgründen ausschließt. Bei Kühllösungen mit deionisiertem Wasser finden dagegen besser Edelstahllegierungen Verwendung. Statt Wasser können übrigens auch andere Flüssigkeiten bis zu einem garantierten Druck von 10 bar verwendet werden.

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(Bild: Contrinex | CTX Thermal Solutions)

Kombinationsvielfalt durch flexible Standards

Um die Fertigung der wassergekühlten Platten schnell und kostengünstig zu realisieren, wurden die Materialien weitestgehend standardisiert, ebenso die Geometrie der auf Lager befindlichen Rohre.

Die Standardelemente kommen einzeln oder zusammen mit den passenden, praxisgerechten Verbindungen zum Einsatz. Das Flüssigkeitskühlkörpersystem Superplate ist entsprechend der kundenspezifischen Belange in verschiedenen Abmessungen und Konfigurationen verfügbar.

So können werkseitig spezielle Anschlüsse zur Montage vorgesehen werden. Ebenso ist es möglich, auf Kundenwunsch 1/4-, 1/2- oder 3/4-Zoll-GAS-Verbindungen an die 10-mm-Rohrendungen anzulöten. Darüber hinaus sind alle gängigen Innen- und Außengewindeanschlüsse erhältlich.

Um den individuellen Anforderungen maximal zu entsprechen, kann ein solches Kühlsystem mit Kanälen in Parallel-, Reihen- und gemischter Ausführung ausgelegt werden.

Thermische Simulation optimiert Kühlkörperauslegung

Ein Optimum der angestrebten Kühlung innerhalb gegebener räumlicher Grenzen und unter thermischen Vorgaben kann durch eine Simulation erreicht werden.

Das Unternehmen aus Nettetal bietet Interessenten generell im Vorfeld eine Wärmesimulation an, die mit entsprechenden Softwareprogrammen unter anderem Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturdifferenzen ermittelt. Auf diesem Wege lässt sich eine exakte Auslegung des jeweiligen Kühlkörpers erzielen.

Findet ein Anwender die optimale Lösung für seine individuellen Belange nicht im Standardprogramm, empfiehlt sich die Simulation zur Entwicklung eines applikationsspezifischen Wasserkühlaggregats. Dabei kann mit der Simulation der Temperaturverteilung gezielt die Dimensionierung, der Kühlkreislauf, die Anzahl und die Anordnung der Rohre (zum Beispiel gleich gefächert) entworfen werden.

Die erforderliche Kühlleistung wird unter Berücksichtigung der Durchflussmenge, des Druckabfalls, der Verlustleistung und der Bauteilanordnung ermittelt.

Die Rohrverläufe werden unter Berücksichtigung einer möglichst gleichmäßigen Wärmeabfuhr aus dem Bereich der elektronischen Bauteile bzw. Baugruppen exakt definiert.

Das Modell des konzipierten Kühlsystems wird einem abschließenden Analyseverfahren unterzogen, bei dem z.B. der Prüfdruck deutlich höher liegt als der spätere tatsächliche Betriebsdruck von 10 bar. Dabei wird der Durchfluss bzw. die Durchflussgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Rohrdurchmessern betrachtet, um dann in der praktischen Umsetzung den größtmöglichen Kühleffekt zu erzielen. Darüber hinaus fließen auch Aspekte der Lebensdauer und der Instandhaltung der involvierten Komponenten in die Planung eines Kühlsystems ein.

* * Wilfried Schmitz ist Geschäftsführer der Contrinex – CTX Thermal Solutions in Nettetal.

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