Baugruppenkühlung Elektronik kühlen mit Luft und Wasser

Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung und Leistungsfähigkeit moderner elektronischer Geräte ist ein effizientes Wärmemanagement unabdingbar. Hier gibt es verschiedene Möglichkeiten, die sich hinsichtlich Kosten, Leistungsfähigkeit und Einsatzbereich unterscheiden. Der Beitrag fasst die Möglichkeiten und Anwendungsgebiete der Luft- und Flüssigkeitskühlung zusammen.

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Wärmeentwicklung bei elektronischen Bauteilen und Komponenten der Leistungselektronik ist physikalisch bedingt und nicht vermeidbar. Wärme beeinflusst die Funktion der Elektronikkomponenten, da Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektronischer Halbleiterbauteile maßgeblich von der thermischen Belastung bestimmt werden, denen sie ausgesetzt sind.

Wird die maximale Betriebstemperatur überschritten, führt dies zu Fehlfunktionen. Ein Überschreiten der zulässigen Grenztemperatur zerstört den Halbleiter.

Entwärmung elektronischer Bauteile wird komplexer und aufwendiger

Statistische Untersuchungen zeigen, dass eine temperaturbedingte Fehlfunktion bei moderner Halbleiterelektronik Größenordnungen von bis zu 55% betragen kann. Allgemein gilt, dass mit einer Temperaturerhöhung von 10 K eine Lebensdauerreduzierung um ca. 50% einhergeht. Bei Hochleistungs-LEDs ist das thermische Management noch kritischer, da hier Lichtleistung und Lebensdauer noch stärker temperaturabhängig sind.

Bei den verschiedenen Entwärmungsmöglichkeiten für elektronische Leistungsbauelemente ist die „laute“ Entwärmung mittels Lüfter und Ventilatoren eine Möglichkeit, Flüssigkeitskühlung eine „leisere“ andere. Ob mit Luft oder Wasser gekühlt wird, Bauteilgröße und Wärmemenge sind im Zusammenhang mit der Applikation, dem mechanischen Aufbau und dem Kühlkörper zu betrachten.

Freie Konvektion und erzwungene Kühlung mit bewegter Luft

Freie Konvektion als Entwärmung ist bei großen Wärmemengen fast nicht mehr möglich. Der Werkstoff Aluminium, aus dem Kühlkörper hauptsächlich gefertigt sind, hat nur eine begrenzte materialspezifische Wärmeleitfähigkeit, weshalb eine Oberflächenvergrößerung nur rechnerisch die erforderliche Wärmemenge ableiten kann. Der große Temperaturgradient behindert jedoch die Wärmeverteilung und lässt damit dieses Entwärmungskonzept als weniger geeignet erscheinen.

Erzwungene Kühlung mit bewegter Luft, die naturgemäß eine größere Wärmemenge ableiten kann, wird mit sogenannten Lüfteraggregaten sinnvoll angegangen. Hier sind der Aufbau und die Geometrie der Wärmetauschflächen jeweils spezifisch auf einen entsprechenden Lüftermotor abgestimmt und dadurch sehr effektiv. Im Vergleich zu axialen und tangentialen Lüftern weisen Diagonal- und Radiallüfter die besseren Luftleistungswerte auf. Der sogenannte Diagonallüfter verbindet dabei die Vorteile der kleinen Bauart des axialen Prinzips mit größerem Druck und Luftmenge (Bild 1).

Neben den preislichen Aspekten ist die sehr starke Geräuschentwicklung durch die Lüfter besonders bei den in diesen Leistungsklassen eingesetzten Radiallüftern und Axiallüftern mit hohen Drehzahlen zu berücksichtigen. Applikationen sind für Bereiche mit reduzierter Geräuschentwicklung spezifisch zu bewerten. Auch ist beim Einsatz in größeren Höhen, z.B. auf Bergen, die geringere Luftdichte als ein reduzierendes Moment in einer Anwendung von bis zu 20% des Kühleffektes gegenüber Meereshöhe zu beachten.

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