Wärmemanagement Kühlkörper in XXL

Die Industrie fordert verstärkt große Kühlkörper. Beim konventionellen Strangpressen gelangt man jedoch schnell an fertigungstechnische Grenzen. Diese liegen bei einer Profilbreite

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Die Industrie fordert verstärkt große Kühlkörper. Beim konventionellen Strangpressen gelangt man jedoch schnell an fertigungstechnische Grenzen. Diese liegen bei einer Profilbreite von ca. 300 mm bei einer Rippenhöhe von ca. 83 mm. Um die Leistungsfähigkeit der Kühlkörper zu erhöhen, muss man auf Techniken wie eingestemmte, gelötete oder geklebte Rippen zurückgreifen. Oder man fügt mehrere Kühlkörper durch Schweißen aneinander.

Bei den heutigen, oft angewandten Schmelzschweißverfahren werden mehrere Kühlkörper unter Beifügen von Schweißzusätze (Schweißdraht) miteinander verbunden. Dies führt zu einer verminderten Wärmeleitfähigkeit in der Schweißnaht sowie zu undefiniertem Verzug der gesamten Kühlkörperkonstruktion.

Die Folge ist, dass man – um die geforderte Ebenheit zu erreichen – den Boden des Kühlkörperverbunds erheblich abfräsen muss, wodurch wiederum die Leistungsfähigkeit des Kühlkörpers abnimmt. Diese Nachteile eliminiert das Reibrührschweißen (Bild 1).

Beim Reibrührschweißen (Friction Stir Welding/FSW*) erzeugt das Reiben mittels eines Stiftes Wärme. Durch die Erwärmung werden die Metalle in einen plastifizierten (knetbaren) Zustand versetzt. Die Rotation des Stiftes verrührt die plastifizierten Metallmengen anschließend in der Schweißzone. Beim Erstarren bilden sich sehr feinkörnige, hochfeste Gefügestrukturen aus. Die Werkstücke werden ohne Schweißzusatzwerkstoffe verschweißt (Bild 2).

Vorteile des Reibrührschweißens

Durch die feinkörnigen Gefügestrukturen erhält man eine gleichmäßige Wärmeleitfähigkeit auch über die Schweißnaht hinweg. Bei einer konventionellen Naht im Schmelzschweißverfahren liegt die Wärmeleitfähigkeit in der Naht bei etwa 130 W/mK, während sie im umliegenden Grundwerkstoff ca. 190 bis 200 W/mK beträgt.

Das Verfahren des Reibrührschweißens verringert die Wärmeleitfähigkeit des Grundwerkstoffes nicht in diesem Maß, was eine ununterbrochen gleichmäßige Wärmeleitung im Kühlkörper ermöglicht.

Die Festigkeit des Grundwerkstoffes wird beim Schweißen – unabhängig vom Verfahren – beeinträchtigt. Beim Reibrührschweißen treten die geringsten Einbußen auf. Die Zugfestigkeit der kritischten Stelle, also der Naht, liegt beim Schmelzschweißen bei 30% des Grundwerkstoffes, während sie beim Reibrührschweißen auf über 80% gesteigert werden kann. Hieraus ergeben sich neue konstruktive Möglichkeiten, besonders hinsichtlich der Verschraubungshäufigkeit von Kühlkörpern als tragendes Element.

Ein weiterer Vorteil bei der Anwendung des Reibrührschweißens für große Kühlkörper ist der extrem geringe Verzug. Die Verzugswerte fallen weit geringer aus, als mögliche Unebenheiten beim Strangpressprozess. Demzufolge bleibt die für die Wärmeleitung benötigte Bodenstärke weitgehend erhalten, was eine bessere Wärmeverteilung zur Folge hat.

Bei Flüssigkeitskühlern ermöglicht diese Eigenschaft überhaupt erst die Konstruktion sehr großer Ausführungen.

Ein maschinengebundener Prozess mit reproduzierbaren Werten sorgt für eine hohe Wiederholgenauigkeit und damit eine hohe Prozessstabilität. Durch das sehr porenarme Verfahren wird zudem eine hohe Fehlerfreiheit der Schweißnähte realisiert.

So erhält man eine Schweißnaht höchster Güte, die sonst nur von sehr aufwändig geschweißten Nähten aus dem Kraftwerksanlagenbau erreicht wird. Die Schweißnaht der reibrührgeschweißten Kühlkörper erfüllt die Schweißklasse „B“ in Anlehnung an die Röntgenprüfnorm nach DIN EN 1435.

Großflächige Hochleistungskühler

Die oben angeführten Vorteile lassen sich bei der Produktion von Rippenkühlern optimal für den Einsatz von großflächigen Hochleistungskühlern nutzen. Hier kamen bisher eingeklebte, eingelötete oder eingestemmte Rippen bzw. im Stern gepresste und anschließend aufwändig gerichtete Kühler zum Einsatz.

Nachteilig ist bei den nachträglich eingefügten Rippen, dass an der Fügestelle erhöhte Wärmeübergänge auftreten. Dies führt zu Leistungsverlusten. Auf diese Art wurde bisher jedoch realisiert, was strangpresstechnisch nicht herstellbar ist.

Das Zusammenschweißen von vielen kleinen, feinverrippten Kühlern scheiterte in der Vergangenheit an den oben beschriebenen Nachteilen – besonders aufgrund der Verzüge und der Wärmeleitungen (ganz abgesehen vom hohen personellen Aufwand).

Hier bietet das Reibrührschweißen die Möglichkeit, die kühltechnisch ohnehin bessere Lösung der direkt angepressten Rippen ökonomisch und technisch sauber zu einer großen Platte zu verbinden.

Kostengünstige Kühler ohne Abfall

austerlitz bietet eine Kühlkörperreihe mit sehr eng verrippten Kühlern an. Ab einer Pressbreite von 200 mm lassen sich durch das Reibrührschweißen in 50-er Schritten sehr ökonomisch, hoch effektive und vor allem sehr kostengünstige Kühler ohne Abfallmaterial herstellen (Bild 3).

Bei Flüssigkeitskühlern ist es, wie bereits erwähnt, durch das Reibrührschweißen überhaupt erst möglich, größere Konstruktionen durchzuführen. Beim konventionellen Schweißen war durch die Verzüge eine planbare Lage der Kühlkanäle zur Oberfläche faktisch unmöglich.

Das Verschweißen gefräster Strukturen in einem Aluminiumkorpus ist genauso realisierbar wie das Verschweißen von Kühlern mit eingearbeiteten Kupfer- bzw. Edelstahlrohren.

Die Lage der Kanäle zur Oberfläche spielt bei den hohen Wärmestromdichten die beim Einsatz von Flüssigkeitskühlern üblich sind, eine wesentliche Rolle für die gleichmäßige Wärmeabfuhr.

Auch Verzüge, die bei besonders großen Platten sogar die Druckbeständigkeit oder die Dichtheit nach dem Fräsen in Frage gestellt haben, können künftig mittels Reibrührschweißen ausgeschlossen werden.

austerlitz electronic, Tel. +49(0)911 5974710

*Thomas Jäntsch ist Leiter Technik und Entwicklung bei der austerlitz electronic gmbh in Nürnberg.

*FSW ist ein patentiertes Verfahren der Fa. TWI. Austerlitz electronic ist ein eingetragener Lizenznehmer.

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