Wärmemanagement Wie sieht der ideale Kühlkörper aus?

DEN idealen Kühlkörper für ALLE Anwendungen gibt es nicht. Hier kann nur gesagt werden, dass es, wenn überhaupt, einen idealen Kühlkörper für eine bestimmte Anwendung geben kann. Wie sieht dieser aus? Und wie findet man diesen?

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Ein effektives Wärmemanagement, welches in den häufigsten Fällen einen Kühlkörper beinhaltet, wird benötigt, um elektronischen Bauteilen eine hohe Lebensdauer zu ermöglichen. Dies ist eins der wichtigsten Qualitätsmerkmale für elektronische Bauteile. Entscheidend für den optimalen Kühlkörper sind die Materialauswahl, die Ausrichtung des Kühlkörpers und die Position von dessen Kühlrippen.

Kühlkörper werden hauptsächlich aus Aluminium hergestellt. Die Materialauswahl wird aber von verschiedenen Faktoren gelenkt. Die Kosten, die thermische Leitfähigkeit, das Gewicht sowie die Möglichkeit der Oberflächenbehandlung und der Verarbeitbarkeit sind nur einige von ihnen.

Ein weiterer wichtiger Werkstoff in der Kühlkörperherstellung ist Kupfer (E-Cu58). Thermisch gesehen ist dieses mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit von 380 W/mK deutlich besser als Aluminium (220 W/mK, Dichte: 2700 kg/m³) geeignet, hat aber den Nachteil, dass es schwerer (Dichte: 8933 kg/m³) und wesentlich teurer ist. Ein weiterer großer Vorteil von Aluminium besteht darin, dass es sehr gut spanend bearbeitet werden kann. Daraus lassen sich viele Vorteile für die Bearbeitung und verschiedene Geome­trien ableiten.

Auch die Auswahl des Herstellverfahrens kann im Wesentlichen über die Geometrie des gewünschten Aluminiumkühlkörpers Aufschluss geben. Zwei Hauptverfahren sind zu unterscheiden: das Strangpress- und das Druckgussverfahren.

Die Herstellverfahren für Kühlkörper

Für Profile mit einer festen Kontur eignet sich das Strangpressen. Eine Aluminiumlegierung wie EN AW 6060 T66 (AlMgSi0,5) wird durch eine Matrize gepresst, anschließend auf die gewünschte Länge gesägt und ja nach Erfordernis mechanisch bearbeitet.

Für Kühlkörper mit einer vorgegebenen, komplexen Kontur kann auch das Druckgussverfahren verwendet werden. Hier findet das sogenannte Druckgussaluminium wie EN AC AlSi8Cu3 Verwendung.

Das Aluminium wird in vorgegebene Formen gegossen und härtet in diesen aus. Nachteilig ist beim Druckgussaluminium die geringere Wärmeleitfähigkeit von 110 bis 130 W/mK.

Somit ist die Entwärmung bei gleicher Größe schlechter als bei einem Strangpresskühlkörper. Bei hohen Stückzahlen können die Herstellkosten bei diesem Verfahren deutlich gesenkt werden.

Bekannt ist, dass Aluminium an der Luft sehr schnell korrodiert. Diese Tatsache macht eine Oberflächenbehandlung notwendig. Auch hier können verschiedene Behandlungen ausgewählt werden, die auch einen Einfluss auf die Oberflächenemission haben.

Die Oberflächenemission muss bei der Berechnung der Wärmestrahlung berücksichtigt werden. Die Aluminiumlegierung EN AW 6060 T66, welche beim Strangpressverfahren verwendet wird, eignet sich sehr gut zum Anodisieren. Die Eloxalschicht dient gleichzeitig als Korrosionsschutzschicht. Auch eine Lackierung oder Pulverbeschichtung kann je nach Geometrie vorgenommen werden. Der Oberflächenemissionsfaktor beim Anodisieren liegt bei etwa 0,77 (zum Vergleich: ein idealer schwarzer Kühlkörper hat einen Oberflächenemissionsfaktor von 1).

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