Wärmemanagement Zerstäubungstechnik gegen lokale Überhitzung

Autor / Redakteur: Eugen Wolf * / Gerd Kucera

Eine Temperaturerhöhung von 20 K senkt die Zuverlässigkeit um 50%. Die hier vorgestellte Zerstäubungstechnik von Kühlflüssigkeit als Wärmesenke erhöht die Effizienz der Leistungselektronik.

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Bild 1: Schon ein geringer Volumenstrom des Wassers erzielt eine gute Kühlung (Düse mit 0,6 mm Durchmesser).
Bild 1: Schon ein geringer Volumenstrom des Wassers erzielt eine gute Kühlung (Düse mit 0,6 mm Durchmesser).
(Bild: Wolf Engineering)

Die steigende thermische Leistungsdichte in der Elektronik- und Leistungselektronik-Baugruppen macht zusätzliche Kühlelementen notwendig, was sich auf Gewicht und Konzept auswirkt. Dieses muss dann überarbeitet werden, folglich steigen hier auch die Kosten und die Markteinführung des Produktes verschiebt sich.

Werden leistungselektronische Systeme für eine effizientere Energienutzung eingesetzt, sind erhebliche Einsparungen im Energieverbrauch möglich. Nach aktuellen Studien sind ca. 30% des Stromes einsparbar. Dieser Markt der effizienten Energienutzung wächst jährlich um einen kleinen Prozentsatz, da das Bewusstsein für den Umstieg auf regenerative Energieversorgung nur langsam wächst.

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Zentrales Problem bei diesem Thema ist die Wärmeentwicklung und somit die Zuverlässigkeit oder die Lebensdauer der elektronischen Komponenten, weil durch die Wärmeabstrahlung die einzelnen Bestandteile sehr beansprucht werden. Bei einer Temperaturerhöhung von 20 K sinkt zum Beispiel die Zuverlässigkeit und die Leistungsfähigkeit um 50%. Um nun aber die Zuverlässigkeit der einzelnen Bauelemente oder Baugruppen zu erhöhen und die Verlustleistung zu minimieren, wird ein effizientes Kühlsystem benötigt.

Kühlsysteme leisten einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Effizienz von Leistungselektronik. Hiermit können langlebige und sichere Produkte entwickelt und gewährleistet werden.

Das Anbringen von zusätzlichen Kühlelementen wirkt sich nicht nur auf das Gewicht sondern auch auf die Kosten des Gesamtsystems aus. Die herkömmlichen Kühlplatten, die für die Leistungselektronik verwendet werden, sind zum einen schwer und zum anderen haben diese einen hohen Druckabfall. Der thermische Widerstand (Rth-Wert) liegt im Bereich 0,02 K/W bis 0,09 K/W, je nach Ausführung und Anwendung. Wenn diese Kühlplatten auch noch aus Aluminium gefertigt werden, erhöht sich automatisch der thermische Widerstand.

Um nun aber Systeme effizient zu gestalten, Kosten zu sparen und das Gewicht so niedrig wie möglich zu halten, hat Wolf Engineering nach einer Lösung gesucht. Nach mehreren Versuchen wurde das Niederdruck-Zerstäubungssystem neu entwickelt. Bei diesem System wird die Wärme der Hotspots punktuell effektiv abgeführt, um so lokale Überhitzungen zu vermeiden.

Für dieses System kann ein Aluminiumgehäuse mit integriertem Kühlkörper verwendet werden. Trotz einem Kühlkörper aus Aluminium werden besser Werte erreicht als bei herkömmlichen Kühlkörpern aus Kupfer.

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