Flüssigkeitskühlkörper, in denen Edelstahlrohre passgenau in eine
Aluminiumplatte eingelassen sind, eignen sich für den Einsatz von
aggressiven Kühlmedien wie deionisiertem Wasser.

Flüssigkeitskühlkörper, in denen Edelstahlrohre passgenau in eine
Aluminiumplatte eingelassen sind, eignen sich für den Einsatz von
aggressiven Kühlmedien wie deionisiertem Wasser.CTX

Ob im heimischen Spiele-PC oder in der modernen industriellen Hochleistungselektronik: Energiefressende Prozessoren kommen in unzähligen Bereichen zum Einsatz. Aufgrund der immer kompakteren Bauweise lassen sich diese Elemente immer dichter packen. Das sorgt jedoch schnell für ein steigendes Wärmeaufkommen. Experten sagen einen weiteren Anstieg voraus. Um der entstehenden Abwärme Herr zu werden, sind durchdachte Kühlkonzepte notwendig.

Verlustleistung und Platzangebot

Je nach Verlustleistung kommen bei Kühlern unterschiedliche Bauweisen zum Einsatz: „Bei der Wahl eines geeigneten Kühlkörpers muss relativ früh festgelegt werden, ob das kühlende Bauteil eine passive, aktive Lüfter- oder gar Flüssigkeitskühlung erfordert“, erklärt Georg Laskowsky, Sales Manager der CTX. Bei relativ geringer Abwärme setzen Anwender im Idealfall passive Kühlkörper ein. Diese arbeiten mit einer großen Oberfläche, die die Wärme lautlos abführt. Bei erhöhter Leistungsaufnahme sind dagegen aktive Kühllösungen notwendig. Hierbei führt ein Lüfter eine bestimmte Luftmasse an dem Kühlkörper vorbei, um die entstandene Wärme aktiv abzuführen. Bei gleicher Masse arbeiten aktive Kühler rund sechsmal effektiver als passive, gleichzeitig können sie kompakter gebaut werden. Die nicht vermeidbare Geräuschentwicklung ist allerdings ein Nachteil. Wo passive Systeme und selbst aktive Lüfterkühlungen an ihre Grenzen stoßen, ist der Einsatz von Flüssigkeitskühlungen sinnvoll beziehungsweise unumgänglich. Sie bilden aktuell die obere Leistungsklasse der Kühlkörpertechnik.

Eck-DATEN

Flüssigkeitskühlungen arbeiten erheblich effizienter als lüftergestützte Lösungen. Daher bietet CTX Thermal Solutions applikationsspezifische Flüssigkeitskühlungen für Anwendungen an, bei denen herkömmliche Kühlsysteme an ihre Grenzen stoßen. Das Super-Plate-System von Pada besteht aus Zirkulationspumpe, Ausgleichsbehälter, Wärmetauscher und einer Kühlplatte aus Aluminium oder Kupfer. Die Kühlplatten sind mit seitlichen Verschraubungen versehen und besitzen kernlochgebohrte oder extrudierte Kühlkanäle, die den Wasserkreislauf realisieren. Alternativ zu den Kühlplatten aus Aluminium oder Kupfer bietet CTX auch solche aus Aluminium mit eingepresstem Kupfer- oder Edelstahlrohr an. Mehrere Varianten mit eingelegten Rohren, integrierten Bohrungen oder hartgelöteten Kühlkanälen sind möglich.

Schematische Darstellung eines Flüssigkeits-Kühlkreislaufes.

Schematische Darstellung eines Flüssigkeits-Kühlkreislaufes.CTX

Da Wasser eine um den Faktor 4000 höhere spezifische Wärmekapazität aufweist, lässt sich die Abwärme mit diesem Konzept effizienter ableiten. Ein weiterer Vorteil ist, dass Flüssigkeitskühlkörper mit geringen Übertragungsflächen auskommen. Die Kühllösungen können deshalb besonders kompakt sein und sprengen nicht die vorgegebenen Abmessungen der zu kühlenden Baugruppen. Eine typische Anwendung für Flüssigkeitskühlkörper sind beispielsweise Hochleistungsprozessoren. Diese produzieren auf einer wenige Quadratzentimeter großen Fläche häufig eine Abwärme, die 100 W entsprechen kann – und übertreffen damit in Sachen Wärmestromdichte sogar einen herkömmlichen Küchenherd. Die Kühlkörper werden hier unmittelbar an den elektronischen Hochleistungselementen installiert, um die Wärme schnell abzuführen.

Effiziente Flüssigkeitskühlungen

CTX bietet Kunden mit dem System Super-Plate seines Partners Pada ein Portfolio an effizienten Flüssigkeitskühlungen an. Das System besteht aus einer Zirkulationspumpe, mehreren Ausgleichsbehältern, Wärmetauscher und dem eigentlichen Superplate – einer Kühlplatte aus Aluminium oder Kupfer. Die Kühlplatten sind mit seitlichen Verschraubungen sowie kernlochgebohrten oder extrudierten Kühlkanälen zur Realisierung des Wasserkreislaufs versehen. Alternativ zu den Aluminium- oder Kupferkühlplatten können Anwender auch Aluminiumplatten mit eingepresstem Kupfer- oder Edelstahlrohr nutzen. Super-Plate kommt mit einer geringen Übertragungsoberfläche aus und verfügt über einen kompakten Aufbau.

Aufbau einer mit Flüssigkeitstechnik gekühlten Baugruppe.

Aufbau einer mit Flüssigkeitstechnik gekühlten Baugruppe.CTX

Der Hersteller unterscheidet je nach Art der verwendeten Technologie folgende drei Varianten: Die mit eingelegten Rohren verfügt über Aluminium-Kühlplatten mit integrierten Kupferrohren oder Aluminium-Kühlplatten mit integrierten Edelstahlrohren (V2A/V4A). Die Variante mit integrierten Bohrungen hat entweder Aluminium-Kühlplatten mit kernlochgebohrten Kühlkanälen oder Kühlplatten mit gezogener Bohrung (extruded hole). Und dann gibt es noch Kühlplatten in Hartlöt-Technologie (hochtemperaturverlötetes Aluminium), mit hartgelöteten Kühlkanälen oder mit hartgelöteten Kühllamellen (mit integrierten Turbulatoren).

Mit Simulation zur richtigen Kühlung

Neben Standardlösungen finden Anwender bei CTX auch maßgeschneiderte Kühlsysteme. Mit diesen projekt- und applikationsspezifischen Produkten erzielt das Unternehmen heute den größten Teil des Kühlkörpergeschäfts: „Rund 85 Prozent der aktuell gefertigten Produkte sind kundenspezifische Maßanfertigungen“, so Schmitz. CTX konzipiert die individuelle Lösung anhand der Kundenvorstellung über Design, Größe und Geometrie für die entsprechende Applikation.

Die Rohrbögen der Kühlkörper liegen bei Größenordnungen von 30,5 bis 90 mm. Sie
können wahlweise innerhalb oder wie hier außerhalb der Platten liegen.

Die Rohrbögen der Kühlkörper liegen bei Größenordnungen von 30,5 bis 90 mm. Sie
können wahlweise innerhalb oder wie hier außerhalb der Platten liegen.CTX

Falls der Konstrukteur auf der Suche nach einer geeigneten Kühllösung noch keine konkreten Vorstellungen haben sollte, fragt CTX zunächst verschiedene Details zur Anwendung ab. Diese dienen dann als Grundlage, um eine Lösung für die spezifischen Anforderungen zu erarbeiten. Über eine thermische Simulation wird festgelegt, wie genau der Kühlkörper für den jeweiligen Anwendungsfall zu konstruieren und zu dimensionieren ist. Mit der Simulation kann das Unternehmen außerdem eventuelle thermische Probleme frühzeitig erkennen und damit die Entwicklungskosten möglichst gering halten. Zudem optimiert die Simulation das Kühlkörperdesign und hilft so, Material und Gewicht einzusparen. In der Regel reduziert sich auch die kostspielige Prototypenfertigung oder lässt sich sogar komplett vermeiden.

Gut gekühlt mit Fluiden

Ohne eine effektive Kühlung sind Anwendungen mit Hochleistungselektronik nicht denkbar. Die elektronische Leistungsdichte und damit auch die entstehende Wärme sind so hoch, dass eine lüfterbetriebene Kühlung nicht mehr ausreicht. Hier ist Flüssigkeitskühlung das Schlüsselwort: Eine dünne Wasserleitung ist um ein Vielfaches effektiver als eine lüftergestützte Kühllösung. Flüssigkeitskühlkörper kommen mit einer sehr geringen Übertragungsfläche aus und sind kompakt. Diese Systeme leiten den Kühlungsprozess genau dort ein, wo die Wärme entsteht: unmittelbar an den elektronischen Hochleistungselementen der Baugruppen. Dadurch lassen sich zwischen 15 und 25 % mehr Wärme ableiten als mit herkömmlichen Kühlsystemen. Flüssigkeitskühlkörper bilden bis heute die obere Leistungsklasse der Kühlkörpertechnik. Mit ihrer Hilfe lassen sich Kühlkreisläufe realisieren, in denen Fluide wie Wasser, Öl, Alkohol, aber auch bestimmte Gase zur Kühlung dienen.