Flüssigkeitskühlkörper: Großserie erfordert andere Fertigungsverfahren

Am Prinzip der Flüssigkeitskühlung hat sich seit den Anfängen vor rund 20 Jahren nichts geändert: Wasser, Glykol oder Öl fließen durch Rohre aus Kupfer, Aluminium oder Edelstahl im Innern einer Aluminium- oder Kupferplatte und transportieren die Wärme des auf der Platte befestigten, zu kühlenden elektronischen Bauteils zügig ab. Zudem kommen Flüssigkeitskühlkörper mit einer sehr geringen Übertragungsfläche aus. Entsprechende Kühllösungen lassen sich somit sehr kompakt bauen und halten die vorgegebenen Abmessungen der zu kühlenden Baugruppen ein. Folgerichtig kommen Flüssigkeitskühlkörper vor allem zur Kühlung von Hochleistungsprozessoren zum Einsatz, die bereits auf wenigen Quadratzentimetern so viel Wärme erzeugen wie ein herkömmlicher Küchenherd. Aber auch in der Elektromobilität kommen Flüssigkeitskühlkörper verstärkt zum Einsatz.

Anwendungsorientierte Herstellung

Obwohl ihre Funktionsweise stets gleichgeblieben ist, so änderten sich im Laufe der Zeit doch die Fertigungsverfahren der Flüssigkeitskühlkörper. Heute existieren diverse Herstellungsmethoden für Flüssigkeitskühlkörper, die sich je nach Anwendung und Kosten unterscheiden.

Vergleichsweise kostenintensiv sind Aluminiumkühlplatten, bei denen die Aufnahmenuten für die Kühlrohre sowie alle weiteren Geometrien in die Platte gefräst sind. Sie kommen daher vorrangig als Prototyp zu Beginn einer Serienfertigung zum Einsatz. Etwas günstiger und daher auch eher für Einzelanfertigungen oder kleine Serien geeignet, sind Kühlplatten aus Aluminium oder Kupfer mit kernlochgebohrten Kühlkanälen. Dieses Verfahren erfordert allerdings speziell bei der Herstellung sehr großer Kühlkörper eine hohe Präzision.

Für High-End-Anwendungen und komplexe Geometrien bieten sich Flüssigkeitskühlkörper an, die aus einer Unter- und einer Oberplatte mit eingefrästen Kühlkanälen bestehen. Die Verbindung der beiden Platten erfolgt mittels Hartverlöten in einem Ofen. Damit ist das Verfahren begrenzt auf Kühlkörper mit einer maximalen Kantenlänge von rund 500 mm. Extrem leistungsstarke Flüssigkeitskühlkörper mit zusätzlichen Finnen, die aus Reinkupfer oder Reinaluminium im Kaltfließpress-Verfahren gefertigt werden, sind aufgrund der hohen Produktionskosten ausschließlich für High-End-Anwendungen geeignet, beispielsweise für die Kühlung von IGBTs.

Fertigungsverfahren für große Serien

Bild 2: Bei Flüssigkeitskühlkörpern aus Aluminiumdruckguss erfolgt die Herstellung der Kühlplatte mit Hilfe eines Druckgusswerkzeugs. CTX

Benötigen die Anwender größere Mengen an Flüssigkeitskühlkörpern aus Aluminium, bieten sich Fertigungsverfahren unter Einsatz spezieller Werkzeuge an. So kommt zum Beispiel für die Fertigung von Aluminiumstrangguss-Kühlkörpern mit extrudierten Kühlkanälen ein spezielles Extrusionswerkzeug zum Einsatz.

Bei Flüssigkeitskühlkörpern aus Aluminiumdruckguss hingegen erfolgt die Herstellung der Kühlplatte mit Hilfe eines Druckgusswerkzeugs. Die thermische Leitfähigkeit von Aluminiumdruckguss-Legierungen ist etwas niedriger als die von Aluminiumstrangguss-Legierungen. Die einmalige Herstellung des Druckgusswerkzeugs ist sehr kostenintensiv. Doch durch ein entsprechendes Kühlkörperdesign und große Produktionsmengen lassen sich diese Nachteile ausgleichen. Die Vorteile des Verfahrens überwiegen im Volumenbereich bei weitem. So lassen sich beispielsweise bei der Werkzeuggestaltung auch schwierige Kühlkörpergeometrien berücksichtigen. Damit ist eine kostspielige CNC-Nachbearbeitung nur an Stellen mit besonders hohen Oberflächenanforderungen erforderlich. Zudem lässt sich bei sehr großen Produktionsmengen ein Werkzeug fertigen, das mehrere Kavitäten aufweist. Auf diese Weise sind pro Gussvorgang mehrere Kühlplatten herstellbar, was die Teilekosten zusätzlich senkt. Da nur die Herstellung der Kühlplatte mit dem Werkzeug erfolgt, bestehen keine Beschränkungen hinsichtlich des Materials der Kühlrohre. In die vorgeformten Nuten lassen sich je nach Anwendung und Kühlflüssigkeit Rohre aus Aluminium, Kupfer oder Edelstahl einpressen. Bei Bedarf besteht zudem die Möglichkeit, die Kühlkörper einer Oberflächenveredelung – Chromatieren, Eloxieren, Pulverlackieren – zu unterziehen.

Typische Kühlanwendungen

Eine typische Anwendung eines Druckguss-Flüssigkeitskühlkörpers ist die Kühlung des Batteriemanagements in Elektroautomobilen. CTX entwickelte eine solche Kühllösung für einen bekannten Automobilkonzern aus einer im Druckgussverfahren hergestellten Aluminiumkühlplatte mit anwenderspezifischen Abmaßen mit eingepressten Edelstahlrohren.

Bild 3: Werkzeug zur Herstellung eines Druckgusskühlkörpers. CTX

Die Konzeption begann mit einer thermischen Simulation. Mit diesem analytischen Prozess lässt sich der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils vorausberechnen und ein entsprechendes Kühlkörperdesign entwickeln. Die Simulation zeigt mögliche thermische Probleme frühzeitig auf. So lassen sich das Design und die Kühlleistung optimieren und zudem Kühlkörpermaterial und -gewicht einsparen. Voraussetzung für eine verlässliche thermische Simulation ist die Eingabe der definierten thermodynamischen Randbedingungen. Dazu zählen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements mit Bemaßung und Position des Hotspots. Hinzu kommen geometrische Einschränkungen sowie die für einen optimalen Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur. Schließlich fließt die Differenz zwischen Umgebungs- und Komponententemperatur ebenfalls in die Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers ein.

Bild 4: Verschiedene Kühlelemente für die Leistungselektronik aus dem Sortiment von CTX. CTX

Nach der Simulation folgte im Fall der Kühllösung für das Batteriemanagement die Produktion eines Kühlkörper-Prototyps. Die Fertigung des prototyps erfolgte allerdings nicht im Druckgussverfahren, sondern mittels CNC-Bearbeitung. Dazu wurden die Nuten für die Kühlkanäle sowie alle sonstigen erforderlichen Geometrien wie Schraubbolzen und Vertiefungen in eine Aluminiumplatte gefräst, Edelstahlrohre eingepresst und die Anschlüsse angeschweißt.

Nachdem die Tests mit diesem Prototyp erfolgreich verliefen, investierte der Hersteller in die Fertigung eines ersten Druckgusswerkzeugs für die Produktion einer Vor-Serie. Danach erfolgt eine in größerer Anzahl gefertigte Null-Serie, ehe dann die Volumenfertigung für den Serienbedarf startet. Bei diesem Fertigungsvolumen fallen die Kosten für die Erstellung eines Druckgusswerkzeugs dann nicht mehr ins Gewicht – im Gegenteil – dann ist das Druckgussverfahren einmalig effizient

(aok)

(aok)