Das richtige Kühlkörperdesign

Heutzutage ist der Einsatz von elektronischen Bauteilen aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Damit diese auch lange halten, brauchen sie ein effektives Wärmemanagement, das speziell für die jeweilige Anwendung ausgelegt ist. Kühlkörperhersteller bieten dazu unterschiedliche Kühlkörperdesigns und -arten an.

Die drei Bereiche der Entwärmung

Beim Wärmemanagement sind Faktoren ausschlaggebend: die  Betriebsumgebung, die Materialauswahl und die Ausrichtung des Kühlkörpers. Auch bei der Wärmeübertragung sind drei Arten zu beachten: Konvektion, Konduktion und Radiation. Alle drei Arten der Wärmeübertragung sind von großer Bedeutung. Freie Konvektion ist in den meisten Anwendungen die Übertragungsart, die den höchsten Anteil an der Wärmeübertragung ausmacht. Hierbei handelt es sich um den Wärmetransport eines Körpers zu einem sich bewegenden Fluid (Flüssigkeit, Gas, Luft). Dieses lässt sich durch folgende Formel berechnen:

• q = h ∙ A_S ∙ ∆T_conv

Dabei bedeuten die einzelnen Variablen:

• q = Wärmeübertragung [W]
• h = Wärmeübergangskoeffizient [W/m²·K]
• A_S = Wärmeabgebende Oberfläche [m²]
• ∆T_conv = Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und der umgebenden Luft [K]

Unter der Wärmeleitung, auch Konduktion genannt, versteht sich der Wärmetransport innerhalb eines Körpers. Diese Wärmeübertragung berechnet sich durch folgende Formel:

• q = k ∙ A ∙ ∆T_cond ∙ (1/l)

Hierbei bedeuten die Variablen:

• k = Wärmeleitfähigkeit des Materials [W/m·K]
• A = Querschnittsoberfläche [m²]
• ∆T_cond = Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und umgebender Luft [K]
• l = Distanz der Wärmeübertragung innerhalb des Körpers [m]

Die Wärmestrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung und berechnet sich durch die Formel:

• q = ε ∙ σ ∙ A ∙ (T_S⁴ – T_α⁴)

Mit den Variablen:

• ε = Oberflächenemission
• σ = Stefan-Boltzmann-Konstante, 5,6703 ∙ 10-8 [W/m²·K⁴]
• T_S = Oberflächentemperatur [K]
• T_α = Umgebende Lufttemperatur [K]

Üblicherweise ist der Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und der umgebenden stehenden Luft relativ gering, sodass der Faktor der Wärmestrahlung in Abhängigkeit des Temperaturbereiches nur eine geringe Rolle in der Wärmeübertragung spielt.

Rippenabstand und -höhe ­entscheiden über Kühlung

Die Betrachtung der Wärmeleitungs- und Wärmestrahlungsformel zeigt, dass eine möglichst große Oberfläche des Kühlkörpers sich positiv auf die Wärmeübertragung auswirkt. Aber auch Rippenabstand und -höhe sind für das Kühlkörperdesign entscheidend. Bei zu geringen Rippenabständen wird durch Überlagerung von Grenzschichten eine gute Konvektion verhindert. Daher muss ein Gleichgewicht zwischen der Kühlkörperoberfläche und dem Rippenabstand realisiert werden.

Ausrichtung des Kühlkörpers

Bild 1: Wenn sich die Rippenanordnung nach unten öffnet, dann strömt dank Kamineffekt mehr Luft durch den Kühlkörper als bei Bild 2. Fischer Elektronik

Um eine effektive Entwärmung gewährleisten zu können, ist die Ausrichtung des Kühlkörpers und dessen Kühlrippen von entscheidender Bedeutung. Der Kühlkörper ist so auszuwählen, dass seine Rippen parallel zur Luftströmung ausgerichtet sind, also parallel zur Gravitation.

Dies begründet sich aus dem sogenannten Kamineffekt. Die Oberfläche des Kühlkörpers gibt Wärme an die umgebende Luft ab. Eine natürliche Konvektion entsteht durch die Dichteunterschiede von kalter und warmer Luft, wobei die warme Luft leichter ist als die kalte und nach oben steigt. Bei einer nach unten geöffneten Rippenanordnung (Bild 1) wird kalte Luft von unten angesaugt und der Temperaturunterschied ist so immer möglichst hoch. Somit arbeitet der Kühlkörper am effektivsten.

Bild 2: Eine nach unten geschlossene Rippengeometrie behindert die freie Konvektion.Fischer Elektronik

Auch wenn eine Entwärmung bestehen bleibt, arbeitet der Kühlkörper durch eine Drehung um 90 Grad nicht mehr so effektiv. Die entwärmte Luft kann nicht nach oben wegströmen und es wird nicht so viel kalte Luft von unten angesaugt (Bild 2). Wenn bei Anwendungen nicht klar definiert werden kann, welche Ausrichtung der Kühlkörper im Betrieb hat, ist es sinnvoll von dem Worst Case auszugehen.

Eine untergeordnete Rolle spielt die Anordnung bei der erzwungenen Konvektion. Typischerweise wird die erzwungene Konvektion durch einen Lüftermotor induziert. Hier ist die Luftgeschwindigkeit höher als die Luftgeschwindigkeit der natürlichen Konvektion und überlagert diese.

Betriebsumgebungstemperatur

Die Temperatur und die Luftströmung der Luft, die den Kühlkörper umgibt, bezeichnet man als Betriebsumgebungstemperatur. Die Umgebungstemperatur ist bei der Auswahl der Entwärmung mit einzubeziehen. Bei der aktiven und passiven Entwärmung gibt den Kühlkörper die Wärme an die Umgebungsluft ab. Eine große Temperaturdifferenz kann mehr Wärme und somit eine höhere Leistung an die Umgebung abgeben. Die Entwärmung ist effektiver als bei einer kleineren Temperaturdifferenz.

In Anwendungen innerhalb geschlossener Gehäuse, ist der Wärmeaustausch mit der Umgebung durch das Gehäuse beschränkt. Hier ist es sinnvoll den Kühlkörper mit dem Gehäuse zu verbinden, um die Gehäusewände als einen Teil des Kühlkörpers zu integrieren. Durch den Einsatz eines zusätzlichen Lüftermotors, besteht die Möglichkeit, den Luftaustausch mit der Umgebungsluft zu realisieren und somit die Entwärmung zu verbessern.

Materialauswahl

Mehrere Faktoren beeinflussen die Materialauswahl für einen geeigneten Kühlkörper wie die thermische Leitfähigkeit, das Gewicht, die Kosten sowie die Verarbeitbarkeit und die Möglichkeit der Oberflächenbehandlung. Kupfer (E-Cu58) hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (380 W/m·K), ist aber wesentlich schwerer (Dichte: 8933 kg/m³) und teurer als Aluminium. Hersteller verwenden hauptsächlich Aluminium (Dichte: 2700 kg/m³) für die Produktion von Kühlkörpern, das zu den am besten spanend bearbeitbaren Materialien. Damit bietet es einen großen Vorteil und verschiedene Möglichkeiten für die Kühlkörperherstellung. In der Produktion sind zwei Herstellverfahren zu unterscheiden: das Strangpress- und das Druckgussverfahren.

Herstellverfahren von Kühlkörpern

Bild 3: Im Strangpress­verfahren hergestellte, mechanisch bearbeitete Kühlkörper.Fischer Elektronik

Bei dem Strangpressverfahren wird die Aluminiumlegierung EN AW 6060 T66 (AlMgSi05) mit einer Wärmeleitfähigkeit von 220 W/m·K durch eine Matrize gepresst. Dieses Herstellungsverfahren eignet sich besonders für Profile mit einer festen Kontur. Die Kühlkörper werden anschließend auf die gewünschte Länge gesägt und je nach Bedarf mechanisch bearbeitet. Im Druckgussverfahren wird Aluminium in vorgegebene Konturen gegossen und härten dann in diesen aus. Das Verfahren ist für komplexe Kühlkörperstrukturen geeignet, hat aber durch die Verwendung von sogenanntem Druckgussaluminium, wie zum Beispiel EN AC AlSi8Cu3, mit einem kleineren Wärmeleitfähigkeit von 110 bis 130 W/m·K eine schlechtere Wärmeableitung.

Weil Aluminium an der Luft korrodiert, ist eine Oberflächenbehandlung des Kühlkörpers notwendig. Je nach Art dieser Behandlung unterscheidet sich die Oberflächenemission, welche für die Berechnung der Wärmestrahlung berücksichtigt werden muss. Die Aluminiumlegierung EN AW 6060 T66 eignet sich zum Beispiel gut zum Anodisieren: Hierbei liegt der Oberflächenemissionsfaktor bei etwa 0,77 zum idealen schwarzen Körper mit einer Oberflächenemission von 1. Die Eloxalschicht dient gleichzeitig auch als Korrosionsschicht.

Freie Auswahl

Bild 4: Rundkühlkörper, beispielsweise für LED-Anwendungen.Fischer Elektronik

Für die jeweiligen Anwendungen muss der Entwickler die Vor- und Nachteile der verwendeten Materialen abwägen und sich entscheiden. Durch die verschiedenen Herstellverfahren besteht die Möglichkeit für die verschiedensten Anwendungen passende Kühlkörper herzustellen und zu bearbeiten (Bild 4).

Kühlkörperhersteller setzen bei der Kühlkörperentwicklung neben ihrer Erfahrung eine computergestützte Wärmesimulation ein. Damit erreichen sie für die jeweiligen Anwendungen das effektivste Kühlkörperdesign. Dies garantiert eine bestmögliche Wärmeabfuhr.

(jck)