Abb1_applikationsspezifische_Kuehlkoerper

Applikationsspezifische Kühlkörper für unterschiedliche Anwendungen. (Bild: CTX Thermal Solutions)

| von Wilfried Schmitz

Eckdaten

CTX Thermal Solutions bietet eine Vielzahl von Kühlkörpern mit passiver oder aktiver Kühlung. Falls ein Produkt von der Stange einmal nicht ausreicht, konzipiert das Unternehmen auch individuelle Lösungen auf Basis einer thermischen Simulation.

Die Leistungsdichte elektronischer Bauteile jüngster Generation macht das thermische Management zu einer Herausforderung. Der Grund: Mehr mikroelektronische Bauelemente pro Fläche ziehen größere Leistungsdichten und damit höhere Verlustleistungen nach sich. Der Auswahl eines geeigneten Kühlkonzepts kommt bei der Entwicklung neuer Technologien und Geräte folglich eine immense Bedeutung zu. Gefragt sind leistungsstarke Kühlkonzepte, die passgenau auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt sind. Nur so lässt sich eine thermische Überbelastung der empfindlichen Bauteile vermeiden, die Fehlfunktionen und einen frühzeitigen Ausfall nach sich zieht.

Breit gefächertes Kühlkörpersortiment

CTX Thermal Solutions bietet neben einem breit gefächerten Kühlkörpersortiment sofort lieferbarer Standardausführungen auch CNC-Maßanfertigungen. Der Spezialist für Elektronikkühlung vertreibt Kühlelemente für die Automobil-, Haushalts- und Unterhaltungselektronik. Hinzu kommen Hochleistungskühlkörper für industrielle Netzteile und Computer sowie spezielle Lösungen für den Bereich der regenerativen Energien sowie für Haus- und LED-Technik. Das Produktspektrum reicht von wenige Millimeter großen Kühlkörpern für SMD-Bauelemente bis zu 200 kg schweren Flüssigkeitskühlkörpern wie sie für Wechselrichter in Eisenbahnen typisch sind. Ebenso bietet CTX auf die Kühlkörper abgestimmte Lüfter und Gehäuse an, um die Elektronikkomponenten in den verschiedenen Branchen zu schützen.

Passiv oder aktiv: Die Anwendung entscheidet

Abb2_Aluminium-Stranggussprofile

Aluminium-Stranggussprofile leiten große Wärmemengen zuverlässig ab und zählen zu den Klassikern unter den passiven Elektronikkühllösungen. CTX Thermal Solutions

Welcher Kühlkörper zu welcher Anwendung passt, hängt in erster Linie von den Einbauverhältnissen sowie der Verlustleistung des zu kühlenden Bauteils ab. Zur Wahl stehen passive und aktive Kühlsysteme. Ein passiver Kühlkörper führt die Wärme vorrangig durch Konvektion ab. Die erwärmte Umgebungsluft steigt auf und lässt kühlere Luft nachströmen. Entscheidend dafür sind eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials, eine große Oberfläche und ein ausreichend großer Abstand zwischen den Kühlrippen des Kühlelements. Grundsätzlich gilt: Wann immer Bauraum und Verlustleistung es erlauben, sollte aus Gründen der Langzeitzuverlässigkeit und der Kosten die Wahl auf eine passive und damit lautlose Kühllösung fallen. Das CTX-Produktportfolio in diesem Bereich umfasst mehrere Modelle in unterschiedlichen Formen und Varianten.

Kühlkörper aus Aluminium-Stranggussprofilen zählen zu den Klassikern unter den passiven Elektronikkühllösungen. Sie leiten große Wärmemengen zuverlässig ab, sichern den stabilen Betrieb der Bauteile und erhöhen deren Lebensdauer. Ebenso arbeiten die CTX-Kühlkörper für SMD-Bauelemente nach diesem Prinzip. Sie ermöglichen eine sehr dichte, auch beidseitige Bestückung von Leiterplatten und tragen durch ihren geringen Platzbedarf zur Miniaturisierung der Geräte bei.

Erzwungene Kühlung

Abb3_LED-Kuehlkoerper

Design follows Function: Bei der Kühlung von LEDs fungiert häufig die gesamte Leuchte als Kühlkörper. CTX Thermal Solutions

Wo passive Kühlkörper an ihre Grenzen stoßen, rücken aktive Kühllösungen in den Vordergrund. Die Entwärmung mit kleinformatigen Lüftern und Gebläsen ist leistungsstärker als die freie Konvektion. Die Lüfter und Gebläse lassen sich sowohl alleinstehend als auch in Kombination mit einem Kühlkörper nutzen, um die entstehende Wärme forciert abzuführen. Solche Lösungen arbeiten bei gleicher Masse etwa sechsmal so effektiv wie ihre passiven Pendants. Entsprechend kompakt können sie bei CTX gebaut werden.

Die Königsklasse der aktiven Kühlung sind Flüssigkeitskühler. Mit ihrer Hilfe lassen sich Kühlkreisläufe realisieren, in denen Fluide wie Wasser, Öl, Alkohol oder auch bestimmte Gase zur Kühlung dienen. Hierbei erfolgt die Wärmeableitung direkt am elektronischen Bauteil, das sich auf dem flüssigkeitsdurchströmten Kühlelement befindet. Bei diesem wärmetechnischen Konzept überzeugt die Effizienz: Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen lassen sich 15 bis 25 Prozent mehr Wärme ableiten. Ein weiteres Plus: Flüssigkeitskühlkörper kommen mit einer sehr geringen

Abb4_Fluessigkeitskuehlkoerper

Flüssigkeitskühlkörper kommen mit einer sehr geringen Übertragungsfläche aus und sind daher kompakt. Dennoch leiten sie 15 bis 25 Prozent mehr Wärme ab als herkömmliche Kühlsysteme. CTX Thermal Solutions

Übertragungsfläche aus und sind daher kompakt. Eine typische Anwendung ist die Kühlung moderner Hochleistungs-IGBT-Module durch Ultra-Hochleistungskühlkörper. Bei dieser Variante leiten breite, in eine Aluminiumplatte eingelassene Kupferrohre die Hitze aus dem Bauelement schnell ab.

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Auch Faktoren wie Material und Format spielen bei der Auswahl des passenden Kühlkörpers eine zentrale Rolle. Die thermische Leistung ergibt sich aus der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials, der Größe der Oberfläche und der Masse des Kühlkörpers. Aluminium zeichnet sich durch geringes Gewicht bei guter Wärmeleitfähigkeit aus. Mittels Umformung im Extrusionsverfahren wird die Geometrie der Kühlkörper optimiert und den Erfordernissen angepasst. Eine zusätzliche Oberflächenveredlung, beispielsweise durch Eloxieren, verbessert die Wärmeabstrahlung der Kühlkörper nochmals.

Als Alternative steht Kupfer zur Auswahl. Die deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit von Kupfer führt innerhalb des Kühlkörpers zu einer schnellen und optimalen Wärmeverteilung – allerdings zu einem höheren Preis. Um die Kosten gering zu halten, kombiniert CTX beide Materialien und setzt Kupfer nur am sogenannten Hotspot ein, der Stelle mit der höchsten Verlustleistung. Der überwiegende Teil des Kühlkörpers besteht dagegen aus Aluminium.

Kühlkörper für Embedded-Systeme

Abb5_Kuehlkoerper_Kupfer

Maximale Wärmeableitung garantieren vollständig aus Kupfer gefertigte Kühlkörper mit Heatpipes. CTX Thermal Solutions

Abb6_Embedded_Kuehlkoerper

Passgenaue und CNC-gefertigte Lösungen zur schnellen und zuverlässigen Wärmeabfuhr speziell für Embedded-Systeme und Industriecomputer CTX Thermal Solutions

Abb7_extrudierte_ Aluminiumlamellen_SuperPower

Die einzelnen extrudierten Aluminiumlamellen des Super-Power-Kühlkörpers bilden einen kompakten Hochleistungsprofilkühlkörper. CTX Thermal Solutions

Wenn es besonders klein sein muss, kommen Embedded-Kühlkörper zum Einsatz – je nach Anforderungen passiv oder aktiv. Speziell für Embedded-Systeme und Industriecomputer bietet CTX passgenaue und CNC-gefertigte Lösungen zur schnellen und zuverlässigen Wärmeabfuhr. Das Angebot umfasst Kühlkörper mit Kupfer-Inlay zur direkten Installation am Hotspot sowie Heatspreader-Lösungen mit integrierten Heatpipes und Lüftern. Ebenso erhältlich sind komplette Sets, bestehend aus Kühlkörper, Isolierungen, Montagebolzen und projektspezifischem Gehäuse.

Nicht weniger effizient und kompakt sind die Hochleistungskühlkörper von CTX. Die modular aufgebauten hartgelöteten Aluminiumrippenkühlkörper sind ideal für eine Lüfter-gestützte Kühlung. Da beim Hartverlöten die Molekularstrukturen der einzelnen Module bei hohen Temperaturen miteinander vernetzt werden, treten nur minimale Übergangswiderstände zwischen den einzelnen Kühlkörperkomponenten auf. Damit verfügen die Hochleistungskühlkörper über die gleichen technischen Eigenschaften wie Druckgussprofile, sind jedoch bis zu 40 Prozent leichter und kompakter. Sie lassen sich in fast allen Bereichen der Industrie einsetzen – selbst die Kühlung stark vibrierender Motoren ist unproblematisch.

Thermische Simulation ist Thema der nächsten Seite

Ist eine Standardlösung nicht die optimale Wahl, entwickelt CTX zusammen mit dem Konstrukteur den passenden Kühlkörper. Wie dieser im Detail auszulegen ist und wie die Lüfter dimensioniert sein müssen, legt eine thermische Simulation fest. Mit diesem analytischen Prozess lässt sich der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils im Vorfeld berechnen. Voraussetzung ist die Eingabe definierter thermodynamischer Randbedingungen. Dazu gehören zum einen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements mit Bemaßung und Position des Hotspots, also des Moduls, Chips oder ähnlichem, an dem die Verlustleistung auftritt.

Dazu kommen geometrische Einschränkungen, das heißt der zur Verfügung stehende Platz, sowie die für einen optimalen Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur: Ob das zu kühlende Bauteil in einem Büro bei maximal 25 °C, in einem Kühlhaus bei -40 °C oder bei Arbeitstemperaturen von 70 °C beispielsweise in der Nähe von Motoren oder Lichtquellen zum Einsatz kommt, ist eine entscheidende Information. Denn die Differenz ΔT zwischen Umgebungs- und Komponententemperatur fließt ebenfalls in die Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers ein. Dieser Wärmewiderstand Rth ist die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements und maßgeblich für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers. Der Wert Rth gibt an, wie viel Grad Kelvin Temperaturdifferenz erforderlich sind, um die Wärmeleistung von 1 W zu übertragen. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung.

Probleme früh erkennen und Kosten sparen

Speziell bei der Entwicklung eines neuen Produkts kann eine solche thermische Simulation dazu beitragen, mögliche thermische Probleme frühzeitig zu erkennen. Zudem trägt sie durch die Optimierung des Kühlkörperdesigns maßgeblich zur Einsparung von Kühlkörpermaterial und -gewicht bei. Stellt sich beispielsweise heraus, dass durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, des verwendeten Materials oder der Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden kann, spart dies in nicht unerheblichem Maß Material- und Fertigungskosten.

Abb8_CTX_Thermische_Simulation

Mithilfe einer thermischen Simulation lässt sich auf der Basis vorgegebener thermodynamischer Randbedingungen der Temperaturzustand elektronischer Komponenten vorausberechnen oder bestätigen. CTX Thermal Solutions

Mit geeigneten Materialalternativen und Fertigungsmethoden, wie bei hohen Stückzahlen dem Druckguss statt einer aufwendigen CNC-Bearbeitung, lassen sich ebenfalls dank der applikationsspezifischen Lösungen die Kosten reduzieren. Ein weiterer entscheidender Vorteil: Durch die thermische Simulation entfällt in der Regel der kostspielige Part der Prototypenfertigung oder er wird deutlich reduziert. CTX erzielt nicht zuletzt deswegen heute den überwiegenden Teil des Kühlkörpergeschäfts mit projekt- und applikationsspezifischen Produkten.

Infokasten

Einfache Berechnung des Wärmewiderstands eines (Profil-) Kühlkörpers

Der Wärmewiderstand Rth eines Kühlkörpers berechnet sich nach folgender Gleichung:

Rth            =          ΔT/P – RthGM

ΔT       =          Differenz zwischen maximaler Sperrschichttemperatur und Umgebungstemperatur

P         =          Maximale Leistung in Watt, die am zu kühlenden Bauteil anfällt.

RthGM   =          Summe aus dem inneren Wärmewiderstand des zu kühlenden Halbleiters und dem Wärmewiderstand der Montagefläche

Mit dem errechneten Wert kann eine Vorauswahl möglicher (Profil-) Kühlkörper getroffen werden.

Wilfried Schmitz

Geschäftsführer, CTX Thermal Solutions, Nettetal

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