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Vor einigen Jahren kam ein Aufschrei aus dem Lager der Hersteller von Mikroprozessoren für PCs und Server, weil die erzeugte örtliche  Leistungsdichte um mehr als den Faktor 5 anstieg, obwohl die absoluten Verlustleistungen von  Prozessoren in den letzten Jahren nur bescheiden anwuchsen. Mehrkernprozessoren produzieren Abwärme nur noch an wenigen Stellen im Silizium. Es bilden sich dabei jedoch Hot-Spots unterhalb der Rechenkerne, die Wärmedichten von mehr als 250 W/cm² erreichen; Tendenz weiter steigend. Führende Prozessorhersteller greifen daher mittlerweile auf entsprechend neue Flüssigkeits-Kühltechniken zum Schutz ihrer Rechenchips zurück.

Bild 2: Wärmeübertragungskoeffizent h bei verschiedenen Arten von Konvektion.

Bild 2: Wärmeübertragungskoeffizent h bei verschiedenen Arten von Konvektion.Mikhail Spokoyny, Drexel University, Philadelphia, USA – Rottmann

Auch bei vielen Applikationen im Bereich Leistungshalbleiter oder Laserkomponenten haben die Experten  das Problem der massiv ansteigenden Leistungsdichten längst erkannt. Auf dem IMAP-Workshop ‚Thermal Management‘ in Palo Alto/Kalifornien im November 2011 kam der Vortrag „The Heat Density Challenge“ zu dem Ergebnis (Bild 2), dass Chip-Stacks (mehrere übereinander angeordnete Chips) die Techniker aktuell vor die größten Kühlprobleme stellen.

Aktuelle Trends in der Flüssigkeitskühlung

Die Tabelle zeigt, dass die Flüssigkeitskühlung der Luftkühlung bei der Wärmeabfuhr großer Leistungen deutlich überlegen ist. Trotzdem müssen die Entwickler auch bei der Flüssigkeitskühlung wichtige Einflüsse berücksichtigen, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.

Aus der Physik ist bekannt, dass der Wärmeaustausch durch Konvektion der Gleichung

Q = h * F * (Tf -Tamb)

genügt.

Dabei steht Q für die übertragene Wärmemenge in W, h für den Wärmeüber­gangskoeffizienten, der die Einheit  W/(cm² * K) trägt, F für die in cm²  gemessene Fläche der aktiven heißen Oberfläche,Tf  für die Temperatur der heißen Oberfläche und Tamb für die Temperatur des Kühlmedi­ums, jeweils gemessen in K oder °C. Der thermische Widerstand Rth eines Kühlers ergibt sich aus seiner Fähigkeit, Wärme an das Kühlmedium abgeben zu können.

Bild 3: Typische Igel-Struktur Pin-Fin zur Oberflächenvergrößerung bei Metallkühlern.

Bild 3: Typische Igel-Struktur Pin-Fin zur Oberflächenvergrößerung bei Metallkühlern. CTS – Rottmann

Gemäß der Formel führt eine Vergrößerung der Wechselwirkungsfläche F zwischen heißer Kühlplatte und Kühlmedium zu einer Verringerung des thermischen Widerstands. Eine reine Oberflächenvergrößerung, beispielsweise durch Igelstrukturen, ist schon seit langer Zeit ein probates Mittel zur Kühlkörperoptimierung im Fahrzeug, reicht aber bei den zuvor genannten Leistungsdichten bei weitem nicht mehr aus. Die Oberfläche lässt sich in den meisten Fällen dadurch lediglich verdoppeln bis verzehnfachen (Bild 3).

Das entscheidende Interesse fällt zunehmend auf eine gezielte Vergrößerung des Wärmeübertra­gungskoeffizienten h, dessen Wertebereich über ganze 5 Größenordnun­gen variiert (siehe Tabelle). Der Wärmeübertragungskoeffizient h hängt wesentlich von der Ausbildung der inneren Grenzschicht zwischen der heißen Festkörperoberfläche und dem umspülenden Kühlmedium ab. Wenn sich eine ausgedehnte Grenzschicht bildet, bleibt die Wärmeabgabe trotz des großen Temperaturun­terschieds massiv eingeschränkt. In diesem Falle weist auch ein Kühler mit vergrößerter Oberfläche einen noch immer schlechten thermischen Widerstand auf.

Bild 4: Aufbau eines Mikrokanalkühlers.

Bild 4: Aufbau eines Mikrokanalkühlers. CTS – Rottmann

Einen verbreiteten Ansatz zur Minimierung der internen Grenzschicht liefern Kühler auf Basis von Mikrokanälen (Bild 4). Die Mikrokanaltechnologie platziert künstli­che Kanäle in der Größenordnung der isolierenden Grenzschicht an der Unterseite des warmen Festkörpers, die dann vom Kühlmedium durchflossen werden.

Durch diese Geometrieanordnung wird die Ausbildung einer isolierenden Grenzschicht nahezu unterbunden und es ergeben sich Kühlplatten mit sehr geringen thermischen Widerständen. Je filigraner und verzweigter die Kanäle sind, desto besser das Ergebnis. Die typischen Kanalabmessungen liegen mittlerweile bei 10 bis 50 µm. Damit steigt allerdings der hydraulische Widerstand Rhyd massiv an, und dieser Aspekt ist der zweite wesentliche Kennwert eines Flüssigkeitskühlers, da sich das Kühlmittel aufgrund der engen Querschnitte nur mit erhöhtem Pumpendruck in ausreichender Geschwindigkeit durch die Strukturen pumpen lässt. Ferner neigen die filigranen Strukturen zur Ver­stopfung, wenn das Kühlmedium nicht fein genug gefiltert wird. Für einen Einsatz im Auto ist dieses Konzept daher nicht geeignet.

Swirling Jet-Streams – Technologie

Eine echte Alternative bietet die turbulente Flüssigkeitskühlung (Swirling Jet-Streams), bei der der Wärmekoeffi­zient h bis auf weniger als eine Größenordnung an die Werte einer Zweiphasenkühlung herankommt. Das US-amerikanische Unternehmen Cool Technologies Solutions (CTS) hat in Zusammenarbeit mit Intel in den letzten drei Jahren auf Basis dieses Prinzips hocheffiziente Flüssigkeitskühler für Prozessoren und Leistungshalbleiter mit erstaunlichen technischen Daten entwi­ckelt (Bild 5).

Bild 5: Hocheffizienz-Flüssigkeitskühler mit Swirling Jet-Streams-Technologie für ein- und beidseitige Kühlapplikationen.

Bild 5: Hocheffizienz-Flüssigkeitskühler mit Swirling Jet-Streams-Technologie für ein- und beidseitige Kühlapplikationen.CTS – Rottmann

Aufgrund der eingangs beschriebenen Anforderungen für Prozessoren entstand ein designbares und damit applikationsspezifisches Kühlkonzept basierend auf der Swirling-Jet-Streams–Technologie, das sich auch in der Praxis bewährte. Mit Hilfe von gegenläufigen Wasserstrahlen wird innerhalb des Kühlers eine stark turbulente Strömung direkt unterhalb der heißen Hot-Spots synthetisch so erzeugt, dass sich für den Wärmeübergangskoeffizienten h Werte im Bereich der stark turbulenten Konvektion ergeben, was zu sehr geringen thermischen Widerständen führt.

Diese intern künstlich erzeugten Turbulenzen basieren jedoch auf vergleichsweise großen mechanische Strukturen im Millimeterbereich und können daher auch im Auto gut zum Einsatz kommen, zumal die Kühler nur geringe  Kühlmittel-Durchflussraten erfordern, was sich wiederum in sehr geringen hydraulischen Verlusten positiv niederschlägt. Die Vorteile der Swirling-Jet-Streams-Technologie sind damit offensichtlich: Geringe Zu- und Abflüsse erfordern kleine Pumpenleistungen und Durchflussraten und erzeugen so nur geringe interne Druckverluste, während intern künstliche und lokal ausgerichtete Turbulenzfelder zu beachtlichen Kühlergebnissen führen. Aufgrund der lokalen Platzierung  lassen sich mit diesem Ansatz speziell inhomogene Kühler applikationsspezifisch zur Vermeidung von Hot-Spots mit Leistungsdichten bis zu 900W/cm² designen. Es ist also möglich, ein dediziertes Kühlprofil den örtlich stark inhomogen erzeugten Wärmequellen direkt gegenüber zu stellen.

Bild 6: Simulation zur Darstellung der Verwirbelung innerhalb eines Hocheffizienz-Flüssigkeitskühlers durch den Einsatz von Swirling Jet-Streams-Technologie.

Bild 6: Simulation zur Darstellung der Verwirbelung innerhalb eines Hocheffizienz-Flüssigkeitskühlers durch den Einsatz von Swirling Jet-Streams-Technologie.CTS – Rottmann

Bild 6 zeigt eine Simulation der örtlichen Verwirbelung innerhalb einer solchen Kühlplatte. Die Auslegung des einseitigen Kühlkörpers sollte so erfolgen, dass bei einer Durchflussrate von 3,5 bis 5,5 l/min. und einer max. Kühlmitteleinlasstemperatur von +105 °C die Sperrschicht-Temperatur der Halbleiter einen Wert von +150 °C nicht überschreitet.

Ergebnisse am Beispiel eines Powertrain-Designs

Basierend auf einer Anordnung gemäß Bild 7 simulierte Cool Technologies die thermischen Bedingungen einer typischen Powertrain-Applikation, wie sie auch bei E-Fahrzeugen vorkommt. Das Ergebnis der Ansys-Simulationen gemäß Bild 9 zeigt, dass bei einer Wärmeleistungsdichte von bis zu 100W/cm² ein thermischer Widerstand des Kühlers von lediglich 0,15 (K*cm²)/W erzielt wird. Aktuelle Designs liegen meist um den Faktor 2 bis 5 höher, so dass der Einsatz der Swirling-Jet-Streams-Technologie im Vergleich dazu eine direkte Leistungs­steigerung um den Faktor 2 bis 3 ermöglicht.

Fazit

Die Swirling-Jet-Streams-Technologie erschließt die Konzeption von hocheffizienten Flüssigkeitskühlern mit sehr geringen thermischen und hydraulischen Widerständen. Mit Hilfe von lokal synthetisch erzeugten starken Turbulenzen werden gerade die Hot-Spots, die unter den Leistungshalbleitern in Fahrzeugmodulen zwangsläufig entstehen, durch eine höhere örtliche Kühlleistung wirkungsvoll entschärft. Die so erzielte Effizienzstei­gerung ermöglicht es, entweder die Verlustleistung innerhalb eines vorgegebenen Bauvolumens massiv zu steigern, oder – bei unveränderter Wärmeerzeugung – das Bauvolumen deutlich zu verkleinern. Aber auch die Möglichkeit zur Kostenreduktion steht ganz oben an: Ein höherer Kühlungswirkungsgrad erlaubt den Einsatz von thermisch zwar schlechteren, aber deutlich preiswerteren Basismaterialien im Kühlerbau.

Bild 7: Typische Powertrain-Applikation als Ausgangssituation für die thermische Simulation.

Bild 7: Typische Powertrain-Applikation als Ausgangssituation für die thermische Simulation.CTS – Rottmann

So lässt sich unter gleichen Randbedingungen (Verlustleistung, Bauvolumen) beispielsweise ein teurer konventioneller Kupferkühler durch ein in Swirling-Jet-Streams-Technologie realisiertes Teil aus Aluminium oder AlSiC ersetzen, ohne dabei eine thermische Verschlechterung in Kauf nehmen zu müssen. Die anfängliche Investition in ein spezifisches Kühlungsdesign amortisiert sich dann über geringere Materialkosten in der späteren Serienfertigung recht schnell. Alle drei Resultate, Leistungssteigerung und/oder Volumenverkleinerung sowie Kosten- und Gewichtsersparnis, sind im Fahrzeugbau hoch willkommen.

Bild 8: Ergebnis der Worst-Case-Simulation: Verlustleistung pro IGBT/MOSFET

Bild 8: Ergebnis der Worst-Case-Simulation: Verlustleistung pro IGBT/MOSFET = 80 W, Kühlmitteltemperatur Tliquid in, max. = +105 °C, Erwärmung der Halbleiter um nur 12 °C auf Tjunction = +117 °C.CTS – Rottmann

Geringere Durchflussraten erfordern kleinere Pumpenleistungen und bedeuten damit auch weniger Energieaufwand, geringeres Geräusch und gegebenenfalls auch einfachere mechanische Konstruktionen. Abhängig von dem verwendeten Kühlmedium, der weite­ren Materialien im Kühlkreislauf (wesentlich für Korrosionsschutz) und den örtlichen Einbaubedingungen eignen sich alle automobiltaugliche Werkstoffe wie Kupfer, Aluminium, ALSiC oder auch temperaturfeste Kunststoffe  zum Kühlplattenbau unter Verwen­dung der Swirling-Jet-Streams-Technologie. Neben einseitigen können mit dieser Technik auch doppelseitige Hocheffizienz-Kühler realisiert werden. Selbstverständlich kann die Kühlplatte auch direkt Teil des Modulgehäuses werden und dann neben der Hauptfunktion „Kühlung“ weitere Eigenschaften im Fahrzeug (Design, Mechanik) mit übernehmen.

Auf-einen-Blick

Hocheffizienz-Flüssigkeitskühler
Die „Swirling Jet-Streams“ genannte Technologie ermöglicht das gezielte Auslegen von Flüssigkeitskühlern mit spezifischen Kühlprofilen. So lassen sich Hot-Spots direkt unter den Leistungshalbleitern vermeiden, Verlustleistungen nochmals massiv steigern und/oder Bauraumvolumina verkleinern. Ferner ermöglicht die verbesserte Kühleffizienz auch eine Kostensenkung durch den Einsatz von thermisch zwar schlechteren aber deutlich preisgünstigeren Materialien.

Link zum europäischen Repräsentanten der Technologie.


Dr. Frank Rottmann

arbeitet unabhängig als Beratender Ingenieur für Mikroelektronik.

(av)

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