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Mit Wasserkühlern zu effektivem Thermomanagement

07.08.2006
Höheres Wärmeaufkommen elektronischer Leistungsmodule mit innovativen Flüssigkeits-Kühlkörpern im Griff

Bislang war die Technologie der Kühlkörpersysteme insbesondere auf dem Sektor der Hochleistungs-elektronik stets im Zugzwang. D.h., dass nach wie vor die Steigerung des elektronischen Leistungsvermögens im Vordergrund steht, jedoch die Verfahren und Methoden der Kühltechnik aufgeschlossen haben. Denn mit den neuen Entwicklungen von Flüssigkeits-Kühlkörper-systemen kommen vielversprechende Lösungsansätze auf den Markt. Mit diesen Systemen wird der Kühlkreislauf in direkten Kontakt mit der Wärmequelle gebracht, wobei 15 bis 25% mehr Wärme als in vergleichbaren Kühlsystemen abgeleitet wird. Diese Kühlsysteme zeichnen sich neben ihrer hohen Wärmeableitung, individuellen Ausgestaltung und geräuschloser Kühlung durch Wirtschaftlichkeit aus. Aufgrund von Standardisierung, applikations-spezifischem Design und Materialauswahl, robuster Bauweise und Wartungsfreiheit weisen sie eine hohe Lebensdauer auf. Hinzu kommt, dass die höhere Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Wärmeabführung im Vergleich zu den herkömmlichen Kühlkörpersystemen kostengünstiger erzielt wird. Diese vorteilhaften Eigenschaften bieten dem Anwender eine hinreichende Skalierbarkeit und hohe Investitionssicherheit.


Schematische Darstellung eines Flüssigkeits-Kühlkreislaufs (Quelle: Contrinex GmbH, Nettetal)

Mit der Weiterentwicklung der elektronischen Bauelemente steigt die Verlustleistung und damit das Wärmeaufkommen auf den elektronischen Baugruppen überproportional an. Zwar werden diese Bauteile immer kleiner, doch ihre Leistungsfähigkeit nimmt zu und somit die abzuführende Wärme. Weiterhin können aufgrund ihrer Kompaktheit diese Elemente auf engerem Raum platziert werden, so dass nochmals ein höheres Wärmeaufkommen zustande kommt. Es werden Verlustleistungen erreicht, die im Falle einer Lüfterkühlung nur noch mit aufwändigen und voluminösen Kühlkörpern realisierbar wären – und daher nicht vertretbar. Bei hohen Verlusten stößt die Luftkühlung eindeutig an ihre Grenzen. Die neuen Hochleistungsprozessoren liefern etwa 70 bis 100 W auf einer Fläche von ca. 10 cm2 und erreichen damit eine weitaus höhere Wärmestromdichte, als dies auf einer vergleichbaren Fläche eines Herdes der Fall ist. Die Elektronikhersteller prognostizieren, dass in den nächsten Jahren ein weiterer Anstieg der Abwärme zu erwarten sein wird.

Wasser kühlt auch “heiße Elektronik“

Im Hinblick auf diese Entwicklung wendet sich für derartige Anwendungsfälle die Fachwelt der Fluid orientierten Kühlung zu, die Kühlleistungen von 25 kW erzielt. Dass “kühle“ Flüssigkeiten als Wärmetransportmedien genutzt werden können, ist nicht neu. Insbesondere kann Wasser pro Volumeneinheit wesentlich mehr Wärme abführen als beispielsweise Luft. Eine dünne Wasserleitung ist um ein vielfaches effektiver als eine Lüfter betriebene Kühlung. Denn Wasser hat eine um den Faktor 4.000 höhere spezifische Wärmekapazität als Luft.

Flüssigkeit-Kühlkörper kommen mit sehr geringen Übertragungsflächen aus und sprengen daher nicht die vorgegebenen Abmessungen der zu kühlenden Baugruppen. Diese Kühlsysteme sind sehr leistungsstark, da ihr Einsatz es ermöglicht, dort wo die Wärme unmittelbar entsteht – an den elektronischen Hochleistungselementen auf den Baugruppen – den Kühlungsprozess einzuleiten. Der Abtransport der Kühlflüssigkeit zu einem Ort, an dem die Wärme entzogen oder weiter genutzt werden kann, lässt sich einfach realisieren. Damit bilden derzeit die innovativen Flüssigkeits-Kühlkörper die obere Leistungsklasse der Kühlkörper-technologie. Es werden Kühlkreisläufe realisiert, in denen Fluide wie Wasser, Öl, Alkohol oder auch bestimmte Gase zur Kühlung dienen.

Innovative Flüssigkeitskühlkörper halten mit den Anforderungen Schritt

Contrinex und der Kühlkörperspezialist PADA tragen mit dem Flüssigkeits-Kühlkörpersystem Superplate den aufgezeigten Aspekten und der permanenten Weiterentwicklung auf dem Sektor der IBGT’s (Isolated Gate Bipolar Transitor) und anderen elektronischen Leistungsmodulen mit dem Schritt zur “reinen Wasserkühlung“ Rechnung. Diese Hochleistungs-kühlkörper bieten eine kostengünstige Lösung zur konzentrierten, effektiven Wärmeabführung von Leistungs-halbleitern und genügen den Richtlinien IEC 77. Neben den bereits aufgeführten bemerkenswerten Vorteilen dieser Kühltechnologie wird auch die Möglichkeit genutzt, Bereiche zu separieren, in denen die Wärme entsteht, von denen in welche sie abgeführt wird. Darüber hinaus verhindert das System Geräusche und Vibrationen.

Die Superplate-Komponenten lassen sich sehr leicht zu einem typischen Kühlsystem montieren. Es besteht aus einer Zirkulationspumpe, einem Ausgleichsbehälter, einem Wärmetauscher und aus dem eigentlichen Superplate. Als Material für diese Kühlplatte wird für gewöhnlich Aluminium oder Kupfer gewählt. Im Prinzip wird zwischen drei grundsätzlichen Varianten der Flüssigkeitskühlkörpersysteme bei Contrinex unterschieden. Einmal stehen Kühlplatten aus Aluminium (AlMgSi0,5) oder Kupfer zur Verfügung. Sie sind mit kernlochgebohrten oder extrudierten Kühlkanälen und mit seitlichen Verschraubungen, die zur Realisierung des Wasserkreislaufs dienen, ausgestattet. Die anderen Varianten bilden ebenfalls Aluminiumplatten jedoch entweder mit eingepresstem Kupferrohr oder alternativ mit Edelstahlrohr. Welche Rohre integriert werden, hängt zum Teil von eingesetzten Kühlfluiden ab. So macht es Sinn, bei aggressiven Medien den Edelstahlrohren (V2A / V4A) den Vorzug zu geben. Die Rohrbögen liegen in Größenordnungen von 30,5 bis 90 mm und können auch innerhalb der Platten liegen. Zu diesem System stehen die entsprechenden Verbindungselemente wie Krümmer in verschiedenen Radien sowie unterschiedlichen Anschlüssen zur Verfügung. Die Kühlsysteme können außer mit Wasser auch mit anderen Flüssigkeiten bis zu einem garantierten Druck von 10 bar betrieben werden.

Harmonie der Werkstoffe und präzise Fertigung sind Voraussetzung

In exakt gefräste U-förmige Nuten auf der jeweiligen Kühlplattenfläche werden diese Kühlleitungen eingepresst und mit Hilfe eines Spezialklebers, einem leitenden Harz, werden mögliche thermische oder mechanische Unterbrechungen ausgeschlossen, die die Wärmeableitung beeinträchtigen könnten. Um den Rohren – auch Heatpipes genannt – einen idealen Sitz zu bieten, sind alle Auflageflächen der Platten mit seitlichen Löchern passend gefräst. Dabei werden eine Flachheit von 0,01 / 150 mm und eine Rauheit von Ra

Die Frage, welches Material sich für die jeweilige Kühllösung sich am besten eignet, entscheidet nicht allein der Preis, sondern Wärmeleitfähigkeit, Gewicht und diverse Einsatzkriterien. Zwar liegt die Verwendung von Aluminium nahe, da es im Vergleich zu Kupfer oder Edelstahl preiswerter ist. Doch soll z. B. sogenannten Wärmenestern begegnet werden, bietet sich Kupfer als der bessere Leiter an – trotz dreifach höherem Gewicht. Kupfer oder Kupferlegierungen kommen z. B. zum Einsatz, wenn sich die Verwendung von Aluminium aus Korrosionsgründen ausschließt. Bei Kühllösungen mit deionisiertem Wasser finden wiederum Edelstahllegierungen Verwendung.

Kombinationsvielfalt durch flexiblen Standard

Um die Fertigung der wassergekühlten Platten schnell und kostengünstig zu realisieren, wurden die einzusetzenden Materialien weitesgehend standardisiert. So auch die Geometrie der auf Lager befindlichen Rohre. Diese Standardelemente kommen einzeln oder im Zusammenbau mit den passenden, praxisgerechten Verbindungen zum Einsatz. Superplate ist entsprechend der kundenspezifischen Belange in verschiedenen Abmessungen und Konfigurationen verfügbar. So können u. a. spezielle Anschlüsse zur Montage werksseitig vorgesehen werden, oder es werden auf Kundenwunsch 1/4 “, 1/2 “ und 3/4 “ GAS-Verbindungen an die 10 mm Rohrendungen angelötet. Darüber hinaus sind alle gängigen Innen- und Außengewindeanschlüsse erhältlich.

Um den individuellen Anforderungen noch gerechter zu werden, kann ein derartiges Kühlsystem mit Kanälen in Parallel-, Reihen- und gemischter Ausführung ausgelegt werden. Ein Optimum der angestrebten Kühllösung in den gegebenen räumlichen Grenzen und unter thermischen Vorgaben kann durch eine Simulation erreicht werden. Contrinex bietet generell Interessenten im Vorfeld an, mit entsprechenden Softwareprogrammen eine kostenlose Wärmesimulation, die u.a. Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturdifferenzen ermittelt, durchzuführen. Auf diesem Wege lässt sich eine exakte Auslegung des jeweiligen Kühlkörpers erzielen.

Mit Wärmesimulation stets auf der sicheren, “kühlen“ Seite

Kann für einen Anwender aus dem Standardprogramm nicht die optimale Lösung für seine individuellen Belange konfiguriert werden, so empfiehlt sich die Simulation zur Entwicklung eines applikationsspezifischen Wasserkühl-aggregats. Mit der Simulation der Temperaturverteilung kann gezielt die Dimensionierung, der Kühlkreislauf, die Anzahl und die Anordnung der Rohre – beispielsweise gleichgefächert – entworfen werden. Die Ermittlung der erforderlichen Kühlleistung erfolgt u. a. unter der Berücksichtigung der Durchflussmenge, des Druckabfalls, der Verlustleistung und Anordnung der Bauteile.

Die Rohrverläufe werden exakt definiert, wobei auch auf eine möglichst gleichmäßige Wärmeabfuhr aus dem Bereich der elektronischen Bauteile bzw. Baugruppen geachtet wird. Das Modell des konzipierten Kühlsystems wird einem abschließenden Analyseverfahren unterzogen, bei dem u. a. der Prüfdruck in Bezug auf den späteren Betriebsdruck von 10 bar unter Berücksichtigung eines ausreichenden Sicherheitsfaktors wesentlich höher liegt. Dabei wird der Durchfluss bzw. die Durchflussgeschwindigkeit des jeweiligen Mediums bei unterschiedlichen Durchmessern der Rohre in Betracht gezogen, um so in der praktischen Umsetzung den größtmöglichen Kühleffekt zu unterstützen.

Es fließen auch die Aspekte der Lebensdauer und der Instandhaltung der involvierten Komponenten des geplanten Kühlsystems ein. Die Ergebnisse derart durchgeführter Simulationen führen zu präzisen Kundenzeichnungen, auf deren Basis die spätere Fertigung und Montage der Flüssigkeit-Kühlkörpersysteme Superplate erfolgt. Mit dieser Vorgehensweise können die optimalen Leistungsdaten elektronischer Bauteile und Baugruppen erzielt, Fehlinvestitionen oder zusätzliche Nachbearbeitungen vermieden werden.

Die Technologie der Flüssigkeits-Kühlkörpersysteme empfiehlt sich als die konsequente Alternative, um auch bei weiteren elektronischen Leistungsverdichtungen mit entsprechend höheren Verlustleistungen eine effektive Wärmeableitung entgegenzusetzen. Die im Superplate-Konzept umgesetzte Technologie ermöglicht zudem eine große Flexibilität in der Ausgestaltung der Kühlkreisläufe. Darüber hinaus schätzen die Anwender, dass sich diese Kühlung geräuschlos vollzieht, keine Lüfteraggregate benötigt werden und damit auch Energie gespart wird. Mit der erzielten Wirtschaftlichkeit, Sicherheit und individuellen Anpassbarkeit hat sich diese Art der Wärmeabführung im Markt der elektronischen Leistungshalbleiter bereits mit den ersten Projekten sehr schnell etabliert.

Dr. R. V. Schüler | Contrinex GmbH
Weitere Informationen:
http://www.contrinex.de

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