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Coole Halbleiter leben länger


3. August 2005

Neue Hochleistungskühlkörper mit Superpowerprofilen


Die Anforderungen des Marktes sind im Prinzip nicht neu. Denn stets besteht bei elektronischen Applikationen der Wunsch nach kompakteren und leistungsfähigeren Bauelementen sowie Baugruppen. Die neusten Technologien im Bereich der Personal- und Industrie-computer mit ihren Prozessoren, Chipsätzen, Speichern und Grafikkarten bestätigen dies augenscheinlich. Doch praktisch in allen Anwendungsgebieten beim Einsatz von Leistungshalbleitern setzt sich dieser Trend fort. Die derart erweiterten Features wie hohe Rechen-geschwindigkeit, Reproduzierbarkeit und Stabilität bringen in aller Regel einen Anstieg der Stromstärke in den einzelnen Komponenten mit sich, so dass insgesamt ein größeres Wärmevolumen aufkommt. Die enge Raumausnutzung im Sinne der Kompaktheit trägt noch ihren Teil dazu bei. Der Anstieg der erzeugten Wärme und Wärmestromdichte macht es für den jeweiligen System- bzw. Gerätedesigner unabdingbar, das entstehende Wärmeumfeld zu analysieren und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen – Kühlung tut not.

Ein neues und mittlerweile etabliertes Kühlkonzept wurde mit den Superpowerprofilen von dem Kühlkörperspezialisten PADA entwickelt. Es wird von Contrinex im deutsch-sprachigen Raum vertrieben sowie in diversen Projekten und Produktreihen bereits realisiert. Dieses Kühlkonzept basiert auf dem optimalen Wärmeableitungsvermögen der Profile sowie durch Hinzunahme geeigneter Lüfteraggregate und präsentiert sich wesentlich leistungsfähiger gegenüber dem Kühlkörpereinsatz mit freier Konvektion. Die Vorteile kommen vor allem beim Einsatz von Leistungshalbleitern zum Tragen. Effizienz, Wirkungsgrad, Flexibilität und Kühleigenschaften werden erhöht. Dagegen reduzieren sich Gewicht, Volumen und Kosten. Superpower Kühlkörper eignen sich für viele Applikationen: von der Stromversorgung über eisenbahntechnische Anwendungen bis hin zu Telekommunikationssystemen, USV’s, medizintechnischen Geräten, Luft- und Raumfahrt.

Kombinationsvielfalt durch Modularität

Diese Hochleistungskühlkörper zur Kühlung von Leistungs-halbleitern genügen den Richtlinien IEC 77 und zeichnen sich auch durch ihre Modularität aus. Das Zusammenwirken von Wärme, mechanischen Charakteristika und Wirtschaftlichkeit wurde optimiert. Es betrifft die Abmessungen der Kühlrippen (Höhe, Stärke, Form), Abstände, Material und Gewicht sowie die Lenkung der Luftströme. Bei dem verwendeten Material handelt es sich um Aluminium (AlMgSi0,5). Das unverwechselbare Kennzeichen der Superpower-Produktlinie ist die Fertigung des Kühlkörperbodens inklusive der Rippe als Einzelmodul. Verschiedene Module werden dann applikationsspezifisch zusammengesetzt. Diese Technologie erlaubt viele Kombinationen von Kühllösungen in gegebenen räumlichen Grenzen und thermischen Vorgaben.

Lüfterunterstützung steigert die Effizienz

Ideal ist die Wirkung bei lüfterunterstützter Kühlung. Wobei die einzelnen Module immer passend auf bestimmte Lüftergrößen abgestimmt sind. Mit der Nutzung leistungsstarker Ventilatoren ist es möglich, die Wärmebeständigkeit unter 0,01 C/W zu halten, so dass die Werte vergleichbar sind zu den Eigenschaften von Wasserkühlkörpern. Eine der typischen Konzeptionen zur optimierten Wärmeableitung besteht darin, beispielsweise zwei Axial-Lüfter einzusetzen, wobei einer das Profil unter Druckluft setzt und der andere die Luft ansaugt, um sie an die äußere Umgebung abzugeben.

Die Leistung dieser Hochleistungskühlkörper ist um einiges effizienter als bei herkömmlichen, extrudierten Profilen. Das hängt damit zusammen, dass beispielsweise der Rippenabstand im Verhältnis zur Bodendicke und Höhe steht und bei extrudierten Profilen eine bestimmte Distanz nicht unterschritten werden darf. Die gesamte Breite dieser Profile besteht aus einem Teil. Hingegen handelt es sich bei den Superpowerprofilen um zusammengepresste Rippen, Doppelrippen oder Module, so dass der Rippenabstand deutlich geringer ausfällt. Somit erhält man bei diesen Superpowerprofilen, aufgrund der größeren Anzahl von Rippen bei gleicher Höhe und gleicher Breite, eine weitaus größere Oberfläche zur Kühlung und somit auch eine bessere Leistung. Vergleichende Untersuchungen zeigten einen Verbesserungsgrad von ca. 20 bis 25 % auf.

Um diese Verbesserung zu verdeutlichen, sei auf das folgende Beispiel verwiesen. In dieser Betrachtung werden in einer freien und erzwungenen Konvektion das Superpowerprofil P6T 300/200 unmittelbar mit dem standardisierten Extruderprofil 8369/200 verglichen. Eingesetzt wurden bei diesem Projekt zwei axiale Ventilatoren (119 x 119 /38 mm), bei einem Luftvolumen von 1.000 m³/h, einem statischen Druck von 0,32 hPa und einem 40 mm-Einsatz für den Luftstrom. Unter der Voraussetzung der gleichen Wärmeableitung haben vergleichende Analysen ergeben, dass für das gezogene Profil mit einem Volumen von 0,00504 m³ gegenüber dem P6T 300/200 mit 0,00366 m³, ca. 33 % mehr Material, also Kühlfläche, aufgewendet werden muss. Dementsprechend schlägt sich dies auch mit einem um 37 % höheren Gewicht nieder, und der thermische Widerstand bei dem gezogenen Profil liegt um 18 % höher als bei dem Superpowerprofil.

Die Vorteile des erzwungenen Luftstromes in Verbindung mit den neuartigen Profilen wird beispielsweise an den Verhaltenskennlinien für den thermischen Widerstand bei zunehmender Verlustleistung (Pd) deutlich. Vergleicht man an dem 24 mm breiten und 200 mm langen Superpowerprofil P6S den Kühleffekt bei Verwendung eines Lüfters mit einem Luftstrom von 3 m/s und einem Strömungsvolumen von 30 m³/h gegenüber einem Luftstrom von 6 m/s und einer Strömung von 60 m³/h, ergibt sich eine beachtliche Reduzierung des thermischen Widerstands (Rth). Interessant ist dabei zu erkennen, dass die Oberflächentemperatur (Ts) deutlich abnimmt und die Umgebungstemperatur (Ta) einen geringen Anstieg erfährt.

Kompakt und dennoch mehr Kühlfläche

Bei den herkömmlichen gezogenen Profilen beträgt der Rippenabstand normalerweise 1 : 6, demzufolge ergibt sich bei 1 mm Abstand eine Höhe 6 mm. Beispielsweise verbleibt bei Superpowerprofilen mit einer Höhe von 120 oder auch 125 mm und einem Abstand von 4 mm von Rippenmitte zu Rippenmitte ein bemerkenswerter Zwischenraum von nur 2,5 mm – undenkbar bei den herkömmlichen Profilen. Die standardmäßig zur Verfügung stehenden Module besitzen Bodenstärken von 10 bis 17 mm und sind in Höhen bis zu 134 mm lieferbar.

Als sehr vorteilhaft erweist sich in der Praxis die Tatsache, dass für diese Powerkühlkörper auch Seitenwände bereitgestellt werden können, so dass auch eine seitliche Montagemöglichkeit besteht. Dass auf diesem Wege weitere Kühlflächen entstehen, liegt auf der Hand. Bei Einpressung der Seitenwände ergeben sich prinzipiell dreiseitige Montage-möglichkeiten. Größere Module sind auch mit doppelseitigen Böden verfügbar, was bedeutet, dass bei Verwendung von Seitenteilen eine vierseitige Montagemöglichkeit vorhanden ist.

Häufig steht der Anwender gerade bei Neuprojekten vor der Problemstellung „wird das ausgewählte Profil den Kühl-anforderungen gerecht?“ Bei gezogenen Profilen wird entweder auf ein Standardprofil zurückgegriffen oder es muss ein entsprechendes Werkzeug erstellt werden, um das Profil nach Kundenwunsch zu fertigen. Das kann den Nachteil mit sich bringen, dass im nachhinein entweder das Werkzeug verschrottet werden muss oder ein Kühlkörper zum Einsatz kommt, der unter Umständen nicht ganz den Anforderungen entspricht, weil er z. B. über- oder unterdimensioniert wurde.

Mehr Freiheitsgrade bietet das Powerprofil

Mit der Entscheidung, ein Powerprofil zu verwenden, besteht die Möglichkeit, dem Profil eine kundenspezifische Ausprägung zu geben. Der Anwender bestimmt beispiels-weise aufgrund der Zusammenpressung der einzelnen Module selbst die Breite des Hochleistungskühlkörpers. 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 unterschiedlichen Profilhöhen, einem breiten Spektrum an Befestigungsmöglichkeiten z. B. in den Außenwandungen, CNC- und Oberflächenbearbeitungen im Hinblick auf die Oberflächengüte, können die individuellen Belange vor Ort optimal berücksichtigt werden.

Was in vielen technischen Bereichen „state of the art“ ist, Baugruppen in Modulbauweise zu konfigurieren, trifft jetzt auch für Kühlkörper zur Kühlung von Leistungshalbleitern zu. Das neue Kühlkonzept in Verbindung mit der Technologie erfüllt einen höchstmöglichen Flexibilitätsgrad, und die benötigte Effizienz wird für die individuelle Anwendung erzielt. Diese Hochleistungskühlkörper kommen dort zum Einsatz, wo sehr hohe Verlustleistungen, wie beim Einsatz von Frequenzumrichtern, abgeführt werden müssen.

Weitere Informationen: www.contrinex.de


 

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