Grundlagen zur Kühlung elektronischer Systeme

Grundlagen zur Kühlung
elektronischer Systeme

Moderne Hochleistungselektronik braucht Kühlung. Die Fertigung von dafür geeigneten Druckgusskühlkörpern lohnt sich aufgrund der hohen Werkzeugkosten erst bei hohen Stückzahlen. Gefragt sind Lösungen, die ebenso leistungsfähig sind und gleichzeitig bereits in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden können. Modular aufgebaute lüftergestützte Hochleistungskühlkörper ermöglichen die Realisierung individueller Lösungen, ohne hohe Werkzeugkosten aufbringen zu müssen.
Landläufig wird angenommen, dass Kühlkörper der Abfuhr der durch Verlustleistung in einem elektronischen Bauelement erzeugten Wärme dienen. Tatsächlich jedoch ist ihre Aufgabe die Vergrößerung der Halbleiteroberfläche und damit die Verteilung der Bauteiltemperatur auf eine wesentlich größere Oberfläche. Dadurch sinkt die Temperatur des Halbleiters und seine Lebensdauererwartung steigt. Wird nicht gekühlt, altert und versagt das Bauteil nach kürzester Zeit.

Theoretische Grundlagen der Wärmeleitung

Die in Wärme umgesetzte Verlustleistung eines elektronischen Bauelements errechnet sich aus dem materialabhängigen Wärmeleitkoeffizienten , der Bauteilgeometrie (Grundfläche A und Länge ) und der Temperaturdifferenz T über die Länge bzw. zwischen dem Kühlkörper und der ihn umgebenden Luft nach der Formel:

P = · A/ · T

Durch die Materialabhängigkeit des Wärmeleitkoeffizienten unterscheiden sich die verschiedenen Stoffe hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit. So leitet Kupfer mit einem -Wert von 394W/(m · °C) die Wärme etwa doppelt so schnell wie Aluminium, das lediglich über einen Wärmeleitkoeffizienten von 222W/(m · °C) verfügt. Und Wasser ( = 0,60W/(m · °C)) leitet Wärme bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit gut 20 Mal schneller als Luft ( = 0,026W/(m · °C)). Daraus ergibt sich logisch die Eignung der Materialien als Kühlkörper. Luft ist relativ ineffizient. Ein wassergekühltes Kupferelement ist dagegen eine extrem effiziente Kühllösung. Die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements und ein Maß für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers ist sein Wärmewiderstand Rth. Er gibt an, wie viel Grad Temperaturdifferenz in Grad Celsius erforderlich sind, um die Wärmeleistung von einem Watt zu übertragen und errechnet sich aus der oben genannten Formel. Demnach ist

Rth = /· bzw. Rth = T/P

Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung. Ein idealer Kühlkörper besäße einen Wärmewiderstand von Rth=0. Damit wäre die Temperaturdifferenz T zwischen dem Kühlelement und der ihn umgebenen Luft ebenfalls gleich Null und die Ankopplung ideal. Doch Metalle wie Kupfer oder Aluminium und Gase bzw. Luft verhalten sich bei Erwärmung völlig unterschiedlich. Wird ein metallischer Festkörper erhitzt, beginnen seine Atome um ihre feste Ruhelage im Kristallgitter zu schwingen. Diese Schwingungen werden bei extremer Hitze so stark, dass die Atome ihre Gitterplätze verlassen. Das Metall schmilzt. In Luft bzw. Gasen erzeugt Wärme dagegen eine geradlinige Bewegung der Luftmoleküle. In Bewegung gesetzt, stoßen die einzelnen Moleküle zusammen und geben ihren Bewegungsimpuls weiter. Auf diese Weise steigt mit zunehmender Temperatur des Gases die (mittlere) Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Da überdies Festkörper eine wesentlich höhere Dichte, also Atome pro Volumeneinheit, aufweisen als ein Gas, kann die Steigerung der Atomschwingung bei Wärmezufuhr sehr schnell an die Nachbaratome weitergegeben werden. Bei Gasen müssen die Moleküle wesentlich größere Distanzen zurücklegen, um ein benachbartes Molekül zu treffen und ihm seine höhere Geschwindigkeit durch Stoß zu übertragen. Demzufolge leiten Festkörper Wärme besser als Gase. Damit lassen sich die wesentlich höheren -Werte von Aluminium und Kupfer gegenüber Luft (und Wasser) erklären – und auch die Notwendigkeit zur aktiven Kühlung.

Kühlungsarten

Bei Kühlkörpern kann Wärme nur in unmittelbarer Nähe der Grenze zwischen Feststoff und Umgebungsluft abgegeben werden. Diese Sperrschicht beträgt weniger als eintausendstel Millimeter (1/1000mm). Durch das Wegführen der Wärme von der Quelle sinkt die Sperrschichttemperatur. Bei der passiven Kühlung geschieht dies durch natürliche Konvektion: Die erwärmte Luft steigt unmittelbar an der Grenze ‚Festkörper/Gas‘ auf und wird durch die nachfolgende, kühlere Luft ersetzt. Diese Art der Kühlung wäre ideal, weil es die Anzahl der Bauteile in einem elektrischen Gerät und damit den Wartungsaufwand reduziert. Leider reicht dieser Kühleffekt in vielen Applikationen jedoch nicht aus. Um die Temperatur deutlicher zu senken, muss die erwärmte Luft aktiv vom Festkörper weg bewegt und gegen kühlere Luft ausgetauscht werden. Dies geschieht in der Praxis durch auf den Kühlkörper montierte Lüfter. Für viele Anwendungen mit Hochleistungselektronik reicht jedoch selbst diese Kühlungsart nicht aus. Dann sind Lösungen auf der Basis von Flüssigkeitskühlkörpern gefragt, die die entstehende Wärme mit Hilfe von Flüssigkeit ‚wegschwemmen‘.

Seiten: 1 2Auf einer Seite lesen

www.contrinex.de

Das könnte Sie auch Interessieren

Bild: Wago GmbH & Co. KG
Bild: Wago GmbH & Co. KG
Gemeinsame Sprache

Gemeinsame Sprache

Wer heute einen Blick auf die Entwicklung und Nutzung von Daten in den vergangenen fünf Jahren wagt, stellt fest, dass sowohl deren Umfang, Qualität und Verwendung rasant zugenommen haben. So hat sich allein in den vergangenen zehn Jahren das weltweite Datenaufkommen verzehnfacht. Bis 2025 ist eine weitere Verdreifachung des aktuellen Niveaus zu erwarten. Auch die Beschreibung von Objekten durch Daten wird immer präziser. Um dieses Datenaufkommen und den Datenaustausch effizient und fehlerfrei beherrschen zu können, sind Datenstandards unumgänglich.

Bild: Schneider Electric GmbH
Bild: Schneider Electric GmbH
Diversifizierung 
entlang der Marktbedürfnisse

Diversifizierung entlang der Marktbedürfnisse

Die Fachpresselandschaft in Deutschland sucht weltweit wohl ihresgleichen: Das Online-Statistik-Portal Statista listet für 2021 rund 5.600 Fachzeitschriftentitel mit einer verbreiteten Auflage von 566,7 Millionen Exemplaren. Über Jahrzehnte hinweg hat sich die Branche als wichtige Komponente bei der Vermittlung von beruflichem Fachwissen etabliert. Diese Stellung beizubehalten und auch ins digitale Zeitalter zu transportieren, daran hat auch der Automatisierungs- und Energiemanagement-Spezialist Schneider Electric großes Interesse. Daher hatte dieser im Juli 2022 vier für ihn wichtige Fachpresse-Vertreter in seinen deutschen Hauptsitz nach Ratingen eingeladen, um mit Chris Leong, Vorstandsmitglied und Chief Marketing Officer von Schneider Electric, zu diskutieren, wie die Zusammenarbeit zwischen Technologie-Anbieter und Informationsvermittlern auf einem hohen Niveau gehalten werden kann.

Bild: Hager Vertriebsgesellschaft mbH & Co. KG
Bild: Hager Vertriebsgesellschaft mbH & Co. KG
Mehr Flexibilität und Komfort

Mehr Flexibilität und Komfort

Mit seinem umfangreichen Sortiment an Wand- und Standschränken, den zahlreichen Bausätzen und dem breiten Portfolio von sicherungslosen und sicherungsbehafteten Geräten zählt das Hager Innenausbausystem Univers N Hochstrom bis 1.600A zu den flexibelsten Systemen im Markt. Auf der diesjährigen Messe Light + Building präsentierte Hager Lösungen, die dem System zusätzliche Anwendungen erschließen.

Bild: RWE AG
Bild: RWE AG
Für Nennströme bis 800A

Für Nennströme bis 800A

Im Südosten Australiens ging Ende des Jahres 2021 mit dem Solarpark Limondale nahe der kleinen Gemeinde Balranald eines der größten Photovoltaik-Kraftwerke des Landes in Betrieb. Die dort eingesetzten Medium Voltage Power Stations des deutschen Photovoltaik-Spezialisten SMA Solar Technology (SMA) sind mit Ormazabal Schaltanlagen des Typs cgm.800 ausgestattet, die für höhere Nennströme von bis zu 800A ausgelegt sind.

Bild: U.I. Lapp GmbH
Bild: U.I. Lapp GmbH
Löcher statt Bohrhämmer

Löcher statt Bohrhämmer

Lösungen statt Produkte – das ist zunehmend die Forderung von Kunden. Für Unternehmen steht daher eine Entwicklung zu ganzheitlichen Problemlösern im Pflichtenheft. Wissenschaftlich lässt sich diese Evolution in fünf Stufen gliedern, wobei die erste Stufe, der reine Produkthersteller, für die meisten Unternehmen schon heute Vergangenheit ist. Aber wie sieht der Weg danach aus?