Die in der letzten Zeit sehr innovative Halbleiterindustrie, hat, insbesondere im Bereich Leistungshalbleiter, und hier besonders IGBT-Technologie, bedeutendes geleistet. Fortschritte in der Leistungsgröße sowie Leistungswirkungsgradverbesserungen sind enorm. Gleichzeitig ist jedoch die Bauelementegröße nicht proportional gewachsen, sondern sehr kompakt geblieben, was dem Anwender hinsichtlich Funktion und Raumbedarf sehr genehm ist, den lndustrieelektronik-Schaltungstechniker aber vor das große Problem stellt: wie leite ich jetzt diese große Verlustwärmemenge ab? Hier sind nun die Kühlelementehersteller gefordert ihrerseits leistungsstarke Konzepte zu erstellen und anzubieten.

Im Idealfall würden Halbleiterbauelementehersteller und Kühlelementehersteller zusammen eine aufeinander abgestimmte Lösung anbieten, bei den rasanten Fortschritten der Halbleitertechnik jedoch ein kaum zu realisierender Wunsch; der Kunde darf sich also selber helfen. Viele geeignete Lösungskonzepte für die leistungsstarken Kühlkörper, Lüfteraggregate usw. sind vorhanden. Für die freie Konvektion sind die bekannten Großkühlkörper aus Aluminium weiter verbessert worden. Kannelierte Rippen ergeben eine Wirkungsgradverbesserung von 10 bis 15 Prozent gegenüber herkömmlichen Rippengeometrien, dickere Basisplatten (Kühlkörperboden) tragen zu einer besseren Wärmeverteilung innerhalb des gesamten Kühlkörpers bei. Hier sind allerdings bald die physikalischen Möglichkeiten weiterer Verbesserungen erschöpft. Sogenannte Superhochleistungs-Kühlkörper für freie Konvektion sind zwar in der Entwicklung, Details sind aber noch nicht veröffentlicht.

Kühlkonzepte mit Lüfteraggregaten sind wesentlich leistungsstärker als Kühlkörper für freie Konvektion und werden daher bei hohen Anforderungen an die Wärmeableitung zunehmend favorisiert. Eine Wirkungsgradverbesserung erfolgt bei Lüfteraggregaten einerseits durch weitere Optimierung der Wärmetauschflächen und zum anderen durch den damit verbundenen Einsatz leistungsstärkerer Lüftermotoren.

Die bei den einfachen Glattrippen zu erzielenden Wärmeübergänge zur durchströmende Luft sind relativ gering; die sich einstellende laminare Luftströmung reicht nicht aus, die vorhandene Wärme abzuführen. Daher wird versucht, durch geeignete Rippengeometrie eine mehr turbulente Strömung zu erreichen um einen besseren Wärmeübergang (Rippen zu Luft) zu erreichen. Auch hier ist eine Kannelierung der Rippen die erste Verbesserung, weitere Steigerung bringen sogenannte Hohlrippen und Rippen mit zusätzlichen Durchbrüchen, sogenannte quergestanzte Rippen. Die hierdurch einerseits vergrößerte Wärmetauschfläche und zum anderen erhöhte Turbulenz der Luft ergeben sehr gute Leistungsverbesserungen der Wärmeabfuhr.

Bei erhöhter Turbulenz steigt jedoch ebenfalls der im Lüfteraggregat sich erhöhende Gegendruck der dem Durchströmen entgegenwirkt, der sogenannte Staudruck. Hier nun wird eine Schwierigkeit sichtbar, die die Lüftermotorenhersteller fordert. Eine große Wärme- tauschfläche, die theoretisch die Verlustwärme verteilen und ableiten könnte, wird nicht mit der ausreichenden Luftmenge durchströmt. Axiallüfter sind ein einfaches, kompaktes, geräuscharmes und preiswertes Konzept, mit allerdings relativ geringem Arbeitsdruck, Radiallüfter dagegen Iiefern große Drücke und Volumenströme, sind jedoch großvolumig bauend, teuer und laut.

Um eine preis- und leistungsfähige Lösung anzubieten, hat FISCHER ELEKTRONIK Lüfteraggregate neuer Konzeption mit Hohlrippen und optimal darauf abgestimmte Hochleistungslüftermotoren axialer Bauart entwickelt, die sowohl den wärmetechnischen Erfordernissen als auch den preislichen Belangen entgegenkommen. Diese optimierte Konzeption ist in verschiedenen Varianten verfügbar und ist das zur Zeit leistungsfähigste System nach dem heutigen Stand der Technik bei Lüfteraggregaten.

Ein ganz anderer Lösungsansatz um Bauelemente zu kühlen ist das Konzept der omnidirektionalen Luftkühlung. Hierbei wird ein vorhandener Luftstrom, eine Luftbewegung in einem mit Ventilatoren bestückten Schaltschrank z. B. derart ausgenutzt, daß wie gering die Luftbewegung auch ist, ein besonders gestalteter Kühlkörper in seinem Wirkungsgrad erheblich verbessert wird. Hierbei durchströmt bzw. "umspült" die nicht richtungsgebundene bewegte Luft die hervorstehenden eckigen "Rippenstifte" des Kühlkörpers, erhält eine leichte Turbulenz und führt die vorhandene Wärme ab. Je nach Größe und Gestaltung des Kühlkörpers und bewegter Luft sind hier durchaus erhebliche Wärmemengen ableitbar.

Nahezu jedes geeignete Kühlprofil kann auf diese Art und Weise zu einem erheblich besseren Wärmeableitvermögen "getunt" werden.

Die nächsthöhere Leistungsklasse der Kühlelemente sind Fluidkühler, d.h. mit Fluiden wie Wasser, Öl, Alkohol, aber auch von Gas durchströmte Kühlelemente. Hier sind die zur Zeit größten Leistungsdichten der Wärmeableitung zu erreichen. Der von FISCHER ELEKTRONIK entwickelte Aufbau unterscheidet sich von herkömmlichen, einfachen Konzepten dadurch, daß hier eine optimierte Wärmeübertragungstauschfläche zum Fluid eingesetzt ist. Hierdurch bedingt, sind bei nur geringem Staudruck, große Wärmemengen in ein turbulent gemachtes Fluid einzubringen. Dieses Konzept ist in allen Anwendungen variierbar und somit einfach kundenspezifischen Belangen anpaßbar.

Die enorme Leistungsdichte elektronischer Bauteile neuer Generation zeigt auch die Grenzen der Wärmeableitung auf. Einzelne oder mehrere Bauteile mit hoher Verlustleistung bilden sogenannte Wärmenester, d. h. der Wärmefluß von der relativ kleinen Bauteilfläche zum Kühlkörper und dann zur Umgebung ist beschränkt. Grund hierfür ist die materialspezifische Wärmeleistung des Materials Aluminium. Die Wärmemenge ist größer als im Material physikalisch weiterleitbar. Hier hilft eine dickere Basisplatte des Kühlkörpers mehr Wärme aufzunehmen und besser zu verteilen. Bei zeitabhängigen (transienten) Verläufen des Wärmeeintrages kann durch die größere Masse des Kühlkörpers die Wärmemenge quasi "zwischengespeichert" werden und wird dann bei geringerem oder ausbleibendem Nachschub abgeleitet. Die einfachste Art und Weise das Problem der Wärmenester zu verringern, ist die Verwendung von Kupfer an Stelle des Aluminiums für Kühlelemente. Hier stehen jedoch der höhere Preis und das 3-fach höhere Gewicht dem entgegen.

Eine andere Lösung ist die bessere Verteilung der Wärmemenge auf mehrere Kühlelemente oder innerhalb eines Kühlkörpers eine Wärmespreizung, die die Effektivität des Kühlers steigert. Dazu erfordert es jedoch eines geeigneten Transportmittels, das die Wärmemenge von der heißen Zone ableitet und zu geeigneten Kühlbereichen transportiert. Wärmerohre (heat-pipes) sind hierzu die geeigneten Medien. Das Wärmerohr selbst ist ein simples Bauteil, ein evakuiertes Rohr gefüllt mit einer kleinen Menge Fluid als Arbeitsmittel. Wird Wärme am Rohr eingebracht, verdampft das Fluid und erzeugt im Wärmerohr einen Ternperaturgradienten. Dies bewegt den Dampf dann dazu, im Rohr entlang zum kälteren Bereich zu fließen, wo der Dampf kondensiert und dabei seine latente Wärme abgibt. Dann fließt das Arbeitsfluid im Rohr wieder zum Verdampfungspunkt zurück. Dies geschieht durch Schwerkrafteinwirkung und / oder durch Kapillarwirkung. Die Wärmequelle kann also ein wärmeabgebendes Bauteil sein, und die Wärmesenke z. B. ein geeigneter Kühlkörper, oder die Wärmequelle ist also das wärmeabgebende Bauteil und die Wärmesenke ist der kältere Bereich des Kühlkörpers - somit ist eine Wärmespreizung erreicht.

Der Aufwand für ein Wärmerohr ist nicht erheblich, und somit beginnt sich dieses System mehr und mehr als Hilfsmittel in der Kühlelemente-Technik zu etablieren. Großtechnische Anwendungen sind erst vereinzelt vorhanden. Im Bereich kleiner Anlagen und besonders bei der Kühlung von Prozessor-IC ist dieses System jedoch schon eingeführt. Die große Wärmemenge auf kleinstem Raum eines Prozessor-IC stellt eine Herausforderung für die Kühlung dar, besonders wenn auf Lüftermotoren wegen deren bekannter Problematiken verzichtet werden soll. Wärmerohre übernehmen hier den Wärmetransport vom IC zum Kühlkörper, der damit an wärmetechnisch günstigster Stelle plaziert werden kann; oder übermitteln die entzogene Wärme dem Gehäuse oder Gehäuseteilen , z. B. eines tragbaren Computers, die dann als Wärmesenke fungieren.

Die dargelegten Konzepte und Applikationen zeigen, daß eine neue Ära der Kühltechnik bereits begonnen hat. Kundenspezifische Lösungen, vermehrt denn Standardanwendungen, sind neben neuen bzw. weiterentwickelten Konzepten der Kühlelementetechnik gefordert. Die Herausforderung an anwendungsgerechte Innovationen steigt ständig, integrale Konzepte sind als die zukünftigen Entwicklungen zu erkennen. Kundenberatung und Zusammenarbeit mit den Anwendem ist unabdingbare Voraussetzung die gezeigten Lösungen sinnvoll am Markt zu integrieren.

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