Heatpipes zur Leistungsregelung – Fallstudie

Herausforderung

Ein Hersteller von Industriegeräten verfügte über ein neues Leistungsklimatisierungs- und Steuerungssystem mit sehr begrenztem Kühlkörperraum. Das neue System umfasste drei leistungsstarke IGBT, die sich aufgrund der Umgebungstemperaturbedingungen von maximal 50 °C äußerst nah an einem kleinen Wärmefenster befanden. Die Komplexität des Projekts wurde weiterhin durch einen Einschwingvorgang des Systems verstärkt, der die Leistung alle 10 Minuten 1 Minute lang verdoppelte. Aavid, Thermal Division der Boyd Corporation, hatte viele andere Projekte mit ähnlichen Formfaktoren unterstützt, wenn auch nicht mit diesem Leistungsniveau.

Der Schrank, in dem der Kühlkörper untergebracht war, hatte zwei Lüfter für die erzwungene Konvektion, aber der Luftstrom wurde mit einem anderen Kühlkörper geteilt, um einen SCR zu kühlen. Obwohl die Kühlkörper vollständig kanalisierte, um die gesamte verfügbare Luft durch sie zu zwingen, wurde die Oberseite des Systems durch die Verblüffung der eingeschränkten 65 % des Luftstroms behindert. Das neue Kühlkörperdesign müsste die schwierige Balance von Luftstrom und Druckabfall durch den gesamten Schrank berücksichtigen.

Lösung

In der Vergangenheit hatte Aavid für ähnliche Anwendungen extrudierte Lösungen bereitgestellt. Aber aufgrund der hohen Leistung in diesem Falle war die Rippendichte einer Extrusion nicht gut genug. Es wurde ein Ansatz mit geklebten Rippen und einer höheren Rippendichte gewählt, um die Oberfläche für den Wärmetransport zu vergrößern. Die nächste Leistungssteigerung bestand darin, die Energie soweit wie möglich in der Basis zu verteilen, um die Temperatur der lokalisierten Hotspots zu senken. Durch die Verwendung mehrerer Heatpipes unter jeder IGBT wurde die effektive Standfläche jedes Geräts vergrößert. Somit konnte die Wärme leichter in die Rippen gelangen, die sich nicht direkt über den IGBT befanden.

Die in die Basis eingebetteten Heatpipes trugen dazu bei, den thermischen Anforderungen des 9-minütigen stationären Zustands gerecht zu werden, doch die Leistung war noch immer ungenügend für den 1-minütigen Einschwingvorgang. Um dem Kühlkörper einen Leistungsschub zu verleihen, wurden Wärmerohre von der Oberseite der Basis und dann durch die Mitte der Flossen geführt. Durch den Transport von Wärme zur Mitte der Rippen wurde die Performance der am weitesten von der Basis entfernten Rippenspitzen verbessert.

Nach einer Phase umfassender thermischer CFD-Designarbeit wurden Prototypen mit zufriedenstellenden Testergebnissen gebaut. Das Design wird nun erfolgreich serienmäßig hergestellt.

Das Endergebnis war ein sehr effizienter Kühlkörper, der nicht mehr Volumen als ein typischextrudierter oder einfach verklebter Flossenkühlkörper aufnahm.

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