Luft- und Flüssigkeitskühlung: Fortschritte im Wärmemanagement für Leistungselektronik

In den letzten Jahrzehnten haben sich die Strom- und Energiebranche zu den beiden am schnellsten wachsenden Branchen im Elektroniksektor entwickelt. Energieumwandlung, Umrichtung und Gleichrichtung sowie Batterie- und Brennstoffzellentechnologien sind wesentliche Bestandteile des technologischen Wachstums in allen Industriezweigen geworden.

Während Leistungselektronik-Systeme zunehmend komplexer werden und in höheren Leistungsbereichen arbeiten, werden die Formfaktoren kleiner, wodurch Wärme zu einem der wesentlichen Faktoren wird, die das Erreichbare einschränken. Um die abgeführte Leistungsmenge zu bewältigen, müssen Luftkühlungslösungen optimiert und vergrößert werden, um die überschüssige Wärme ausreichend abzuführen. In manchen Fällen stellt die Größe einen begrenzenden Faktor für Zwangskonvektionslösungen dar. In den Fällen, wo Luftkühlungssysteme aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts unbrauchbar sind, ist die Flüssigkeitskühlung rasch zu einer beliebten Alternative geworden.

Der Wechsel von einem luftgekühlten System zu Flüssigkeit ist keine Entscheidung, die schnell oder leichtfertig getroffen werden muss. Es gibt viele Faktoren und Möglichkeiten, die bei der Verbesserung Ihres Wärmemanagements zu berücksichtigen sind, um höhere Wärmelasten zu bewältigen. Auch wenn die Markttendenzen anzeigen, dass sich vollständige Flüssigkeitskühlsysteme zum Industriestandard für die Kühlung der Leistungselektronik entwickeln, gibt es viele Optionen und Hybridlösungen, mit denen Sie sich die Vorteile beider Kühlsysteme zunutze machen können, während Sie Ihr eigenes System weiterentwickeln und verbessern. Wenn Budget- oder Zeitvorgaben so groß sind, dass ein direkter Wechsel zu Flüssigkeit unrealistisch ist, ist die Optimierung Ihrer erzwungenen Konvektionslösung entweder durch Designverbesserungen oder durch die Einführung von Zweiphasenkühlung oder flüssigen Komponenten praktikable Zwischenlösungen.

Flüssige Kaltplatte mit erweiterter Oberfläche

Ingenieure haben Flüssigkeitssysteme entwickelt, die bestehende luftgekühlte Lösungen ergänzen, die erweitert werden können, um die luftgekühlten Systeme im Laufe der Zeit vollständig zu ersetzen. Dies geschieht durch die Fokussierung auf jene elektronischen Geräte, die einen unmittelbaren Nutzen aus der Flüssigkeitskühlung ziehen können. Durch die Verwendung von Flüssigkeitskupplungen, zuverlässigen Pumpensystemen und kompakten Wärmetauschern wird dem Luftstrom Wärme entzogen und an die Flüssigkeit abgegeben und von dort aus abgeführt. In anderen Fällen entscheiden sich Ingenieure dafür, die luftgekühlten Systeme vollständig durch flüssigkeitsgekühlte Systeme zu ersetzen, um sofort höhere Energieleistungen zu erzielen und die Kühlleistung zu optimieren.

Wenn Sie einen Wechsel zu Flüssigkeitskühlung erwägen, um die Leistung Ihrer elektronischen Geräte und Vorrichtungen zu verbessern, sind hierbei mehrere Bestimmungsfaktoren zu beachten:

Welche Anforderungen haben Sie in Bezug auf Größe, Gewicht und Kühlleistung?
Können Sie Ihr luftgekühltes System weiter optimieren?
Wie lange noch werden luftgekühlte Systeme eine sinnvolle Wärmelösung für Ihre Anwendung sein?
Gibt es Einschränkungen bei der Verfügbarkeit von Flüssigkeit und beim Volumen?
Wie lange wird es dauern, bis sich die Investition in Flüssigkeitskühlung durch eine Steigerung der Leistung und Effizienz bezahlt macht?
Wie kann die Flüssigkeitskühlung konzipiert und in Ihre Anwendung integriert werden? Welche Auswirkungen sind in Bezug auf Ausfallzeiten Ihrer Anwendung/Anlage zu erwarten?
Wie und wann beginnen Sie mit der Umstellung?

Vorteile der Luftkühlung

Luftgekühlte Systeme sind deutlich kostengünstiger als Flüssigkeitssysteme. Sie benötigen keine reglementierten oder spezialisierten Flüssigkeiten und bestehen aus weniger und günstigeren Komponenten als Flüssigkeitssysteme. Da keine Flüssigkeiten auslaufen können und weniger Komponenten kaputt gehen können, sind sie auch weniger störanfällig. Neben der höheren Zuverlässigkeit und den niedrigeren Kosten können luftgekühlte Systeme auch leichter modifiziert oder aufgerüstet werden.

Grenzen der Luftkühlung

In typischen Anwendungen bestehen Luftkühlungssysteme aus einem Kühlkörper, stranggepresst oder mit geklebten Rippen, und oftmals einem Lüfter. Wenn Zuverlässigkeit ein wesentlicher Faktor ist, verzichten Ingenieure oftmals auf den Lüfter und entscheiden sich für passive Lösungen. Sowohl die natürliche als auch die erzwungene Konvektion haben Grenzen. Die natürliche Konvektion wird durch die Gesamtfläche begrenzt, die zur Wärmeableitung benötigt wird; Dies erfordert große, schwere Lösungen, die oft unpraktisch sind.

Lösungen mit erzwungener Konvektion sind durch Druckabfälle begrenzt. Kühlkörper mit großen Oberflächen in realisierbaren Volumina erzeugen einen hohen Luftwiderstand, der die Menge an Strömung und damit die Wärmeübertragung, die ein Ventilator erzeugen kann, behindert. Größere Lösungen mit erzwungener Konvektion erfordern auch mehr und größere Lüfter, was wiederum die Lärmbelastung erhöht.

Die größte Einschränkung von luftgekühlten Lösungen ist jedoch die thermische Leistung. Luft hat nicht die gleiche Kapazität zur Aufnahme und Übertragung von Wärme wie Flüssigkeit. An einer bestimmten Schwelle erweist sich Luftkühlung als eine unzureichende Lösung und Flüssigkeitskühlung wird erforderlich.

Modifikationen der Luftkühlung und Hybridlösungen

Es gibt drei gängige Methoden, um Ihr luftgekühltes System zu verbessern. Die erste besteht darin, die Kühlkörpergestaltung und Lüfterauswahl zu optimieren. Mehr Luftströmung erzeugen, die Rippengeometrie optimieren oder das Kühlkörpervolumen vergrößern sind Möglichkeiten, Ihre luftgekühlte Lösung zu verbessern, ohne zusätzliche Technologien einzusetzen. Die zweite Methode besteht darin, Ihr System auf Zwei-Phasen-Kühlung umzustellen. Heatpipes können integriert werden, um höhere Leistungsdichten zu verteilen oder die Wärme in einen Bereich zu bringen, in dem sie leichter abgeführt werden kann. Die dritthäufigste Methode zur Steigerung der Leistung einer luftgekühlten Lösung besteht darin, Elemente eines Flüssigkeitssystems wie eines passiven Thermosiphons einzuführen.

Die Effizienz von Flüssigkeitskühlung

Flüssigkeit hat die Kapazität, um bis zu 4-mal mehr Wärme zu übertragen als Luft derselben Masse. Dies ermöglicht eine höhere Kühlleistung bei kleineren Lösungen. Ein Flüssigkeitskühlsystem ist ein hydraulischer Kreislauf, normalerweise bestehend aus einer mit der Wärmequelle und dem Gerät verbundenen Kühlplatte, einer Pumpe, die die Flüssigkeit durch das System zirkuliert und einem Wärmetauscher, der die von der Flüssigkeit aufgenommene Wärme aus dem Gerät ableitet. Flüssigkeitskühlplatten erfordern deutlich weniger Platz als die Kühlkörper, die bei Luftkühlung der Anwendung verwendet würden. Außerdem können mehrere Kühlplatten mit dem gleichen Wärmetauscher verbunden werden bei minimalen Leistungseinbußen. Die Flüssigkeitskühlung bietet eine zusätzliche Kontrollstufe, weil sowohl die Zulauftemperatur zur Kühlplatte als auch die Durchflussrate gesteuert werden können.

Mögliche Risiken und Abstriche bei Flüssigkeitskühlungen

Teilweise besteht Zurückhaltung gegenüber der Flüssigkeitskühlung, wegen der zusätzlichen Komplexität und der Bedenken, dass Flüssigkeit auslaufen könnte. Mehr Komplexität erhöht meist die Kosten einer Lösung und den für den Betrieb eines Systems erforderlichen Wartungsaufwand. Die zusätzlichen Kosten werden jedoch dadurch gemindert, dass die verbesserte Kühlleistung die Lebensdauer und Zuverlässigkeit Ihres Geräts erhöht. Aufgrund ihrer Komplexität erfordern Flüssigkeitskühlungen eine bessere Planung und Konzeption, bevor sie in Ihre Leistungselektronik integriert werden können. Obwohl eine Kühlplatte viel kleiner ist als eine Extrusion oder ein Kühlkörper, brauchen die Gesamtlösungen meist mehr Platz, weil Wärmetauscher, Leitungen, Flüssigkeitsreservoire und Pumpen einberechnet werden müssen. Die Ingenieure müssen dies alles in der frühen Entwicklungsphase berücksichtigen, um spätere Komplikationen zu vermeiden. Bei entsprechender Weitsicht kann sich die Komplexität der Systeme als vorteilhaft erweisen, weil sie auch mehr Flexibilität beim Systemdesign ermöglicht.

Flüssigkeitskühlungslösungen

Die HydroSink™

Das HydroSink-System™ ist eine konfigurierbare Methode zur Kombination eines Standardsatzes optimierter Wärmetauscher, Lüfter, Pumpen, Ventile, Reservoirs, Armaturen, Sensoren und Steuerplatinen mit kundenspezifischen Kühlplatten, um die bestmögliche Flüssigkeitskühllösung für bestimmte Anforderungen zu entwickeln.

HydroSinks™ bieten mehr Flexibilität in Design und Installation als Standard-Flüssigkeitskühlsysteme, da sie konfigurierbar sind und leichter an die Designanforderungen angepasst werden können. Die Versiegelung und Verbindung der Kühlplatte für Flüssigkeitskühlung, Schalttafel und kundenspezifischen Maschinensteuerungen innerhalb der Verkleidung können ebenfalls kundenspezifisch angepasst werden.

Da HydroSinks größtenteils aus einer Reihe von standardoptimierten Komponenten bestehen, sind sie kostengünstiger als herkömmliche kundenspezifische Flüssigkeitskühlung und ihre luftgekühlten Gegenstücke™.

Derzeit ist der HydroSink™ in zwei kompakten Grundsystemgrößen, Small und Medium, erhältlich. Die tatsächliche Größe des HydroSink-Systems des Endkunden variiert™ je nach Konfiguration. Die Größe basiert auf der Lüftergröße und auf der Kühlleistung. Die kleine Variante ist für einen Wärmewiderstand von 7 bis 20 °C pro kW konzipiert, während die mittelgroße Variante für einen Wärmewiderstand von 3 bis 9°C pro kW konzipiert ist.

Kühlplatten für Flüssigkeitskühlung

Kundenspezifische Liquid Cold Plates sind ein integraler Bestandteil des HydroSink-Systems™. Boyd bietet vier verschiedene, innovative Kühlplattendesigns an, die entwickelt wurden, um das Gesamtsystem basierend auf Anwendung und Anforderungen zu optimieren. Alle Kühlplatten sind für eine sorgenfreie Flüssigkeitskühlung unter Verwendung spezieller Zertifizierungsverfahren ausgelegt, um leckagefreie, zuverlässige Lösungen zu gewährleisten.

Hi-Contact™-Röhrenkühlplatte

Boyd Hi-Contact™ Rohrflüssigkeitskühlplatten verfügen über eine Hochleistungsbaugruppe, die eine kontinuierliche Rohrpresse verwendet, die in eine extrudierte Aluminiumplatte passt. Die patentierte Geometrie, die im Boyd Hi-Contact-Prozess™ verwendet wird, bringt die Flüssigkeit näher an das Gerät heran, wodurch Wärme erzeugt wird, wodurch die beste thermische Leistung aus einer Rohrkühlplatte erzielt wird. Um die Leistung der flüssigen Hi-Contact-Kühlplatten™ von Boyd weiter zu erhöhen, wird ein thermisches Epoxidharz auf die Verbindung aufgetragen, um eine spaltfreie Wärmeschnittstelle zwischen dem Rohr und der Platte bereitzustellen. HiContact™ Platten sind einfach anzupassen und in Standardgrößen erhältlich.

Blister-Kühlplatten

Bei der Blistertechnologie werden die Kühlkanäle in die Grundplatte gestanzt, wodurch der Bearbeitungsaufwand und die Fertigungskosten reduziert werden. Zwischen der Grund- und Deckplatte und den Kühlkanälen gibt es eine leckfreie Verbindung. Dadurch besteht größere Flexibilität zum Bohren von Montagelöchern, weil die Lage der Flüssigkeitskanäle nicht berücksichtigt werden muss.

Vortex-Flüssigkühlplatten

Boyd Vortex Liquid Cold Plates wurden entwickelt, um Anwendungen mit extrem hoher Leistung zu kühlen. Diese Kühlplatten wurden ursprünglich für Anwendungen konzipiert, bei denen hohe Druckbelastungen wirken können, wie z. B. bei der Kühlung von SCR-Geräten. Durch die Verwendung einer patentierten Fließweg-Geometrie werden beide Seiten der Vortex-Flüssigkeitskühlplatte gleichmäßig gekühlt. Somit bietet diese Kühlplatte gleiche und konsistente Kühlleistung über beide Oberfläche hinweg, was die Umgebungen sicherer macht.

Flüssigkeitskühlplatten mit erweiterter Oberfläche

Boyd Extended Surface Liquid Cold Plates haben eine vergrößerte innere Oberfläche, die eine bessere Gesamtwärmeübertragung ermöglicht. Es werden innovative Technologien und Fertigungsprozesse verwendet, um die Kontaktfläche zwischen Flüssigkeit und Platte innerhalb der Flüssigkeitskühlplatte zu vergrößern. Die vakuumgelötete Bauweise garantiert leckfreie Verbindungen und bewahrt gleichzeitig die hohe Wärmeleitfähigkeit. Boyd Extended Surface Liquid Cold Plates werden speziell hergestellt, um die Designflexibilität zu verbessern, und können leicht für optimierte Fließwege für Anwendungsdesigns angepasst werden.

Abschließende Überlegungen

Der Schlüssel zu effektiven Designs für Flüssigkeitskühlungen und optimierte luftgekühlte Systeme besteht darin, das Wärmemanagement so früh wie möglich in der Designphase zu berücksichtigen. Boyd bietet Design-, Engineering- und Testdienstleistungen an, die in jeder Phase eingesetzt werden können und die bestmögliche Lösung basierend auf Anforderungen, Einschränkungen, Zeitplan, Budget und anderen kritischen Faktoren entwickeln.

Mit Designzentren auf der ganzen Welt kann Boyd jedem Kunden die notwendigen Engineering-Dienstleistungen anbieten, um ein vollständig optimiertes System zu entwerfen und herzustellen. Aavids Ingenieure sind in jeder Phase verfügbar: von der Analyse, ob Flüssigkeitskühlung oder Luftkühlung benötigt wird, über die Entwicklung eines optimierten integrierten Systems bis hin zu Zuverlässigkeits- und Validierungstests des gesamten Systems.