Luftkühlung im Vergleich zu Flüssigkeitskühlung:
Fortschritte beim Wärmemanagement von Leistungselektronik


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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 Menge der abzuführenden Energie zu bewältigen, müssen die Luftkühlungslösungen optimiert und vergrößert werden, damit die überschüssige Wärme adäquat abgeführt werden kann. 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.

Die Entscheidung, von einem luftgekühlten System zu einem flüssigkeitsgekühlten System zu wechseln, sollte nicht rasch und leichtfertig getroffen werden. Wenn Sie Ihr Wärmemanagement verbessern möchten, um höhere Wärmebelastungen zu bewältigen, sind viele Faktoren und Möglichkeiten zu berücksichtigen. 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- und Zeitbeschränkungen keinen direkten Wechsel zur Flüssigkeitskühlung zulassen, stellen die Optimierung der Zwangskonvektionslösung durch Designverbesserungen oder durch die Einführung von Zwei-Phasen-Kühlung oder flüssigen Komponenten sinnvolle Zwischenlösungen dar.

Ingenieure haben liquide Systemeentwickelt die zu bestehenden luftgekühlten Lösungen komplementär sind und erweitert werden können, um die luftgekühlten Systeme im Laufe der Zeit vollständig zu ersetzen. Dies geschieht durch Fokussierung auf die elektronischen Geräte, die sofort von Flüssigkeitskühlung profitieren können. Durch die Verwendung von Flüssigkeitskupplungen, zuverlässigen Pumpensystemen und kompakten Wärmetauschern entfernt das System Wärme aus dem Luftstrom in die Flüssigkeit, wo sie an anderer Stelle übertragen und verwaltet wird. In anderen Fällen entscheiden sich die Ingenieure dafür, ihre luftgekühlten Systeme vollständig durch flüssigkeitsgekühlte Systeme zu ersetzen, um sofort höhere Leistung zu ermöglichen und die thermische Leistung zu optimieren.

Wenn Sie die Umstellung auf Flüssigkeitskühlung in Betracht ziehen, um die Leistung Ihrer Leistungselektronikgeräte und -einrichtungen zu verbessern, gibt es mehrere wichtige bestimmende Faktoren:

• 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?


Fan Heat Sink Air Cooling

Vorteile der Luftkühlung


Luftgekühlte Systeme sind deutlich kostengünstiger als Flüssigkeitssysteme. Sie benötigen keine regulierten oder spezialisierten Flüssigkeiten und bestehen aus weniger Komponenten, die wirtschaftlicher sind als Komponenten für flüssige Systeme. Da sie keine Flüssigkeiten zu lecken und weniger Komponenten zu brechen, haben sie auch weniger Arten des Versagens. Neben einer höheren Zuverlässigkeit und niedrigeren Kosten sind luftgekühlte Systeme auch einfacher zu modifizieren oder zu aktualisieren.



Grenzen der Luftkühlung


In typischen Anwendungen bestehen Luftkühlsysteme aus einem extrudierten, gebundenen Flossenkühlkörper und oft einem Lüfter. Wenn Zuverlässigkeit ein wichtiger Faktor ist, können Ingenieure auf einen Lüfter verzichten und sich stattdessen für passive Lösungen entscheiden.

Sowohl die natürliche als auch die erzwungene Konvektion haben Grenzen. Die natürliche Konvektion wird durch die Gesamtfläche begrenzt, die zur Wärmeableitung benötigt wird, was große, schwere Lösungen erfordert, die oft unpraktisch sind.

Lösungen mit erzwungener Konvektion sind durch Druckabfälle begrenzt. Wärmesenken mit großen Flächen in realisierbaren Volumina erzeugen eine hohe Luftwiderstandsmenge, die die Durchflussmenge und damit die Wärmeübertragung behindert, die ein Ventilator erzeugen kann. Größere erzwungene Konvektionslösungen erfordern auch größere oder mehr Lüfter, was die von der Lösung erzeugte Geräuschmenge erhöht.

Die bedeutendste Einschränkung der luftgekühlten Systeme ist ihre Kühlleistung. Luft hat nicht die gleiche Kapazität wie Flüssigkeit, um Wärme aufzunehmen und zu übertragen. Ab einer bestimmten Schwelle wird die Luftkühlung zu einer unzureichenden Lösung und eine Flüssigkeitskühlung ist notwendig.

Modifikationen der Luftkühlung und Hybridlösungen


Es gibt drei gängige Methoden zur Verbesserung Ihres luftgekühlten Systems. Die erste besteht darin, Ihr Kühlkörperdesign und Die Fan-Auswahl zu optimieren. Die Erzeugung von mehr Luftstrom, die Optimierung Ihrer Flossengeometrie oder die Erhöhung Deskkörpervolumen sind Möglichkeiten, Ihre luftgekühlte Lösung zu verbessern, ohne zusätzliche Technologien einzuführen. Die zweite besteht darin, eine zweiphasige Kühlung in Ihr Design einzuführen. Heat-Rohre können integriert werden, um höhere Leistungsdichten zu verteilen oder die Wärme in einen Bereich zu bewegen, wo sie leichter abgeführt werden kann. Die dritthäufigste Methode zur Leistungssteigerung einer luftgekühlten Lösung ist die Einführung von Elementen eines Flüssigkeitssystems wie einem passive thermosiphon.

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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 thermische Leistung in einer kleineren Lösung. Ein Flüssigkeitskühlsystem ist ein Hydraulikkreislauf, der typischerweise aus einer Kaltplatte besteht, die mit der Wärmequelle und dem Gerät verbindet, einer Pumpe, die die Flüssigkeit durch das System zirkuliert, und einem Wärmetauscher, der die von der Flüssigkeit vom Gerät absorbierte Wärme zurückweist. Flüssige Kaltplatten haben eine viel kleinere Arbeitshülle als ein Kühlkörper, der in der Luftkühlung für die gleiche Anwendung verwendet werden würde. Darüber hinaus können Multiplecold-Platten mit demselben Austauscher verbunden werden, wobei sich dies nur minimal auf die Leistung auswirkt. Die Flüssigkeitskühlung ermöglicht eine zusätzliche Kontrolle über das Kühlsystem, da sie die Eintrittstemperatur zur Kaltplatte sowie die Durchflussmenge steuert.

Mögliche Risiken und Abstriche bei Flüssigkeitskühlungen


Einige waren zurückhaltend, Flüssigkeitskühlung aufgrund der zusätzlichen Komplexität und der Angst vor Leckagen zu übernehmen. Komplexität erhöht oft die Kosten der Lösung und den Wartungsaufwand, der erforderlich ist, um das System am Laufen zu halten. Die zusätzlichen Kosten werden jedoch dadurch verringert, dass die verbesserte Kühlleistung die Lebensdauer und Zuverlässigkeit Ihres Geräts erhöht.

Aufgrund seiner Komplexität erfordert die Flüssigkeitskühlung eine bessere Planung und Eingestaltung, um sie in Ihre Leistungselektronik zu integrieren. Obwohl die Kaltplatte viel kleiner ist als eine Extrusion oder ein Kühlkörper, neigen die Gesamtlösungen dazu, mehr Volumen einzunehmen, sobald die Wärmetauscher, Rohre, Reservoirs und Pumpen berücksichtigt werden. Die Ingenieure müssen all dies in der ersten Entwurfsphase berücksichtigen, um später Komplikationen zu vermeiden. Bei richtiger Weitsicht kann die Komplexität der Systeme von Vorteil sein, da es mehr Flexibilität im Systemdesign gibt.

Flüssigkeitskühlungslösungen


AAVID Hydrosink


Das Aavid HydroSink System ist eine konfigurierbare Methode, um einen Standardsatz von optimierten Wärmetauschern, Lüftern, Pumpen, Ventilen, Behältern, Armaturen, Sensoren und Steuerplatinen mit kundenspezifischen Kühlplatten zu kombinieren, um die bestmögliche Flüssigkeitskühllösung für bestimmte Anforderungen zu entwerfen.

HydroSinks bieten mehr Flexibilität bei Derkonstruktion und Installation als standardliquide Kühlsysteme, da sie konfigurierbar sind und leichter an die Konstruktionsanforderungen angepasst werden können. Das Versiegeln und Verbinden der flüssigen Kaltplatte, der Steuerplatine und der Kundensteuerung innerhalb des Gehäuses sind ebenfalls anpassbar.

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

Derzeit ist das Aavid HydroSink-Kompaktsystem in zwei Baugrößen – klein und mittelgroß – erhältlich. Die tatsächliche Größe des HydroSink-Systems des Endkunden variiert je nach Konfiguration. Die Größen basieren auf der Lüftergröße und der Kühlleistung. Small arbeitet bei einem Temperaturanstieg von 7-20 °C pro kW, während das Medium mit einem Anstieg von 3-9°C pro kW arbeitet.


AAVID Kühlplatten für Flüssigkeitskühlung


Die maßgefertigten Aavid Kühlplatten für Flüssigkeitskühlung sind ein integraler Bestandteil des HydroSink-Systems. Aavid bietet vier unterschiedliche, innovative Kaltplattendesigns an, die entwickelt wurden, um das Gesamtsystem basierend auf Anwendung und Anforderungen zu optimieren. Alle Aavid-Kaltplatten sind für eine sorgenfreie Flüssigkeitskühlung unter Verwendung spezieller Zertifizierungsverfahren konstruiert, um leckagefreie, zuverlässige Lösungen zu gewährleisten.

Hi-Contact Röhrenkühlplatte


Hi-Contact™ Tube Cold Plates
Aavid Hi-Contact Rohr-Flüssigkeits-Kaltplatten verfügen über eine Hochleistungsbaugruppe mit einer kontinuierlichen Rohrpresse, die in eine extrudierte Aluminiumplatte passt. Die patentierte Geometrie, die im Aavid Hi-Contact-Verfahren verwendet wird, bewegt die Flüssigkeit näher an das Gerät, das Wärme erzeugt, und erzielt die beste thermische Leistung von einer Rohrkühlplatte. Um die Leistung der Hi-Contact flüssigen Kälteplatten von Aaavid weiter zu erhöhen, wird ein thermisches Epoxid auf das Gelenk aufgebracht, um eine lückenfreie thermische Schnittstelle zwischen Rohr und Platte zu schaffen. Hi-ContactPlatten sind einfach anzupassen und in Standardgrößen erhältlich.

Blister-Kühlplatten


Blistertechnologie stempelt Kanäle in die Grundplatte, wodurch die Kanalbearbeitung eliminiert und die Herstellungskosten erheblich gesenkt werden. Zwischen der Grund- und Deckplatte und den Blisterkanälen entsteht ein leckagefreies Gelenk, um eine größere Flexibilität beim Bohren von Befestigungslöchern in der Oberseite der Kaltplatte ohne Rücksicht auf die Lage der Flüssigkeitskanäle zu ermöglichen.

Vortex-Flüssigkühlplatten


Aavid Vortex Liquid Cold Plates wurden entwickelt, um extrem hohe Leistungsanwendungen zu kühlen. Diese Kaltplatten wurden ursprünglich für Anwendungen entwickelt, bei denen eine hohe Drucklast aufgebracht werden kann, z. B. bei der Kühlung von SCR-Geräten. Mit patentierter Strömungspfadgeometrie werden beide Seiten von Vortex Liquid Cold Plates gleichmäßig gekühlt; Daher können sie auf beiden Oberflächen eine gleiche und konsistente Leistung bieten und sich für die Schaffung vorhersehbarerer Umgebungen eignen.

Flüssigkeitskühlplatten mit erweiterter Oberfläche


Aavid Extended Surface Liquid Cold Plates haben eine vergrößerte Innenfläche, was eine bessere Gesamtwärmeübertragung ermöglicht. Innovative Technologien und Herstellungsverfahren werden eingesetzt, um die Flüssigkeits-zu-Platten-Kontaktfläche innerhalb der flüssigen Kühlplatte zu erhöhen. Ihre vakuumgelötete Konstruktion sorgt für leckfreie Verbindungen bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit. Aavid Extended SurfaceLiquid Cold Plates wurden speziell zur Verbesserung der Designflexibilität gefertigt und können leicht für optimierte Fließpfade für Anwendungsdesigns angepasst werden.

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Abschließende Überlegungen


Der Schlüssel zu einem effektiven Design für Flüssigkeitskühlung und optimierte luftgekühlte Systeme ist es, Ihr Wärmemanagement so früh in der Entwurfsphase wie möglich zu berücksichtigen. Aavid bietet Design-, Engineering- und Testservices, die in jeder Phase eingeführt werden können und die bestmögliche Lösung basierend auf Anforderungen, Einschränkungen, Zeitplänen, Budgets und anderen kritischen Faktoren entwickeln können.

Mit Designzentren auf der ganzen Welt kann Aavid jedem Kunden die notwendigen Engineering-Dienstleistungen für die Entwicklung und Herstellung eines vollständig optimierten Systems bieten. Ingenieure stehen in jeder Phase zur Verfügung, von der Analyse, ob flüssigkeitskühlung oder Luftkühlung benötigt wird, über die Entwicklung eines optimierten, integrierten Systems bis hin zur Zuverlässigkeits- und Validierungsprüfung des gesamten Geräts.

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