Wärmemanagement:
Grundlagen des Wärmetransports

Beim Wärmemanagement geht es um die Bewegung und Abfuhr von Wärme aus einem System, häufig in der Elektronik. Dazu gehören Wärmeverteilung, Wärmetransport und Wärmeabfuhr. Aavid, der Unternehmensbereich für Wärmetechnik der Boyd Corporation, ist seit über 50 Jahren weltweit führend in der Optimierung von Wärmelösungen und der Entwicklung innovativer Wärmetechnologien.

Wärmeverteilung

Heatspreader bieten eine kosteneffiziente, zuverlässige hohe Wärmeleitfähigkeit und Wirksamkeit mit fast keinen beweglichen Teilen.


Ein Heatspreader ist eine effektive Lösung für den Umgang mit Wärmequellen, die eine hohe Wärmestromdichte haben (hoher Wärmestrom pro Flächeneinheit) und bei denen der sekundäre Wärmetauscher an sich keine effektive Methode zur Verteilung von Wärme darstellt (aufgrund von Platzbeschränkungen, Energieverbrauch, Kosten usw.). Heatspreader können es Konstrukteuren ermöglichen, einen luftgekühlten, statt eines flüssigkeitsgekühlten sekundären Wärmetauschers zu verwenden.

Die meisten Heatspreader sind Kupferplatten, die als Wärmetauscher fungieren. Heatspreader transportieren Wärme zwischen ihrer Quelle und (im Allgemeinen) einem sekundären Wärmetauscher. Die Wärme „verbreitet sich" von der Wärmequelle durch den Heatspreader aus und bewegt sich so von einer kleineren zu einer größeren Querschnittsfläche (dem sekundären Wärmetauscher). Während der Wärmestrom im Heatspreader derselbe ist wie im sekundären Wärmetauscher, wird die Wärmestromdichte reduziert, wodurch die Wärme leichter über Luftkühlung abgeführt werden kann. Die geringere Wärmestromdichte erlaubt es auch, den sekundären Wärmetauscher aus kostengünstigeren Materialien herzustellen.

Aavid bietet eine Vielzahl von Wärmeverteilungstechnologien an, die eine erhebliche Verbesserung der lösungswirksamen Wärmeleitfähigkeiten ermöglichen. Zu diesen Wärmeverteilungstechnologien gehören:

Fortschrittliche Feststoffleitung (k-Core®/ Graphittechnologien)
Eingebettete Heatpipe-Kühlplatten
Dampfkammer-Konstruktionen

Kühlkörper gänzlich aus Kupfer = 0,42 °C/Watt versus Dampfkammerkühlkörper = 0,31 °C/Watt

Wärmetransport

Der Transport von Wärme durch Fernwärmeableitung mit passiven Geräten wie Heatpipes oder Loop-Heatpipes bietet eine effiziente Wärmelösung mit hoher Leistung, geringem Gewicht, niedrigen Kosten und hoher Zuverlässigkeit. Zumal gibt es keine beweglichen Teile, die ausfallen, verschleißen, ersetzt oder geschmiert werden müssen.

Heatpipes


Heatpipes können verwendet werden, um Wärme über Entfernungen von einigen Zoll (>50 mm) bis zu mehr als 3 Fuß (> 1 Meter) zu bewegen. In einer Heatpipe tritt Wärme aus einer Wärmequelle in das Verdampferende der Heatpipe ein, wodurch der Zustand des Arbeitsmediums sich von Flüssigkeit in Dampf ändert. Der Dampf wandert durch den Dampfraum innerhalb der Heatpipe zum anderen Ende, dem Kondensator, wo ein Kühlkörper oder eine andere sekundäre Wärmeabfuhrvorrichtung die Wärmeenergie abführt. Durch die Freisetzung von Wärme im Kondensatorbereich kondensiert der Dampf wieder zu Flüssigkeit, die in eine kapillare Dochtstruktur aufgenommen wird. Die in die Innenwände einer Heatpipe eingebauten Kapillardochtstrukturen ermöglichen es dem flüssigen Kondensat im Inneren der Heatpipe, durch Kapillarwirkung vom Kondensatorbereich der Heatpipe in den Verdampferbereich zurückzukehren.

Die Wärmeübertragungseffizienz dieser Wärmelösung wird durch Faktoren wie Docht, Arbeitsmedium, Durchmesser, Länge, Biegung, Abflachung und Ausrichtung bestimmt.

Die vier üblichen, kommerziell hergestellten Heatpipe-Dochtstrukturen sind Rillen in der Rohrinnenwand, Draht- oder Siebgewebe, gesintertes Metallpulver und Faser/Feder. Verschiedene Dochte haben unterschiedliche Kapillargrenzen (die kapillare Pumprate, mit der das Arbeitsmedium vom Kondensator zum Verdampfer fließt).

Loop-Heatpipes
Ein Loop-Heatpipe (LHP) ist ebenfalls eine Zwei-Phasen-Wärmetransportvorrichtung, die die Kapillarwirkung nutzt, um Wärme von einer Quelle abzuführen und sie passiv zu einem Kondensator oder Heizkörper zu bewegen. LHP sind ähnlich wie Heatpipes, haben aber den Vorteil, dass sie über große Entfernungen (bis zu 75 Metern) zuverlässig funktionieren und gegen die Schwerkraft arbeiten können (Umgebungen mit hohem g-Wert).

Bei einer Loop-Heatpipe befindet sich die Dochtstruktur nur im Verdampfer, und die verdampfte Flüssigkeit wird von der Flüssigkeit getrennt und wandert in einer Schleife durch den Kondensator zurück zum Verdampfer. Aavid hat verschiedene Designs von LHPs entwickelt und hergestellt, die von leistungsstarken, großformatigen LHPs (>2000 W) bis hin zu Miniatur-LHPs (<100 W) reichen, die erfolgreich in einer Vielzahl von Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und am Boden eingesetzt wurden.

Arbeitsflüssigkeiten, Betriebstemperaturbereiche, Orientierung und Formherstellung

Auch die Art der Arbeitsflüssigkeit beeinflusst die Leistung der Heatpipes. Eine Heatpipe oder Loop-Heatpipe funktioniert nur, wenn die Temperatur des Arbeitsmediums über seinem Gefrierpunkt liegt. Wenn die Temperatur über dem Dampfkondensationspunkt des Arbeitsfluids liegt, kondensiert der Dampf nicht zurück in den flüssigen Zustand und es findet keine Flüssigkeitszirkulation – und somit keine Kühlung – statt. Die Auswahl des Arbeitsmediums richtet sich nach dem Betriebstemperaturbereich der Anwendung. Aavid hat Heatpipes und Loop-Heatpipes für Betriebstemperaturbereiche von Tieftemperaturbereichen (<-250n°C) bis Hochtemperaturbereiche (>2000 °C) entworfen und entwickelt. Wasser ist aufgrund seiner günstigen Wärmeeigenschaften und seines Betriebstemperaturbereichs von 5 °C bis 250 °C das am häufigsten verwendete Arbeitsmedium.

Aavid hat Heatpipes mit mehr als 27 verschiedenen Arbeitsmedien entworfen, entwickelt und hergestellt.

Die Ausrichtung einer Heatpipe relativ zur Schwerkraft, kombiniert mit seiner Dochtstruktur, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle für ihre Leistung. Der Rillendocht beispielsweise verfügt über den niedrigsten Kapillargrenzwert, funktioniert jedoch am besten unter Zuhilfenahme der Schwerkraft, wenn der Verdampfer unter dem Kondensator platziert ist. Loop-Heatpipes sind hinsichtlich der Ausrichtung weniger empfindlich und sind für eine Leistungssteigerung auf einen Pumpdocht mit hoher Kapillarleistung im Verdampfer angewiesen.

Heatpipes können zur Integration in eine Baugruppe geformt (abgeflacht oder gebogen) werden. Das Abflachen oder Biegen einer Heatpipe reduziert die maximale Wärmemenge, die transportiert werden kann. Die Vermeidung dieser Einschränkung ist eine konstruktive Überlegung.

Anwendung von Heatpipes

Für die Wärmeübertragung in der Industrie, Elektronik, Luft- und Raumfahrt und anderen Anwendungen werden Heatpipes und Loop-Heatpipes in der Regel in ein thermisches Subsystem integriert, um die Wärme von der Wärmequelle in entlegene Bereiche zu transportieren. Heatpipes sind wirksam, um Wärme von Wärmequellen und wärmeempfindlichen Komponenten zu einer Rippenanordnung oder einem Kühlkörper an einem anderen Standort abzuführen.

Ein Hochleistungselektronikkühler ist ein Beispiel für eine Wärmelösung, bei der der Platz oft nicht ausreicht, um einen Rippenkühlkörper direkt neben der Wärmequelle zu montieren. Stattdessen leiten Hochleistungs-Heatpipes die Wärme zur Rippenanordnung, welche die Wärmeenergie durch erzwungene Konvektion abführt. Auf diese Weise können hunderte Watt abgeleitet werden.

Vorteile von Heatpipes und Loop-Heatpipes

Die Integration von Heatpipes und Loop -Heatpipes in eine Wärmelösung bietet viele Vorteile, unter anderem:

• Hocheffektive Wärmeleitfähigkeit (>5000 W/m-K)
• Wärmetransport über lange Strecken
• Hohe Zuverlässigkeit
• Keine beweglichen Teile
• Kosteneffizienz
• Passiv – keine beweglichen Teile und andere ähnliche potenzielle Wartungsherausforderungen erforderlich

Darüber hinaus können Heatpipes und Loop-Heatpipes für eine Vielzahl von externen Umgebungsfaktoren wie mechanische Stöße, Vibrationen, Kraftstöße, Temperaturschock/Zyklen und korrosive Umgebungen entwickelt werden, die die Lebensdauer von Heatpipes beeinflussen können.

Wärmeableitung

Durch die Verwendung von Wärmelösungstechnologien von Aavid wie Kühlkörper, Heatpipes, Dampfkammern, Loop-Heatpipes, k-Core®, Flüssigkeitskühlplatten und Wärmetauscher können die Konstrukteure wählen, ob sie die Abwärme an die Luft (natürliche oder erzwungene Konvektion), an die Flüssigkeit (Wasser, Wasser/Glykol, PAO) oder in die Umgebung abführen wollen.

Ableitung der Wärme an Luft
In vielen Anwendungsbereichen ist die bevorzugte Methode des Wärmemanagements die Konvektionskühlung zur Luft, insbesondere bei Anwendungen in der Elektronikkühlung. Mit Aavids Kühlkörper-, Heatpipe-Baugruppen und Heatspreadertechnologien wird die Abwärme normalerweise von einem wärmeerzeugenden Gerät (z. B. einer elektrischen Komponente innerhalb eines Elektroniksystems – d. h. Computer und Rechenzentren) absorbiert und dann zur Ableitung in die Umgebungsluft entweder auf natürliche oder erzwungene (mit einem Ventilator) Weise bewegt oder verteilt. Wärmetechnologien von Aavid, wie z. B. ferngesteuerte Heatpipe-Baugruppen und Dampfkammern, ermöglichen es dem Konstrukteur, die Wärme von Komponenten mit hohem Wärmefluss an einen Ort mit größerer Oberfläche (typischerweise Blech- oder Falzlamellen) und geringerem Wärmefluss zur Ableitung in die Umgebungsluft abzuleiten.

Ableitung der Wärme an Flüssigkeiten
Bei Anwendungen mit großer Wärmebelastung, wie z. B. Militärradar oder Leistungselektronik, ist es oft erforderlich, die Abwärme in die flüssigen Kühlmittel (Wasser, Wasser/Glykol, PAO) eines sekundären Systems zur endgültigen Wärmeabfuhr abzuleiten. Die Heatpipe-Kühlplatten und Flüssigkeitskühlplatten von Aavid ermöglichen es Konstrukteuren, Wärme von einem wärmeerzeugenden Gerät in ein Kühlmittel zu leiten, das aus einem Sekundärsystem zirkuliert.

Ableitung der Wärme durch Strahlung
Da die Satelliten mit mehr Elektronik ausgestattet sind, wird die Herausforderung, die Wärme durch die begrenzte Oberfläche abzuleiten, immer größer. Aavids axial gerillte Niedrigtemperatur-Heatpipes (Ammoniak/Aluminium, Ethan/Aluminium) und die Loop-Heatpipe-Technologie ermöglichen es, die Wärme durch Kühlerplatten abzuleiten, die für den Start gespeichert und dann vom Satelliten aus eingesetzt werden, wenn dieser seine Umlaufbahn erreicht. Unsere axial gerillten Niedertemperatur-Heatpipes verteilen die Wärme von der Satellitenelektronik zu den Kühlerplatten und leiten die Abwärme in den Weltraum ab. Und unsere Loop-Heatpipe-Technologie ist in der Lage, Wärmelasten von Hunderten von Watt bis zu mehr als 2.000 Watt zu transportieren und abzuleiten.

 

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