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Mario Rechenbach
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Von der thermischen Simulation zum maßgeschneiderten Kühlkörper

Mithilfe einer virtuellen Simulation auf Basis thermodynamischer Rahmendaten kann eine applikationsspezifische Kühllösung zunächst berechnet und ihre Wirkung nachgestellt werden, bevor sie in Produktion geht. Auf diese Weise lässt sich der Aufwand für die Prototypenfertigung und kostspielige Praxisversuche verringern bzw. eliminieren.


Aluminiumlamellen des SuperPower-Kühlkörpers

Die einzelnen extrudierten Aluminiumlamellen des SuperPower-Kühlkörpers bilden einen kompakten Hochleistungsprofilkühlkörper

Bei der Wahl eines geeigneten Kühlkörpers muss relativ früh festgelegt werden, ob das zu kühlende Bauteil eine passive, aktive Lüfter- oder gar Flüssigkeitskühlung erfordert. In der Regel wissen die Anwender der Kühlkörper aus Erfahrung, welche Art der Kühlung ihre spezielle Applikation benötigt. Wie genau der Kühlkörper jedoch dimensioniert und designt werden muss, ergibt sich erst im Gespräch mit dem Kühlkörperproduzenten und aus einer thermischen Simulation. Mit diesem analytischen Prozess lässt sich der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils vorausberechnen. Voraussetzung ist die Eingabe definierter thermodynamischer Randbedingungen. Dazu gehören zum einen die zu erwartende Verlustleistung und das Design des Bauelements mit Bemaßung und Position des Hotspots, also des Moduls, Chips oder ähnlichem, an dem die Verlustleistung auftritt. Dazu kommen geometrische Einschränkungen, d. h. der zur Verfügung stehende Platz sowie die für einen optimalen Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils und die voraussichtliche Umgebungstemperatur. Ob das zu kühlende Bauteil in einem Büro bei maximal 25 °C, in einem Kühlhaus bei -40 °C oder bei Arbeitstemperaturen von 70 °C beispielsweise in der Nähe von Motoren oder Lichtquellen zum Einsatz kommt, ist eine entscheidende Information. Denn die Differenz zwischen Umgebungs- und Komponententemperatur, das ΔT (Temperaturdifferenz), fließt ebenfalls in die Berechnung des Wärmewiderstands des Kühlkörpers ein. Dieser Wärmewiderstand Rth ist die entscheidende Kenngröße eines Kühlelements und maßgeblich für die Dimensionierung und Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers. Der Wert Rth gibt an, wie viel Grad Temperaturdifferenz in Kelvin erforderlich sind, um die Wärmeleistung von 1 Watt zu übertragen. Je niedriger der Wärmewiderstand, desto höher der Wärmefluss und desto besser die kühlende Wirkung. Auf Basis all dieser Daten, also Einzelleistung der Halbleiter, Typ und Größe des Kühlkörpers und die Umgebungstemperatur, zeigt die thermische Simulation, ob die gewählte Kühllösung den Zweck erfüllt und wie groß die Lüfterleistung sein muss.

 

Kostenreduktion durch Simulation

Speziell bei der Entwicklung eines neuen Produkts kann eine solche thermische Simulation dazu beitragen, mögliche thermische Probleme frühzeitig zu erkennen. Zudem trägt sie durch die Optimierung des Kühlkörperdesigns maßgeblich zur Einsparung von Kühlkörpermaterial und -gewicht bei. Stellt sich beispielsweise heraus, dass durch eine Veränderung der Kühlkörpergröße, des verwendeten Materials oder der Befestigungsart eine Zwangsbelüftung durch eine passive Kühlung ersetzt werden kann, spart dies in nicht unerheblichem Maß Material- und Fertigungskosten. Mit geeigneten Materialalternativen und Fertigungsmethoden lassen sich ebenfalls dank der applikationsspezifischen Lösungen die Kosten reduzieren. Ein weiterer entscheidender Vorteil: Durch die thermische Simulation entfällt in der Regel der kostspielige Part der Prototypenfertigung oder er wird deutlich reduziert. CTX erzielt nicht zuletzt deswegen heute den überwiegenden Teil des Kühlkörpergeschäfts mit projekt- und applikationsspezifischen Produkten.


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