Sechs Kühlmethoden für elektronische Geräte

Mit der rasanten Entwicklung von Hochfrequenz-, Hochgeschwindigkeits- und integrierten Schaltungstechnologien hat die Gesamtleistungsdichte elektronischer Bauteile stark zugenommen, während deren physische Größe weiter schrumpft. Dies führt zu einer höheren Wärmestromdichte. Hohe Temperaturen beeinträchtigen unweigerlich die Leistung elektronischer Bauteile, weshalb eine effiziente Wärmeableitung unerlässlich ist. Die Lösung des Problems der Wärmeabfuhr elektronischer Geräte ist daher zu einem zentralen Anliegen geworden. Dieser Artikel bietet eine kurze Analyse von Methoden zur Wärmeabfuhr elektronischer Bauteile.

Die effiziente Kühlung elektronischer Bauteile wird durch die Prinzipien der Wärmeübertragung und der Strömungsmechanik beeinflusst. Die Kühlung elektrischer Geräte umfasst die Kontrolle der Betriebstemperatur elektronischer Geräte, um Stabilität und Sicherheit zu gewährleisten. Dabei spielen Wärmeableitung, Materialauswahl und weitere Faktoren eine Rolle. Zu den wichtigsten Kühlmethoden zählen derzeit natürliche Kühlung, Zwangskühlung, Flüssigkeitskühlung, Kältetechnik, Wärmeleitung und Wärmerohrtechnologie.

1. Natürliche Kühlmethode

Natürliche Kühlung erfolgt unter natürlichen Bedingungen ohne externe Energiezufuhr. Dabei werden Wärme durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung von den Bauteilen an die Umgebung abgegeben. Die natürliche Konvektion ist der am häufigsten angewandte Mechanismus.

Dieses Verfahren wird hauptsächlich für Geräte mit geringem Stromverbrauch, niedrigen Anforderungen an die Temperaturregelung und niedriger Wärmestromdichte eingesetzt. Es kann auch bei gekapselten oder dicht bestückten Geräten angewendet werden, wenn keine zusätzliche Kühltechnologie erforderlich ist.

Bei geringen Anforderungen an die Wärmeabfuhr kann die Wärmeleitung oder -strahlung durch strukturelle Optimierung verbessert werden, um die natürliche Konvektion zu steigern und die Kühlleistung des Gesamtsystems zu erhöhen.

2. Zwangskühlungsmethode

Die Zwangskühlung beschleunigt den Luftstrom um elektronische Bauteile mithilfe von Lüftern oder ähnlichen Geräten und führt so die Wärme effektiv ab. Diese Methode ist einfach, praktisch und bietet eine hohe Kühlleistung.

Dieses Verfahren eignet sich, wenn ausreichend Platz für die Luftzirkulation oder die Installation von Kühlstrukturen vorhanden ist. Die konvektive Wärmeübertragung lässt sich verbessern, indem die gesamte Wärmeabfuhrfläche vergrößert und der konvektive Wärmeübergangskoeffizient erhöht wird.

Rippenstrukturen werden häufig eingesetzt, um die Oberfläche zu vergrößern und die Wärmeübertragung zu verbessern. Bei Hochleistungsgeräten können turbulenzfördernde Strukturen hinzugefügt werden, um das Strömungsfeld über dem Kühlkörper zu verändern und die Wärmeaustauscheffizienz zu steigern.

3. Flüssigkeitskühlungsmethode

Flüssigkeitskühlung leitet Wärme von Chips und Chipmodulen ab und kann in direkte und indirekte Kühlung unterteilt werden.

Bei der indirekten Flüssigkeitskühlung werden Zwischenmedien wie Flüssigkeitsmodule, Wärmeübertragungsmodule, Sprühmodule oder flüssigkeitsgekühlte Substrate verwendet, um Wärme von elektronischen Bauteilen abzuführen.

Die direkte Flüssigkeitskühlung (Immersionskühlung) ermöglicht den direkten Kontakt des Kühlmittels mit den elektronischen Bauteilen. Das Kühlmittel absorbiert und führt die Wärme effizient ab. Dieses Verfahren wird hauptsächlich für Geräte mit hoher Wärmestromdichte oder für solche, die in Hochtemperaturumgebungen betrieben werden, eingesetzt.

4. Kühlverfahren auf Kältebasis

Die Kältemittelkühlung umfasst je nach Anwendungsumgebung die Phasenwechselkühlung mit Kältemittel und die Peltier-Kühlung.

Kältemittel-Phasenwechselkühlung

Dieses Verfahren nutzt den Phasenübergang des Kältemittels zur Aufnahme großer Wärmemengen und eignet sich daher für bestimmte Kühlanwendungen. Es umfasst das Sieden in einem Becken und das Strömungssieden. Kryogene Technologien lassen sich auch in Hochleistungsrechnersystemen einsetzen und bieten einen höheren Wirkungsgrad, einen breiten Betriebstemperaturbereich und eine kompakte Bauweise.

Peltier-Kühlung (thermoelektrische Kühlung)

Die Peltier-Kühlung bietet Vorteile wie kompakte Bauweise, einfache Installation und hohe Zuverlässigkeit. Sie nutzt den Peltier-Effekt von Halbleitermaterialien – Wärme wird an einem Übergang aufgenommen und an einem anderen abgegeben.

Obwohl es einen negativen Wärmewiderstand bietet, beschränken seine höheren Kosten und der geringere Wirkungsgrad seinen Einsatz auf kompakte Systeme mit moderatem Kühlbedarf. Typische Leistungsmerkmale: Kühltemperatur ≤ 100 °C; Kühllast ≤ 300 W.

5. Wärmeleitung (Energieübertragung)

Die Wärmeleitung transportiert Wärme von elektronischen Bauteilen mithilfe von Wärmeleitelementen an eine andere Umgebung. Da elektronische Schaltungen immer stärker integriert werden und die Leistungsdichte bei gleichzeitig sinkender Bauteilgröße steigt, müssen Kühlstrukturen eine hohe Wärmeleistung gewährleisten.

Die Wärmerohrtechnologie bietet hervorragende Wärmeleitfähigkeit, gute isotherme Eigenschaften, Anpassungsfähigkeit an variable Wärmestromdichten und schnelle Reaktionszeiten. Sie findet breite Anwendung in elektronischen Geräten, der Bauteilkühlung und in der Halbleiterindustrie. Die Auslegung von Wärmerohren hängt von Faktoren wie Schwerkraft, äußeren Kräften, Materialauswahl, Fertigungsprozessen und Reinheit ab. Strenge Qualitätskontrolle und Temperaturüberwachung sind unerlässlich.

6. Wärmerohrkühlung

Eine typische Wärmerohrleitung besteht aus einem Gehäuse, einem porösen Docht und einem Arbeitsmedium. Im Vakuum nimmt das Arbeitsmedium im Verdampfer Wärme auf und verdampft. Angetrieben durch einen geringen Druckunterschied strömt der Dampf zum Kondensator, gibt dort Verdampfungswärme ab und kondensiert. Das Kondensat fließt durch Kapillarwirkung im Docht zurück zum Verdampfer.

Dieser kontinuierliche Kreislauf überträgt die Wärme effizient vom Verdampfer zum Kondensator.

Wärmerohre können große Wärmemengen mit minimalem Temperaturunterschied übertragen – ihre effektive Wärmeleitfähigkeit ist um ein Vielfaches höher als die von Kupfer, weshalb sie auch als „nahezu supraleitende Wärmeleiter“ bezeichnet werden. Allerdings haben Wärmerohre eine maximale Wärmeübertragungsgrenze. Wird diese Grenze überschritten, verdampft das gesamte Arbeitsmedium, der Wärmekreislauf kommt zum Erliegen und das Wärmerohr versagt.