Wärmemanagement Mit Dampf gegen Wärme

Bild 1: Dampfkammersystem

Bei hohen Verlustleistungsdichten begrenzt oft die schlechte Wärmespreizung der dünnen Basisplatte am Kühlkörper oder der dünnen Kühlkörperprofile das wärmetechnische Design. Wenn feststeht, dass Aluminium oder Kupfer als herkömmliche Kühlkörpermaterialien nicht ausreichen oder zu massiv sind, um den Anforderungen zu genügen, stehen Zweiphasensysteme wie Heat-Pipes und Dampfkammersysteme zur Verfügung.

Dampfkammersysteme weisen gegenüber Heat-Pipes zwei entscheidende Vorteile auf:

1:] einen direkten Kontakt zur Wärmequelle und eine gleichmäßige Wärmespreizung in alle Richtungen. Die Integration von Kühlkörpern und Dampfkammersystemen ist einfacher als oft angenommen und sie bringt deutliche Leistungsvorteile, wobei diese Integration auf unterschiedliche Weise erfolgen kann.

2:] Ein typischer Aufbau besteht aus der Dampfkammer, einem Aluminiumrahmen und meist aus Aluminium geformten Kühlrippen (Bild 1). Diese Komponenten werden miteinander verlötet. Alternativ zu diesem Design lassen sich Dampfkammern in Ausfräsungen der Basisplatte eines Kühlkörper- oder Strangpressprofils beispielsweise durch Einlöten in nickelplatinierte Aluminium- oder Kupferkühlkörper einbetten.

Dies führt zu einem sehr guten Wärmeübergang von der Dampfkammer auf den Kühlkörper. Die Kühleffizienz verbessert sich gegenüber Kupfer- oder Heat-Pipebasierten Systemen im Bereich von zehn bis dreißig Prozent. Im Vergleich zu Aluminium-Strangpress- oder Kupferkühlkörpern wiegen solche Lösungen erheblich weniger. Integrierte Systeme lassen sich bei höheren Umgebungstemperaturen und mit geringeren Lüftergeräuschen beziehungsweise -geschwindigkeiten betreiben. Ein Beispiel ist der flach bauende »NanoSpreader « von Celsia Technologies (Vertrieb: Hala Contec). Eine häufige Frage beim Design einer Kühllösung aus Dampfkammersystemen ist die nach der effektiven Wärmleitfähigkeit (W/mK) und dem Wärmewiderstand (K/W). Da zweiphasige Systeme kein lineares Wärmeleitverhalten aufweisen, muss applikationsspezifisch vorgegangen werden. In Zweiphasensystemen herrschen zwei Wärmewiderstände: der Widerstand bei der Verdampfung und der Widerstand beim Dampftransport. Der dritte Widerstand bei der Kondensation ist sehr klein und meist vernachlässigbar.

In den meisten Anwendungen spielt der Widerstand bei der Verdampfung die größte Rolle und ist bei gegebener Dampfkammersystembreite längenabhängig. Bei einem Dampfkammersystem mit 75 mm Länge wird sich nahezu der gleiche Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke einstellen wie bei einem System mit 150 mm Länge. In anderen Worten heißt das, dass sich die Wärmeleitfähigkeit beim langen System verdoppelt. Der Widerstand der Verdampfung wird in K/W/cm2 ausgedrückt. Bei niedrigen Verlustleistungsdichten von 5 W/cm2 bis 10 W/cm2 ist dieser Widerstand im Bereich von 0,1 K/W/cm2. Bei steigenden Verlustleistungsdichten sinkt der Widerstand der Verdampfung bis zur Sättigung, wie Bild 2a für eine spezifische Dampfkammerausführung zeigt. Die Grenze kann 200 W/cm2 und mehr betragen, je nach Dampfkammerdesign.

Der thermische Widerstand beim Dampftransport lässt sich ähnlich ableiten. Er hängt jedoch vom Querschnitt des Dampfsystems ab und ist abhängig von der Temperatur und der Art des Fluids. Die gezeigten Werte sind typisch für wassergefüllte Dampfkammersysteme und gelten für Temperaturbereiche bei Elektronikkühlungen. Der Widerstand beträgt üblicherweise 0,01 K/W/cm2. Bild 2b verdeutlicht seine Abhängigkeit von der Dicke (2,0 mm bis 3,5 mm) und der Breite (20 mm bis 80 mm) der Dampfkammer. Die Leistungsgrenzen bei passiv gekühlten Systemen wurden in [3] diskutiert.

Eine Simulation verdeutlicht die unterschiedlichen Wärmeverteilungen bei einem einfachen Kupferkühlkörper im Vergleich zur viel homogeneren Verteilung bei identischem Kühlkörperlayout, aber mit integrierter Dampfkammer (Bild 3).

Hauptziel bei dieser Ausführung ist die effektive Wärmespreizung, der Wärmetransport ist untergeordnet. Die sich hierbei ergebende Wärmeleitfähigkeit liegt im Bereich von 1000 W/mK bis 1500 W/mK. Bei Kühlkörpern mit kleinen Formfaktoren und kurzen Längen wie bei U-förmigen Profilen verringern eingebettete Dampfkammern die Temperatur um 3 K bis 4 K gegenüber reinen Kupferkühlkörpern, sodass sich die Kühlung um etwa 10% verbessert.

Dieser Vorteil spielt vor allem eine entscheidende Rolle bei hohen Umgebungstemperaturen oder wenn die Lüftergeschwindigkeit zur Geräuschminderung minimiert werden soll.

 

 

Die Autoren:

Dr. Wilhelm Pohl ist Geschäftsführer von Hala Contec.
George A. Meyer ist Chief Technical Officer bei Celsia Technologies.

Literatur:

[1] W. Pohl, G. A. Meyer, »NanoSpreader als thermofluide Wärmespreizer–Kühlsystem-Wirkungsgrad bis zu 60% steigern«, Elektronik Praxis, April 2010
[2] G. A. Meyer, »Integrating vapor chambers into thermal solutions«, Electronics Cooling, Vol. 16, No. 1, 2010
[3] S. D. Garner, »Heat Pipes for Electronics Cooling Applications«, Electronics Cooling, Vol. 2, No. 3, 1996