Wasser marsch - Kühlsysteme für Hochleistungselektronik

Bislang waren Kühlsysteme insbesondere auf dem Sektor der Hochleistungselektronik stets im Zugzwang. Doch mit neuen Flüssigkeitskühlkörpersystemen wird der Kühlkreislauf in direkten Kontakt mit der Wärmequelle gebracht, wobei 15% bis 25% mehr Wärme als in vergleichbaren Systemen abgeleitet wird. Aufgrund von Standardisierung, applikationsspezifischem Design und Materialauswahl, robuster Bauweise und Wartungsfreiheit weisen sie eine hohe Lebensdauer auf. Hinzu kommt, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen oft kostengünstiger sind.

Bislang waren Kühlsysteme insbesondere auf dem Sektor der Hochleistungselektronik stets im Zugzwang. Doch mit neuen Flüssigkeitskühlkörpersystemen wird der Kühlkreislauf in direkten Kontakt mit der Wärmequelle gebracht, wobei 15% bis 25% mehr Wärme als in vergleichbaren Systemen abgeleitet wird. Aufgrund von Standardisierung, applikationsspezifischem Design und Materialauswahl, robuster Bauweise und Wartungsfreiheit weisen sie eine hohe Lebensdauer auf. Hinzu kommt, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen oft kostengünstiger sind.

Mit der Weiterentwicklung der elektronischen Bauelemente steigen die Verlustleistung und damit das Wärmeaufkommen auf den elektronischen Baugruppen überproportional an. Zwar werden diese Bauteile immer kleiner, doch ihre Leistungsfähigkeit nimmt zu und somit die abzuführende Wärme. Weiterhin lassen sich aufgrund ihrer Kompaktheit diese Elemente auf engerem Raum platzieren, sodass nochmals ein höheres Wärmeaufkommen zustande kommt. So entstehen Verlustleistungen, die im Falle einer Lüfterkühlung nur noch mit aufwändigen und voluminösen Kühlkörpern realisierbar wären.

Bei hohen Verlusten stößt die Luftkühlung eindeutig an ihre Grenzen. Die neuen Hochleistungsprozessoren liefern etwa 70 W bis 100 W auf einer Fläche von etwa 10 cm2 und erreichen damit eine weitaus höhere Wärmestromdichte, als dies auf einer vergleichbaren Fläche eines Herdes der Fall ist. Die Elektronikhersteller prognostizieren, dass in den nächsten Jahren ein weiterer Anstieg der Abwärme zu erwarten sein wird.

Im Hinblick auf diese Entwicklung wendet sich für derartige Anwendungsfälle die Fachwelt der Fluid-orientierten Kühlung zu, die Kühlleistungen von 25 kW erzielt. Dass »kühle« Flüssigkeiten als Wärmetransportmedien genutzt werden können, ist nicht neu. Insbesondere kann Wasser pro Volumeneinheit wesentlich mehr Wärme abführen als beispielsweise Luft. Eine dünne Wasserleitung ist um ein Vielfaches effektiver als die Kühlung mit einem Lüfter, denn Wasser hat eine um den Faktor 4000 höhere spezifische Wärmekapazität als Luft.

Flüssigkeitskühlkörper kommen mit sehr geringen Übertragungsflächen aus und »sprengen« daher nicht die vorgegebenen Abmessungen der zu kühlenden Baugruppen. Auch lassen sie sich dort einsetzen, wo die Wärme unmittelbar entsteht: an den elektronischen Hochleistungselementen auf den Baugruppen. Der Abtransport der Kühlflüssigkeit zu einem Ort, an dem die Wärme entzogen oder weiter genutzt werden kann, lässt sich einfach realisieren. Damit bilden derzeit Flüssigkeitskühlkörper die obere Leistungsklasse der Kühlkörpertechnik. Als Fluide dienen Wasser, Öl, Alkohol, oder auch bestimmte Gase.