Neues Verfahren von Alutronic
Oberflächenmanipulation – ein Turbo für den Kühlkörper
Stranggepresste Kühlkörper aus Aluminium sind das bewährte Mittel bei der Entwärmung elektrischer Bauelemente. Doch wie lässt sich diese Technologie weiterentwickeln? Was verspricht höhere Effizienz?
Von Bernward Seeberg, Entwicklungsleiter von Alutronic
In den letzten Jahren geht der Trend bei Strangpressprofilen zu immer aufwendigeren Konstruktionen, um die Oberfläche des Kühlkörpers zu vergrößern, die Wärmeabfuhr bei gleichen äußeren Abmessungen zu verbessern oder sogar zusätzlich den Bauraum zu verringern. Hierbei sind auch ökologische und ökonomische Aspekte ein treibender Faktor, da der Massebelag des Kühlkörpers, also das »Metergewicht«, eine nicht unwesentliche Rolle bei der Preisfindung spielt.
Insbesondere bei stranggepressten Kühlkörpern sind die konstruktiven Grenzen allerdings ziemlich ausgereizt, da mit jeder Verringerung der Zwischenräume der Kühlrippen eine Schwächung des Extrusionswerkzeuges einhergeht. Vereinfacht kann man sich das Werkzeug als all das vorstellen, was nicht Kühlkörper ist, wenn man auf dessen Stirnfläche schaut. In der Praxis sind die Werkzeuge wesentlich komplexer, da es bei der Konstruktion sehr auf Fließgeschwindigkeiten, Temperaturen und Fließwegquerschnitte ankommt und somit das Werkzeug nicht einfach nur ein »Negativ« des Kühlkörperprofils darstellt.
Um die Effizienz von Kühlkörpern dennoch zu verbessern, hat Alutronic ein neues, patentiertes Verfahren entwickelt, mit dem sich ohne neue und aufwendige Werkzeuge die Oberflächen der Kühlkörper modifizieren lassen. Der hierbei erzielte Effekt bewirkt neben einer Vergrößerung der Oberfläche insbesondere eine Beeinflussung der vorbeiströmenden Luft.
Ähnlich dem Haifischhaut-Effekt
Bekannt ist eine solche Erscheinung z. B. aus der Fauna unter dem Begriff »Haifischhaut-Effekt«; im Fachgebiet der Strömungsmechanik wird in diesem Zusammenhang von »Riblet-Oberflächen« gesprochen. Hierbei behindern feine Oberflächenstrukturen die Querbewegungen der Wirbel der turbulenten Strömung. Die Strömung nimmt diese Strukturen abhängig von deren Größe und der Strömungsgeschwindigkeit nicht bzw. kaum als rau wahr, wodurch die Wandreibung signifikant verringert wird.
In Versuchsreihen hat Alutronic festgestellt, dass bei Kühlkörpern mit einer speziell hergestellten Oberflächenstruktur eine Verbesserung des Wärmewiderstandes im zweistelligen Prozentbereich erzielt werden kann. Der Wärmewiderstand gilt als wichtigste Kennzahl des Kühlkörpers, indem er dessen Wirkungsgrad in Bezug auf die Verlustleistung widerspiegelt. Einschränkend ist zu sagen, dass dieses Phänomen abhängig vom Kühlkörperprofil ist und signifikant von der Luftgeschwindigkeit abhängt.
Da dieser Effekt nahezu ausschließlich bei forcierter, also mittels Lüfter erzwungener Kühlung auftritt, lässt er sich kaum ausschließlich basierend auf einer Oberflächenvergrößerung begründen.
Es ist daher naheliegend anzunehmen, dass die Wirkungsgradverbesserung des Kühlkörpers durch eine Änderung der Strömungsverhältnisse einhergehend mit einem verbesserten Wärmeaustausch zwischen Kühlkörperwandung und umströmender Luft zusammenhängt.
In der Anwendung
Das Verfahren der Oberflächenmanipulation ist prinzipiell auf jeden stranggepressten Aluminiumkühlköper anwendbar. Da Alutronic allein über 250 verschiedene Standardprofile bevorratet – hinzu kommt in etwa die doppelte Menge an kundenspezifischen Sonderprofilen – stehen noch umfangreiche Versuchsreihen an, bis eine systematische Auswertung erstellt werden kann. Geplant ist, dass Alutronic nun in Eigenregie und mit ausgewählten Partnern weitere Versuchsreihen durchführen wird, um den Zusammenhängen zwischen Luftströmung und Oberfläche auf die Spur zu kommen.
Zu erwarten ist durch diese Innovation eine Optimierung der Effizienz der Kühlkörper, sodass die Kühlkörper bei gleicher Verlustleistung kleiner ausgelegt werden können oder alternativ eine größere Verlustleistung abführen können. Damit ist es Alutronic gelungen, durch innovative Entwicklung im Bereich der Bauteilentwärmung einen Beitrag zur Kosteneinsparung und letztlich zur Verringerung der CO2-Emissionen zu leisten.
