Thermosiphon-Kanal statt Heatpipe
Verbesserte Wärmeverteilung bei hohen Leistungsdichten
Die Integration eines geschlossenen Thermosiphon-Kanals in Aluminium-Kühlkörper ermöglicht eine deutlich effizientere Wärmeverteilung als bei herkömmlichen Heatpipes oder rein leitenden Aluminiumprofilen. Das belegt das Beispiel von CooliBlades NEOcore-Technologie.
Fortschreitende Miniaturisierung und steigende Leistungsanforderungen erhöhen in leistungselektronischen Systemen die Verlustleistungsdichte. Daraus resultierende Hotspots stellen hohe Anforderungen an das Wärmemanagement. Die NEOcore-Technologie von CooliBlade wurde entwickelt, um dieser Herausforderung mit einer luftbasierten Lösung auf Basis eines in Aluminium integrierten Thermosiphon-Kanals zu begegnen. Simulationen und Messdaten zeigen niedrigere Bauteiltemperaturen und eine gleichmäßigere Auslastung der Kühlstruktur.
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Das zentrale Element der vom finnischen Startup CooliBlade entwickelten Technologie ist ein thermisch aktiver Kanal, der direkt in die Aluminiumstruktur des Kühlkörpers eingebracht ist.
Dieser Kanal nutzt einen Phasenwechselprozess und erreicht eine effektive Wärmeleitfähigkeit von 200.000 W/mK – etwa das 1000-Fache der Wärmeleitfähigkeit von Aluminium. Dadurch lassen sich bis zu 3 kW Verlustleistung pro Modul abführen, auch bei kompakten Bauraumverhältnissen. Die Kühlkörper sind so konstruiert, dass ein großflächiger Verdampfer die Wärmeaufnahme maximiert, während der direkt integrierte Kanal den thermischen Widerstand reduziert. Der nachgeschaltete Kondensationsbereich ermöglicht die Rückverflüssigung des Arbeitsmediums, bevor die abgeführte Wärme an einem optimierten Luftübergang an die Umgebung abgegeben wird.
Vergleich mit herkömmlichen Lösungen
Bei klassischen Heatpipe-Konstruktionen werden separate Heatpipes in gefräste Kanäle eingesetzt und entweder verklebt oder verlötet. Dies erzeugt zusätzliche Übergangswiderstände zwischen Heatpipe, Klebstoff und Aluminium. Im Unterschied dazu ist der NEOcore-Kanal integraler Bestandteil des Kühlkörpers, wodurch diese Schnittstellen entfallen. Das senkt den Gesamtwiderstand und vereinfacht gleichzeitig die Fertigung.
Simulations- und Messergebnisse: NEOcore versus Standard-Rippenkühlkörper
Für eine vergleichende Untersuchung wurden ein Standard-Rippenkühlkörper und ein NEOcore-Kühlkörper (Modell Aurora) mit identischen Abmessungen anhand eines Semix-3P-IGBT-Moduls analysiert. Die Simulation zeigte, dass bei der herkömmlichen Lösung die Kühlung auf den Bereich unmittelbar über dem Modul beschränkt bleibt, während der Großteil des Kühlkörpers thermisch inaktiv bleibt. Im Gegensatz dazu verteilt der NEOcore-Kanal die Wärme gleichmäßig über die gesamte Rippenstruktur und aktiviert so die komplette Kühlfläche zur Konvektion.
Diese Ergebnisse wurden durch Messungen bestätigt. Der NEOcore-Kühlkörper blieb über den gesamten Lastbereich hinweg signifikant kühler. Mit zunehmender Verlustleistung verstärkte sich der Vorteil. Ein Dry-out-Effekt, wie er bei Heatpipes unter hoher thermischer Belastung auftreten kann, wurde nicht beobachtet.
Temperaturvorteile auch gegenüber Heatpipe-Lösungen
In einem weiteren Vergleich mit einem Kühlkörper, der mit eingebetteten Heatpipes arbeitet, zeigte die NEOcore-Lösung durchgehend bessere Temperaturwerte. Über den gesamten Betriebsbereich hinweg blieb die Kühlkörpertemperatur im Mittel etwa 15 % niedriger. Ab einer Auslastung von etwa 25 % der Nennleistung verlor die Heatpipe-Variante zunehmend an Effizienz, während die NEOcore-Technologie konstant leistungsfähig blieb.
Thermische Kenndaten der Plattformen
CooliBlade bietet zwei Plattformen für verschiedene Anwendungsanforderungen an. Die Aurora-Serie basiert auf einem extrudierten Aluminiumprofil mit integriertem NEOcore-Kanal und eignet sich für Einzelmodule. Bei einer Baugröße von 350 mm × 72 mm × 61 mm erreicht der Kühlkörper einen thermischen Widerstand von 67,9 K/kW bei 1 kW Verlustleistung und einem Luftstrom von 300 m³/h. Die empfohlene Einbaulage ist vertikal.
Die Ultima-Serie erweitert dieses Konzept durch zusätzliche Wärmetransportkanäle in den Finnen. Dies verbessert die Flächenaktivierung und reduziert den thermischen Widerstand weiter. Der Kühlkörper misst 140 mm × 207 mm × 200 mm und ist für bis zu zwei Power-Module ausgelegt. Bei 3 kW Verlustleistung und 400 m³/h Luftstrom beträgt der thermische Widerstand 23,21 K/kW.
Ralph Schmidt ist Vertriebsleiter für Kühlung bei MB Electronic. Seit 2018 betreut er Key Accounts im Bereich Leistungselektronik und verantwortet die strategische Weiterentwicklung von Lösungen im Segment »Advanced Cooling«. Neben seiner Vertriebsrolle unterstützt er Kunden aktiv bei technischen Applikationen und im Engineering, insbesondere bei der Integration komplexer Kühllösungen in industrielle Anwendungen – stets mit dem Ziel, die technisch und wirtschaftlich optimale Lösung aus dem Portfolio von MB Electronic zu realisieren.
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