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Flüssigkeitskühlkörper

Entwicklungsingenieure suchen immer wieder nach neuen Methoden, um Leistungshalbleiter noch effizienter einzusetzen und damit Ströme zu schalten, die bisher nur mit parallel geschalteten Halbleitern erzielbar waren.

Bedingt dadurch steigt aber auch die Verlustleistung der Halbleiter kontinuierlich an.

In vielen Fällen kann deshalb mit forcierter Luftkühlung keine ausreichende Kühlung der Halbleiterchips garantiert werden.

Bezogen auf die Abmessungen eines Leistungs - IGBT's können mit Luftkühlung bestenfalls Wärmewiderstände von 21 - 23 K/KW erreicht werden.

Kühler mit derartig niedrigen Wärmewiderständen ( immer bezogen auf die heißeste Temperatur des Kühlkörpers unter dem Bauelement), müssen in Spezialverfahren hergestellt werden und sind dadurch auch teurer als übliche Luftkühlkörper.

Deshalb werden immer mehr alternative Kühllösungen in der Leistungselektronik eingesetzt. Ein kurzer Blick auf die Wärmeleitfähigkeit (siehe Tabelle) unterschiedlicher Medien zeigt Alternativlösungen auf.

Tabelle 1 - Typische Wärmeleitwerte von verschiedenen Stoffen:

 Kühlungsart Wärmeübertragungskoeffizient
Gase  25-50
Flüssigkeiten  500-1000
Wärmeübertragung durch Phasenwechsel, Kochen oder Kondensation (z.B.: Wärmeleitrohr)
 1000-5000

Aus obiger Tabelle wird sofort ersichtlich, dass Gase und Luft keine sehr große Wärmemenge übertragen können.

Ist man nicht in der Lage durch konstruktive Maßnahmen, wie z.B. durch die zweidimensionale Gestaltung der Basisplatte oder durch Einbau von Wärmeleitrohren die Verlustleistung möglichst gleichmäßig auf alle Finnen eines Luftkühlkörpers zu verteilen, stößt man sehr rasch an die Grenzen der Luftkühlung.

Deshalb wird trotz der sogenannten Unvereinbarkeit von Wasser und Elektronik immer öfter die sogenannte Flüssigkeitskühltechnik eingesetzt. Damit kann zukünftig sogar eine dichtere Bauweise als bereits heute eingesetzt, optimal entwärmt werden.

Ein Flüssigkeitskühlsystem ist wesentlich komplizierter aufgebaut
als ein Luftkühlsystem.

Ein derartiges System besteht meist aus einer Pumpe, einem Ausgleichsbehälter und einem sogenannten Wärmetauscher, um die aufgenommene Energie der Leistungsbauelemente wieder an die Umgebung abgeben zu können.

Die Abgabe der Energie über den Wärmetauscher bei derartigen Systemen erfolgt entweder durch Wasser/Wasser oder aber auch durch
Wasser / Luft Wärmetauscher.



Obiges Bild zeigt einen Kühlkörper zur Kühlung der Halbleiter, eine Pumpe, ein Ausgleichgefäß, welches gleichzeitig als Tank funktioniert, einen Wärmetauscher, von dem die Energie eventuell zu einem anderen Wärmetauscher weitergeführt wird.

Der Vorteil einer derartigen Kühlung liegt neben dem effizienten Kühlen des Halbleiters auch darin, dass das Rückkühlsystem irgendwo anders untergebracht werden kann und damit die Elektronik weder magnetischen Störungen durch die Pumpe, noch Vibrationen ausgesetzt ist.

Zusätzlich kann die Rückkühlung an günstigen Plätzen wie z.B. Kellergeschoss oder am Dach eines Gebäudes untergebracht werden.

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