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Technical Documents
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Was ist eine Kühlplatte?
Eine Kühlplatte, auch Wasserblock genannt, ist ein Metallblock (typischerweise aus Aluminium oder Kupfer) mit internen Leitungen, durch die Flüssigkeiten fließen können. Die Funktion der Platte besteht in der lokalen Kühlung von Leistungselektronik. Dies geschieht durch die Übertragung von Wärme von einem Gerät auf eine Flüssigkeit (z. B. Wasser oder Frostschutzmittel), die zu einem entfernten Wärmetauscher fließt und anschließend an die Umgebung oder an eine andere Flüssigkeit in einem sekundären Kühlsystem abgegeben wird. Einfach ausgedrückt: Wird eine Kühlplatte auf ein zu kühlendes elektronisches Bauteil gelegt, absorbiert und leitet sie die Wärme des Bauteils an die Flüssigkeit ab, die dann durch das System zirkuliert.
Im Vergleich zur Luftkühlung ermöglichen Flüssigkeitskühlplatten eine deutliche Reduzierung von Volumen und Gewicht von Leistungselektronik. Der Einsatz einer Kühlplatte ist der nächste Schritt, wenn die Luftkühlung nicht ausreicht, oft weil die Wärmeleistung innerhalb des gewünschten Platzbedarfs nicht mehr wirtschaftlich erreicht werden kann.
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Arten von Kühlplatten
Freiliegende Rohrkühlplatten
Freiliegende Rohrkühlplatten bieten leistungsstarke Kühlung in einem kleineren System.
Rohre aus Kupfer, Kupfer-Nickel oder Edelstahl werden in spezielle Kanäle einer Aluminiumplatte eingepresst. Um die Rohre herum wird ein thermisches Epoxidharz aufgetragen, um eine optimale Wärmeübertragung zu gewährleisten. Die Kühlplatten übertragen die Wärme vom Gerät an die Flüssigkeit im Rohr, die dann durch den geschlossenen Kreislauf geleitet wird und die Wärme ableitet.
Bei einer freiliegenden Rohrkühlplatte steht das Kühlmittelrohr in direktem Kontakt mit dem Gerät, was minimalen Wärmewiderstand und erhöhte Leistung ermöglicht. Freiliegende Rohrkühlplatten sind traditionell die kostengünstigste Flüssigkeitskühlungstechnologie.
Vergrabene Rohrkühlplatte
Eine vergrabene Rohrkühlplatte mit Flüssigkeit kühlt beide Seiten der Kühlplatte. Die Rohre sind vor der Außenumgebung geschützt. In der Regel wird ein Kupferrohr in einem von Mersen bearbeiteten Aluminiumsubstrat vergraben. Anschließend wird das gestanzte Kupferrohr mit einer Stanzmaschine verpresst (dieser Pressvorgang ist tiefer als der der freiliegenden Rohrkühlplatte). Manche Ingenieure bevorzugen eine Epoxidschicht über dem Rohr, um das Rohr vor Undichtigkeiten zu schützen.
Dieses Kühlprinzip eignet sich am besten für Hochleistungsschaltgeräte wie Chip-, LED- und Batteriekühlungssysteme.
Tiefgebohrte Kühlplatten
Tiefgebohrte Kühlplatten verfügen über mehrere Kühlkanäle, die direkt durch die gesamte Länge der Platte gebohrt sind. Rohre werden eingeführt und aufgeweitet, um einen sicheren Metall-Metall-Kontakt zu gewährleisten. Dies optimiert die Wärmeübertragung und ermöglicht eine beidseitige Kühlung. Zur weiteren Verbesserung der Kühlleistung kann ein sogenannter „Turbulator“ hinzugefügt werden, der die Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen erhöht.
Die Vorteile der Kühlung durch tiefgebohrte Kühlplatten sind vielfältig:
- Ermöglicht beidseitige Kühlung
- Optimiert die Wärmeübertragung
- Turbulatoren können zur Leistungssteigerung hinzugefügt werden
- Geringeres Leckagerisiko
Es mag Sie überraschen, dass nur wenige Wärmetechnikunternehmen Anwendungen für tiefgebohrte Kühlplatten anbieten, obwohl die Nachfrage nach diesen Technologien weiterhin besteht! Mersen verfügt über die nötigen Fähigkeiten und das Know-how, um Tiefbohranwendungen umzusetzen.
Vakuumgelötete Kühlplatten
Beim Vakuumlöten werden zwei Kühlplatten mit inneren Kanälen und Rippenstrukturen (oft gefaltete oder geschälte Rippen) in einer Vakuumkammer zum Erhitzen miteinander verbunden.
Ein niedrigschmelzender Füllwerkstoff wird unter den entsprechenden technologischen Bedingungen durch Kapillarwirkung in die Verbindungsstellen der Kühlplatte eingeschmolzen und verbindet die beiden Platten mit inneren Kanälen und Rippenstrukturen zu einem inneren Strömungskanal. Das Vakuumsystem kann an das Werkstück angeschlossen werden, sodass der Druck im Werkstück während des Vakuumlötens niedriger ist als der Atmosphärendruck.
Dieses Kühlthermomodul wird häufig in der Stromerzeugung, in Batterien für Elektroautos, in Brennstoffzellenkomponenten und anderen Anwendungen eingesetzt. Vakuumlöten ist zwar teurer, bietet aber auch eine sehr hohe Zuverlässigkeit.
Vakuumlöten bietet viele Vorteile:
- Hochgradig wiederholbare und kontrollierbare Chargenverarbeitung
- Gleichmäßige Materialeigenschaften während und nach dem Löten
- Erhebliche Designflexibilität, da keine Biegeradiusbeschränkungen der Druckrohrkühlplatte vorliegen.
Tauchgelötete Kühlplatten
Tauchgelötete Kühlplatten sind ebenso vorteilhaft wie vakuumgelötete Kühlplatten, unterscheiden sich jedoch in ihrer Herstellungsmethode. Anstatt in einem Vakuumofen zu erhitzen, werden die beiden Metallteile mit Chemikalien gereinigt und anschließend in ein Bad aus geschmolzenem Salz (einem Aluminiumlötflussmittel) gegeben, das auf nahezu Lavatemperatur erhitzt wird. Das Füllmetall wird so nah wie möglich an den Verbindungsstellen platziert.
Die Baugruppe wird eingetaucht, wobei das geschmolzene Flussmittel gleichzeitig mit allen inneren und äußeren Oberflächen in Kontakt kommt. Diese flüssige Wärme ist extrem schnell und gleichmäßig.
Beschreiben Sie uns Ihre Anwendungsanforderungen
Nicht jedes Kühlplattensystem ist für alle Geräte geeignet, die Kühlung benötigen. Design und Analyse decken ein breites Spektrum an Leistungsmerkmalen und -aspekten ab – von Höhe und Gewicht bis hin zur Temperaturgleichmäßigkeit.
Mersen bietet die Möglichkeit, spezifische Kühlplattendesigns an Ihre Anwendungsanforderungen anzupassen, einschließlich Schlüsselfaktoren wie:
- Rohrführung
- Verteiler
- Anschlüsse
Unsere Designs zielen stets darauf ab, Ihre Betriebs- und Herstellungskosten zu minimieren. Kontaktieren Sie uns noch heute, um Ihre Anforderungen zu besprechen!
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Luftkühlkörper vs. Flüssigkeitskühlplatte: Was ist der Unterschied?
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Wie funktionieren Luftkühlkörper?
Luftkühlkörper, die die Umgebungsluft als Kühlmedium nutzen, werden aufgrund ihrer Einfachheit und Kosteneffizienz häufig eingesetzt.
Sie leiten Wärme durch natürliche Konvektion oder Zwangsbelüftung ab und eignen sich daher für eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen eine moderate Kühlung ausreicht. -
Wie funktionieren Flüssigkeitskühlplatten?
Flüssigkeitskühlplatten bieten eine direktere und effizientere Kühlmethode, indem sie ein flüssiges Kühlmittel nutzen, um Wärme von empfindlichen Komponenten abzuleiten. Dieser Ansatz ist besonders effektiv bei Hochleistungs- oder hochdichten Anwendungen, bei denen eine Luftkühlung nicht ausreicht.
Flüssigkeitskühlplatten ermöglichen niedrigere Temperaturen und eine präzisere Temperaturregelung, sind jedoch mit höherer Komplexität und höheren Kosten verbunden. -
Wie wählt man zwischen Luftkühlkörper und Flüssigkeitskühlplatte?
Die Wahl der richtigen Kühllösung – Luftkühlkörper oder Flüssigkeitskühlplatten – beeinflusst maßgeblich die Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistung von Leistungselektroniksystemen. Diese Entscheidung hängt von mehreren Faktoren ab, die jeweils die individuellen Anforderungen der Anwendung widerspiegeln.
Kühlleistung und Effizienz: Erzeugt das System viel Wärme oder wird es in einer Umgebung mit hohen Temperaturen betrieben, sind Flüssigkeitskühlplatten oft effektiver. Ihre überlegene Kühlleistung und Effizienz eignen sich ideal für dicht gepackte oder leistungsstarke Komponenten. Luftkühlkörper können für Anwendungen mit geringerer thermischer Belastung oder bei denen die Umgebungsluft die Wärme effektiv ableiten kann, ausreichend sein.
Platz- und Gewichtsbeschränkungen: Luftkühlkörper sind zwar einfacher, können aber aufgrund der benötigten großen Oberfläche für eine effektive Wärmeableitung sperriger und schwerer sein. Flüssigkeitskühlplatten hingegen bieten eine kompaktere und potenziell leichtere Lösung, die in platzbeschränkten Umgebungen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie entscheidend ist.
Präzision und Kontrolle: Flüssigkeitskühlsysteme bieten eine höhere Präzision und Kontrolle der Systemtemperaturen, was für Anwendungen mit strengem Temperaturmanagement unerlässlich ist. Dieses Maß an Kontrolle ist mit Luftkühlung schwieriger zu erreichen, insbesondere bei schwankenden Umgebungsbedingungen.
Kosten und Komplexität: Luftkühlkörper haben typischerweise geringere Anschaffungskosten und ein einfacheres Design, was sie für Anwendungen attraktiv macht, bei denen Einfachheit wichtig ist. Flüssigkeitskühlplatten bieten zwar potenziell eine höhere Leistung, sind aber mit höheren Anschaffungskosten und höherer Komplexität verbunden, einschließlich des Bedarfs an Pumpen, Behältern und Wartung zur Vermeidung von Leckagen oder Korrosion. -
Welche Kühllösungen für Wechselrichter sollten Sie wählen?
Die Wahl der richtigen Kühllösungen für Wechselrichter ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Systemeffizienz und die Vermeidung von Überhitzung. Mersen bietet eine Reihe von Kühllösungen, die auf die spezifischen Anforderungen der Leistungselektronik zugeschnitten sind und sicherstellen, dass Ihr Wechselrichter bei optimalen Temperaturen arbeitet.
Bewältigung der Hochtemperatur-Herausforderungen von SiC-Leistungsmodulen
Die Kühlung von SiC ist unerlässlich, um die Hochtemperatur-Herausforderungen von Siliziumkarbid-Komponenten zu bewältigen. Mersens Kühllösungen für Siliziumkarbid sind auf die hohe Wärmeleitfähigkeit von SiC ausgelegt und gewährleisten so sichere Betriebstemperaturen dieser Komponenten.
Maximierung der Wechselrichterlebensdauer durch effiziente Kühllösungen
Die Langlebigkeit von Wechselrichtern wird durch effiziente Kühllösungen deutlich erhöht. Mersens Kühllösungen für Wechselrichter sind darauf ausgelegt, die im Betrieb entstehende Wärme zu regulieren. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Leistung und die Vermeidung thermisch bedingter Ausfälle. Berücksichtigen Sie bei der Auswahl einer Kühllösung für Wechselrichter die thermische Auslegungsleistung und die Umgebungsbedingungen, um eine optimale Wärmeableitung zu gewährleisten.
Wärmemanagement optimieren: Die Bedeutung von Kühlkörpern für Leistungselektronik
Kühlkörper sind eine wesentliche Kühllösungskomponente in der Leistungselektronik, um übermäßige Wärme abzuleiten. Achten Sie bei der Auswahl eines Kühlkörpers für Leistungselektronik auf Material, Größe und Design, um sicherzustellen, dass er den thermischen Anforderungen Ihres Systems entspricht.
Haltbarkeit verbessern: Warum Kühlung für Siliziumkarbidmodule unerlässlich ist
Die Haltbarkeit von Siliziumkarbidkomponenten wird durch effektive Kühlung deutlich verbessert. Mersens Kühllösungen für Siliziumkarbid sind speziell darauf ausgelegt, die von SiC-Komponenten erzeugte Wärme zu regulieren, was für deren Langlebigkeit und Leistung in Leistungselektronikanwendungen entscheidend ist.
Verlängerung der IGBT-Lebensdauer durch effektive Kühlung
Effektive Kühlung ist entscheidend für die Lebensdauer von IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Mersens Kühllösungen für IGBTs sind darauf ausgelegt, die von diesen hocheffizienten Schaltern erzeugte Wärme zu regulieren und sicherzustellen, dass sie innerhalb ihrer thermischen Grenzen arbeiten und so eine längere Lebensdauer erreichen.
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