Flüssige Kühlplatte: Zusammenbau durch FSW für mehr Leistung und mehr Einsparungen
Die Leistung des Vakuumlötens zu einem Preis, der unter dem des Tiefbohrens liegt!
Mit der Entwicklung des Rührreibschweißens (FSW) haben neue Technologien für Kühlplatten, die aus diesem Verfahren hervorgegangen sind, die Herstellungsprozesse umgestoßen. Zuverlässige Leitfähigkeit, Flexibilität und Kosten sind drei der Hauptvorteile, die das Zusammenfügen von Flüssigkeitskühlplatten mit FSW gegenüber alternativen Techniken bietet.
Wärmeableitung durch Flüssigkeitskühlplatten: Was ist das?
Flüssigkeitsühlplatten sind eine Vorrichtung zur Wärmeableitung, mit der elektronische Geräte gekühlt werden können. Mit diesem Gerät wird die von Hochleistungselektronik-geräten erzeugte Wärme über mehrere Flüssigkeitskanäle an die Oberfläche der Kühlplatte abgeführt. Die Dissipation erfolgt durch die Leitung zwischen der Kühlflüssigkeit in den Kanälen und der Kühlplatte.
Flüssigkeitskühlplatten aus Aluminium tragen zur effizienten Entwicklung neuer Geräte bei, die mit Hochleistungselektronik ausgestattet sind. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass immer leistungsstärkere elektronische Bauteile in immer kompakteren Gehäusen eingebaut werden. Diese kompakten Gehäuse zwingen die Konstrukteure dazu, über neue, leistungsfähige Kühlvorrichtungen nachzudenken.
Die technische Leistung dieser Komponenten wird durch Flüssigkeitskühlplatten positiv beeinflusst, die bei Anwendungen mit hohem Wärmefluss eine bessere Kühlleistung erbringen als herkömmliche Kühlsysteme wie die konvektive Luftkühlung.
Welche Anwendungen für Flüssigkeitskühlplatten?
Es gibt viele Bereiche, in denen eine perfekte Steuerung des Wärmeflusses erforderlich ist. Hier sind die Bereiche, in denen Kühlplatten eingesetzt werden:
Welche Arten von Flüssigkeitskühlplatten gibt es?
Es gibt verschiedene Arten von Flüssigkeitskühlplatten, z. B. :
Flüssigkeitskühlplatte: Darstellung und Vergleich der Herstellungsmethoden
Flüssigkeitskühlplatten mit Röhren
Dies ist wahrscheinlich die einfachste Form der Kühlplatte, die es heute gibt. Es handelt sich nämlich um einer Kühlplatte, in die ein nahtloses Rohr eingebettet ist.
Je nach dem gewünschten Wärmefluss und dem Kühlmittel, das durch die Anwendung geleitet werden soll, können die Rohre aus verschiedenen Materialien bestehen, aber in der Regel sind die Rohre aus Kupfer. Diese werden auf zwei Arten eingefügt; entweder mechanisch (trocken) oder mit einer thermischen Epoxidverbindung, um Mikroporosität zu beseitigen und die thermische Leistung zu maximieren.
Die Nachteile der Flüssigkeitskühlplatte mit Röhre:
Die Grenzen dieser Konfiguration sind die Kühlleistung (eine hohe Kanaldichte ist mit dieser Methode nicht möglich) und die Zuverlässigkeit der Röhrenleitfähigkeit aufgrund der kritischen Herstellungsschritte, d. h. :
- Biegen erforderlich, um die gewünschte Form in der Platte anzunehmen
- Verfahren, um eine gute Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten:
– Entweder Aufbringen einer Wärmeleitpaste, die hohe Kosten verursacht,
– Oder Hydroforming, um das Rohr in seinem Sitz zu verformen, aber es kann jedoch nicht kontrolliert werden, ob noch ein Spiel zwischen dem Rohr und der Platte vorhanden ist.
Seit 2020 sind die Kosten für Kupfer um das Fünffache gestiegen, was ebenfalls ein Hemmnis für die Nutzung dieser flüssigen Kühlplattenlösung darstellt.
Flüssigkeitskühlplatten durch Tiefbohrungen
Bohrloch-Flüssigkeitskühlplatten werden mit einer Reihe von tiefen Löchern entlang der Länge der Aluminiumplatte entworfen, um verschiedene Strömungskanäle zu schaffen. Jedes Loch wird senkrecht zum Hauptweg der Kühlflüssigkeit gebohrt und dann teilweise verschlossen, um einen kontinuierlichen Flüssigkeitsweg über die gesamte Platte zu schaffen. Dann werden Lochungen verwendet, um die Flüssigkeit wieder in die Platte zurückzuführen.
Der Vorteil dieses Kühlplattenverfahrens ist, dass es keine thermische Barriere zwischen dem Kühlmittel und der Aluminiumplatte gibt. Außerdem wird die Aluminiumplatte ohne thermische Belastung hergestellt, was das Erreichen ihrer endgültigen Ebenheit erleichtert.
Die Nachteile der Flüssigkeitskühlplatte durch Tiefbohren :
- Flüssigkeitskühlplatten aus Tiefbohrungen lassen aus Sicht der Kühlfläche keine große Gestaltungsfreiheit zu, da die Wege der Flüssigkeit nur gerade Linien sind.
- Bei Kühlplatten mit einer Länge von über 500 mm wird das Tiefbohren in Aluminiumplatten sehr schwierig.
- Außerdem sind Löchungen sehr kritische Bereiche, die für Lecks anfällig sind.
Flüssigkeitskühlplatten im Druckgussverfahren
Die Flüssigkeitskühlplatte aus Druckguss besteht aus zwei Teilen: dem Gehäuse und der Abdeckung. Diese Art von Kühlkörper wird insbesondere für komplexe Anwendungen und/oder große Produktionsmengen verwendet.
Nach dem Gießen können die beiden Teile mit einem O-Ring oder durch FSW versiegelt werden.
Die Nachteile der Flüssigkeitskühlplatte im Druckguss
Bei druckbeaufschlagten Kühlplatten kommt eine besondere Technologie zum Einsatz, bei der das Aluminiumteil über das Kühlmittelleitungsrohr gegossen wird. Obwohl das erwartete Ergebnis ein perfekt abgedichtetes Teil ist, ist das Gießen des flüssigen Aluminiums um das Rohr ein heikler Prozess, bei dem das Rohr ruhig gehalten werden muss, um jede Bewegung zu vermeiden, die die Versiegelung der Platte beeinträchtigen könnte. Diese Technologie erhöht die Kosten für die Kühlplatte aufgrund der Komplexität des Rohrs und der Wartung stark.
Flüssigkeitskühlplatten, die durch Löten zusammengefügt werden
Die Löttechnologie bei der Montage von Kühlplatten wird in der Regel für Hochleistungskonsktruktion verwendet, bei denen ein geringerer Wärmewiderstand, aber eine perfekte Abdichtung erforderlich ist. Für Konstrukteure bietet die Verwendung von Lötmitteln für die Montage von Kühlplatten viele Möglichkeiten und Flexibilität, um Folgendes zu beherrschen:
- Wärmewiderstand ,
- Wärmefluß,
- Druckabfall,
- Weg der Flüssigkeit,
- Größe,
- Form,
- Härte des Materials ,
- Geometrie der Oberfläche und die Möglichkeit, Komponenten auf beiden Seiten der Platte zu montieren.
Der Kühlkanal entsteht durch das Einarbeiten von Leitblechen und Lamellen in die Platte oder durch das direkte Einbringen von gewellten Hochleistungs-Aluminiumlamellen. Obwohl die Verwendung dieser Art von Kühlplatten eine hohe Flexibilität bietet, ist es auch hier ein sehr teures Verfahren.
Die Nachteile von Flüssigkeitskühlplatten durch Löten :
- Lötgeräte sind sehr teuer (mit Vakuumgeräten, die mehr als 1 Mio. € kosten).
- Hohe jährliche Kosten für die Wartung der Ausrüstung.
- Nach dem Löten ist eine Wärmebehandlung der Teile erforderlich, um den Teilen wieder akzeptable mechanische Eigenschaften zu verleihen.
- Sehr lange Lötzyklen (ca. 8 Stunden)
- Die Unmöglichkeit, sehr große Kühlplatten zu löten, aufgrund der Größe der Lötöfen.
Flüssigkeitskühlplatten durch Rührreibschweißen (FSW)
Der Zusammenbau von Flüssigkeitskühlplatten durch FSW (Rührreibschweißen) ist eine zweiteilige Konstruktion.
Der Strömungsweg für die Flüssigkeit wird in das Gehäuse der Kühlplatte eingearbeitet. Dieser Kühlkanal kann komplex sein und sogar Rippen einarbeiten, um die Wärmeübertragungsfläche zu verbessern.
Die Abdeckung wird dann auf den Kanal über dem Fließbereich gesetzt und mit FSW verschweißt.
Was sind die Vorteile von FSW-geschweißten Flüssigkeitskühlplatten?
Der größte Vorteil der Verwendung von FSW für die Montage von Kühlplatten für die Leistungselektronik sind die Kosten:
- All-in-One-Tool: Hybrid-Schweiß- und Bearbeitungsausrüstung
- Schneller Herstellungsprozess für große Platten (ca. 10 min pro Platte) oder kleine Platten (ca. 1 min)
- Geringer Energieverbrauch (ähnlich wie bei einem Bearbeitungsvorgang)
- Schnelle Ausbildung: 1 Tag, um einen CNC-Bediener zu einem FSW-Bediener auszubilden
Der FSW hat im Vergleich zu den zuvor genannten alternativen Methoden viele unbestreitbare technische Vorteile:
- Druckfestigkeit von 300 bar (bei 10 bar für Flüssigkeitskühlplatte durch Verschrauben).
- Möglichkeit alle Aluminiumlegierungen sowie hochfestes Aluminium und Gussaluminium zu schweißen.
- Schweißbarkeit aller Kupferlegierungen.
- Möglichkeit, Aluminium mit Kupfer zu schweißen.
- Freie Wahl der Kühlgeometrie, um bestimmte Bereiche einer Anwendung zu kühlen (im Gegensatz zum Bohren, bei dem die Kanäle gerade Linien sind).
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