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Lamellen für die effektive Kühlung

Abbildung 1: Im Uhrzeigersinn von oben rechts nach oben links: Lamellen mit Luftschlitzen, versetzt angeschnittene Lamellen, wellenförmige Lamellen und gerade Lamellen.

In dem Maße, wie die Hochleistungselektronik nach immer höheren Leistungsdichten verlangt, stehen Komponentenentwickler vor immer größeren Herausforderungen und müssen bei ihrer Wahl der geeigneten Kühltechnologien immer mehr Kompromisse eingehen. Eine Möglichkeit, diesen Herausforderungen zu begegnen, ist durch die Entwicklung der Lamellengeometrie und -dichte bei Wärmeübertragungsgeräten, beispielsweise bei Wärmetauschern und Kühlplatten.

In diesem Artikel wird erläutert, wie sich die Lamellengeometrie und -dichte auf die Leistung von Wärmetauschern und Kühlplatten auswirken. Zunächst werden kurz einige Grundlagen zur Wärmeübertragungstheorie erläutert. Anschließend werden verschiedene Arten von Lamellengeometrien und ihre jeweilige Bedeutung für die Verbesserung der Leistung verglichen, wobei der Schwerpunkt auf die Minimierung des Wärmewiderstands als eine Möglichkeit der Leistungsmaximierung gelegt wird.

Wärmeübertragung

Die grundlegende Gleichung, die die gesamte Wärmeübertragung in einem Prozess beschreibt, lautet:

Q = U × A x LMTD  (1)

Wobei:

Q = die Menge der übertragenen Wärme in BTU/h (W)
U = der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient in BTU/h-ft2-°F (W/m2-°C)
A = die Wärmeübertragungsfläche in ft2 (m2)
LMTD = die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz (LMTD-Wert) zwischen zwei einströmenden Flüssigkeiten in einem Wärmetauscher oder bei Kühlplatten zwischen der lokalen Oberfläche und der Flüssigkeit, die unter ihr fließt, wobei von einer gleichmäßig verteilten Wärmebelastung °F (°C) ausgegangen wird.

Durch die Erhöhung von U, A oder LMTD erhöht sich die Wärmeübertragung.

Bei den meisten Wärmetauscher- und Kühlplattenanwendungen besteht der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient hauptsächlich aus einer Kombination aus Leitungs- und Konvektionsgrößen, wobei die Leitungsgröße tendenziell wesentlich kleiner ist als die Konvektionsgröße(n).  Dies ist wichtig, weil Komponentenentwickler normalerweise nur wenig Einfluss auf die Baumaterialien haben, die sich wiederum auf die Leitung und das zu verwendende Kühlmittel auswirken. Allerdings haben sie beträchtlichen Einfluss auf die Lamellengeometrie und -dichte, die sich auf die Konvektion auswirken. 

Lamellengeometrie und -dichte

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Wärmeübertragung durch Lamellen zu verbessern. Eine Möglichkeit ist die Erzeugung einer turbulenten Strömung durch die Lamellengeometrie: Der Wärmewiderstand wird durch den nahezu unbewegten Belag gesenkt (die Umkehrung des Wärmeübertragungskoeffizienten), der sich bildet, wenn eine Flüssigkeit parallel zu einer festen Oberfläche strömt. Eine andere Möglichkeit ist die Erhöhung der Lamellendichte. Hierdurch wird die Wärmeübertragungsfläche vergrößert, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommt.

Lamellengeometrien und -dichten, die turbulente Strömungen erzeugen und die Leistung verbessern, erhöhen außerdem den Druckverlust, was eine äußerst wichtige Voraussetzung bei den meisten Hochleistungsanwendungen ist. Die optimale Kombination aus Lamellengeometrie und Lamellendichte besteht, wenn ein ideales Verhältnis aus Leistung, Druckverlust, Gewicht und Größe gefunden wird. Ein Vergleich der Bewertungskriterien anhand der Leistung, des Druckverlusts, des Gewichts und der Größe von üblichen Lamellentypen wird in „Konstruktion eines luftgekühlten Kompaktwärmetauschers für die Elektronikkühlung" beschrieben.

Abgesehen von der Lamellengeometrie können auch Parameter wie Dicke, Höhe, Einstellwinkel und Abstand verändert werden, um die Leistung zu verbessern. Normalerweise variiert die Lamellendicke von 0,1 mm (0,004 Zoll) bis 0,3 mm (0,012 Zoll); die Höhe variiert von 0,89 mm (0,035 Zoll) bis 15,24 mm (0,6 Zoll), und die Dichte variiert von 8 bis 30 Lamellen je Zoll (3 bis 12 Lamellen je cm).

Bei den meisten Hochleistungsanwendungen werden die Lamellen aus Kupfer oder Aluminium gefertigt. Aluminiumlamellen werden aufgrund ihres geringeren Gewichts bevorzugt in der Flüssigkeitskühlung von Flugzeugelektronik eingesetzt. Kupferlamellen werden hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf die Kompatibilität mit anderen Materialien im geschlossenen Kühlsystem ankommt und das Gewicht keine wesentliche Rolle spielt. 

Bei Wärmeübertragungsanwendungen werden zahlreiche unterschiedliche Lamellengeometrien angewandt. Einige der häufigsten sind Lamellen mit Luftschlitzen, versetzt angeschnittene Lamellen, gerade und wellenförmige Lamellen. (Siehe Abbildung 1.)

Leistungsmaximierung durch Minimierung des Wärmewiderstands

Die Aufgabe der Leistungsoptimierung durch Minimierung des Wärmewiderstands lässt sich am besten an einem theoretischen Beispiel veranschaulichen. Stellen Sie sich einen Wärmeübertragungsprozess vor, bei dem ein Gemisch aus 50% Ethylenglykol und 50% Wasser (EGW) durch Umgebungsluft in einem Lamellenwärmetauscher gekühlt wird. Abbildung 2 zeigt den Wärmeströmungsweg durch den Wärmetauscher anhand einer elektrischen Analogie.

Abbildung 2: Elektrische Analogie des Wärmestromdiagramms
Abbildung 2: Elektrische Analogie des Wärmestromdiagramms

In diesem Beispiel strömt die Wärme durch Konvektion zwischen den Temperaturen TH und T1, dann durch Leitung zwischen den Temperaturen T1 und T2, und schließlich durch Konvektion zwischen T2 und TC. Der Gesamtwärmewiderstand ist dann gleich der Summe der drei hintereinandergeschalteten Wärmewiderstände.

Zum Vergleich: Durch eine Kühlplatte fließt normalerweise nur ein Kühlmittel. Folglich strömt die Wärme durch Leitung von dem auf die Kühlplatte montierten Wärme ableitenden elektronischen Gerät durch das Wärmeleitmaterial und die Kühlplattenmaterialien. Anschließend strömt die Wärme durch Konvektion von der Innenfläche des Materials der Flüssigkeitspassage zum Kühlmittel.

Wie im obigen Beispiel deutlich wird, müssen wir den Wärmewiderstand minimieren, wenn wir die Wärmeübertragung maximieren wollen. Hierzu müssen wir die entsprechenden Wärmeübertragungsflächen erhöhen oder die Belagskoeffizienten oder beides. Theoretisch gesehen ist die Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche relativ einfach. Allerdings bestehen gelegentlich Beschränkungen durch bestimmte Voraussetzungen der Anwendung wie Größe, Gewicht und Druckverlust. Eine effektive Möglichkeit, die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern, besteht in der Erhöhung der Lamellendichte (Lamellen je Längeneinheit). Die Erhöhung des Belagskoeffizienten ist jedoch komplizierter, weil der Belagskoeffizient von den Eigenschaften der zu berücksichtigen Flüssigkeit, der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und der Lamellengeometrie abhängt.

Lösung des Problems

Angesichts anspruchsvoller und manchmal untereinander gegensätzlicher Anforderungen an eine Anwendungen (z. B. Leistung, Druckverlust, Gewicht und Größe) ist die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Anbieter, der etwas von der Optimierung der Lamellengeometrie und der Lamellendichte von Wärmetauschern und Kühlplatten versteht, wesentlich für die Leistungsmaximierung und für die Berücksichtigung der Anforderungen an die Anwendung.