Design und Entwurf von Latentwärme-Kühlkörpern für Elektronikkomponenten durch Simulationen und Experimente

摘要

Die Entwicklung und Sicherstellung eines effektiven Thermomanagements im Bereich der Elektronikkühlung ist eines der schwierigsten Aufgaben auf diesem Gebiet. Für zeitlich begrenzte oder periodische Anwendungen hat sich die Latentwärmekühlung als vielversprechende Methode herausgestellt. Bei der Latentwärmekühlung wird ein Phasenwecheselmaterial (Paraffin, Salzhydrat etc.) eingesetzt und die Schmelzenthalpie zur Kühlung genutzt. Ein entscheidendes Problem dieser Phasenwechselmaterialien ist, dass die Wärmeleitfähigkeit sehr gering ist, weshalb diese durch den Einsatz von thermisch gut leitenden Materialien (Aluminium, Kupfer etc.) verbessert werden muss. In vielen von den oben genannten Einsatzbereichen tritt die Wärmelast nicht räumlich gleichmäßig verteilt auf, sondern es gibt sog. lokale „hot spots", also Bereiche, in denen eine erhöhte Wärmelast auftritt. In einem Forschungsprojekt an der Technischen Universität Hamburg wurde simulativ und experimentell untersucht, wann eine Anpassung eines Kühlkörpers an die Wärmelast sinnvoll ist und wie groß die Verbesserung der Kühlung der Elektronikkomponente in Folge einer Optimierung ist. Simulationen wurden in Comsol Multiphysics® und Matlab® durchgeführt. Experimente wurden in der Laboreinrichtung des Instituts mithilfe von LabView® und angepassten Elektronikkomponenten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit steigenden Wärmelastunterschieden eine Verbesserung bis zu 5,2% bei nahezu gleichbleibender Masse erreicht werden kann. Simulationen und Experimente zeigen ein sehr ähnliches Verhalten. Unterschiede zwischen beiden sind durch nicht simulierte physikalische Effekte zu erklären.