Kühlkonzept: einzigartig wirkungsvoll

Heutiges Knowhow der Stromversorgungsentwicklung ermöglicht Wirkungsgrade von bis zu 95 Prozent, eine deutliche Erhöhung gegenüber vor 10 Jahren. Zugleich wird die Kompaktheit erhöht, oftmals auch über die damals gängigen thermischen Beanspruchungen hinaus...

Die Entwicklung von Kühllösungen als Herausforderung
Die verbleibenden 5 % der aufgenommenen Eingangsleistung ist reine Verlustleistung, die wiederum in Wärme umgesetzt wird, welche aus der Elektronikbaugruppe abgeführt werden muss. Die Entwicklung von Kühllösungen ist deshalb neben Elektronikentwicklung die Herausforderung, um kompakte und effiziente Lösungen zu realisieren. Jedes Kühlkonzept ist dabei, wie jedes Netzteil von inpotron, kundenspezifisch und einzigartig. Der Kunde bestimmt die Einbaulage und die Einsatzbedingungen.
Schaltnetzteile werden im Verhältnis zu ihrer Größe zunehmend komplexer. Dadurch wird das relative Volumen innerhalb der Elektronik immer kleiner. Um dennoch gute und effektiv wirksame Entwärmungskonzepte zu erzielen, gilt es viele verschiedene Faktoren zu berücksichtigen.

Die Werkstoffauswahl ‑ Grundlage des Kühlkörpers
Der richtige Werkstoff ist maßgeblich für die Funktion des Kühlmediums. In der Regel fällt die Wahl auf Aluminium. Dieser Werkstoff ist kostengünstiger als beispielweises Kupfer, hat eine geringere Dichte und die Verfügbarkeit ist besser. Weiterer großer Vorteil von Aluminium ist die ausgezeichnete Verarbeitbarkeit.

Thermo-Isolierfolien – wenn die Oberfläche nicht plan ist
Elektrische Bauteile können aus Gründen der Isolation und zum Teil auch wegen der EMV-Beeinflussung meist nicht direkt auf den metallischen Kühlkörper geschraubt werden. Zudem sind Blechoberflächen sowie Bauteiloberflächen nicht absolut plan. Eine nicht plane Oberfläche wirkt äußerst ungünstig einem guten Wärmeübergang entgegen. Aus diesen beiden Gründen nutzt man sogenannte Thermo-Isolierfolien. Diese Folien sind elektrisch isolierend, teilweise selbsthaftend sowie kompressibel und garantieren bei einer definierten Verdrückung einen guten und berechenbaren Wärmeübergang.
Ein entscheidender Faktor des Wärmeübergangs von einem Bauteil auf den Kühlkörper ist die Anpresskraft mit welcher das Bauteil gegen die Kühlkörperfläche gedrückt wird. Diese Kraft sollte nach Möglichkeit über die Zeit immer konstant sein. Federnde Klammern sind hierzu die sinnvollen, kostengünstigen Komponenten. Klammern garantieren stets den gleichen Anpressdruck des Bauteils auf die Kühlkörperfläche, auch bei häufigen Temperaturwechseln.

Schraubbare, aufspreizbare oder steckbare Klammern
Das bei inpotron integrierte System dieser Befestigungslösung deckt den Großteil der Anforderung ab. Das System erlaubt eine schnelle Verfügbarkeit qualifizierter Technologien. Die Unterscheidung lässt sich mit zweierlei Grundtypen beschreiben:  schraubbare sowie aufspreizbare bzw. steckbare Befestigungsklammern. Schraubbare Klammern werden mittels Befestigungsschrauben oder Bolzen befestigt. Die Schraub- bzw. Nietverbindungen stellen gegenüber Klammerlösungen einen erhöhten Aufwand dar. Aufspreizbare Klammern werden lediglich aufgesteckt.

Einfache und schnelle Montage mittels Sonderwerkzeug
Diese einfache und sehr schnelle Montage wird mittels Sonderwerkzeug durchgeführt. Die Formgebung der Klammer garantiert das Verbleiben der Klammer in der richtigen Position. Eigene Klammerentwicklungen bieten für inpotron eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten, die bedarfsbezogen Verwendung finden. In Sonderfällen werden Bauteile auch direkt an den Kühlkörper befestigt. Mit Hilfe einer mechanisch integrierten Schraubensicherung wird die Haltbarkeit der Verbindung garantiert. Isolatoren garantieren die elektrische Sicherheit, wo immer dies benötigt wird.

Die Montagefreundlichkeit der Netzteilbaugruppe ist maßgeblich für eine effiziente und damit wirtschaftliche Produktion. Hier gilt weniger ist oft mehr. Die meisten Kühlkörper sind so konzipiert, dass sie ohne zusätzliche Montageelemente wie beispielsweise Schrauben montiert werden können. Erreicht wird dies mittels eingepresster Einlöthilfe, sodass der Kühlkörper direkt auf der Lötwelle mit der Leiterplatte verbunden wird. Vorteil aufgelöteter Kühlkörper ist außerdem, dass diese elektrisch mit der Elektronik, insbesondere ruhendem Potential verbunden sind. Abschirmeffekte zur EMV-Minimierung erfreuen zudem den Elektronikentwickler.

Vormontiere Kühlkörper optimieren die Produktion
In einer optimierten Produktion werden zur Montagefreundlichkeit Kühlkörper-Applikationen vormontiert. Das heißt, das Kühlmedium wird ggf. mit der Thermo-Isolierfolie beklebt, anschließend  werden die elektronischen Bauteile mittels der Befestigungslösungen angebracht. Diese Arbeit erfolgt an gesonderten Arbeitsplätzen. Vormontierte Kühlkörper-Baugruppen fließen anschließend in den Produktionsprozess ein. Eine besondere Herausforderung ist das Design der Kühlkörper mit dem Ziel den zur Verfügung stehenden Bauraum bestmöglich zu nutzen. Hierzu werden Kühlkörper optimal geformt und jede Lücke zwischen den elektrischen Bauteilen genutzt. Die thermische Konvektion gilt es dabei stets zu berücksichtigen, ebenso die elektrische Sicherheit. Die Einbaulage des Netzteils ist hier ebenfalls von wichtiger Bedeutung damit die erwärmte Luft bestmöglich von dem Kühlkörper abfließen kann. Somit wird ein Wärmestau vermieden.

Es finden zunehmend auch diskrete Lösungen Anwendung. Diskret heißt, man verwendet Montageplatten, Front- und Rückwände von Gehäusen, Gehäusedeckel und auch Kunststoffgehäuse um die Wärme abzuführen. Dabei werden die warmen elektrischen Bauteile entweder direkt an den Gehäuseteilen befestigt oder man verwendet zusätzliche Montagelemente wie Wärmeleitbleche. Diese werden mit dem Gehäuse verschraubt oder mit Hilfe einer geeigneten Konstruktion an eine Fläche des Gehäuses gedrückt. So erzielt man Kühllösungen ohne einen Kühlkörper im eigentlichen Sinne auf der Leiterplatte zu platzieren.

Die Entwicklung – von der Idee zur Serie
Am Anfang jeder Netzteilentwicklung steht die Anforderung des Kunden. Nach der Konzeptionierung der Elektronik werden die ersten Mechanikdaten mittels 3D-CAD Software erstellt. Hier fließen Berechnungen und Erfahrungswerte aus den internen design-rules ein. Nach Abschluss der Konstruktion werden bei Musterlieferanten zügig Versuchsmuster im CNC-Verfahren hergestellt. Mit diesen werden die ersten Prototypen gebaut und verifiziert. Dazu gehört die ausgiebige Klimamessung, welche die berechneten und simulierten Werte bestätigt. Nach Optimierungen kann je nach Komplexität des Netzteils die Beauftragung der Serienwerkzeuge für den Kühlkörper erfolgen.