Kühlplatten-Rechner

Flüssigkeits- & gasgekühlte Platten · v2 · 2D-Plattenmodell

1Platte

2Strömungsführung

3Kanalquerschnitt
4Kühlmittel
Durchfluss Druckerhöhung

Restlicher Kreislauf = Rohre, Fittings, Kühler und alles andere in Reihe mit der Platte. Sein Druckverlust steigt mit dem Durchfluss².

5Wärmeeintrag
6Wärmequellen

x, y = Mittelpunkt jedes Bauteils, gemessen von der linken oberen Plattenecke (oder auf dem Plattenlayout ziehen). Das TIM ist die Schicht zwischen Bauteil und Platte: Dicke, Wärmeleitfähigkeit k und Kontaktwiderstand beider Grenzflächen.

Max. Wärmeabfuhr
—

Plattenlayout

Querschnitt (Detail)

Plattenoberflächentemperatur (2D)

Mit der Maus über die Karte fahren, um die lokale Temperatur abzulesen. Kanalverläufe sind weiß dargestellt.

Ergebnisse

Aufteilung des Wärmewiderstands

1D-Modell, gleichmäßige Wärme: max. Oberfläche → Kühlmitteleintritt. Der größte Anteil zeigt, wo sich Verbesserungen lohnen.

Aufteilung des Druckverlusts

Anschlüsse, Verteiler und Umlenkungen sind Schätzwerte (feste Verlustbeiwerte).

Wärmeabfuhr über Durchfluss

Druckverlust über Durchfluss

Auslegung auf ein Ziel

Findet den kleinsten Durchfluss, die wenigsten Kanäle, die dünnste Platte oder das wärmste Kühlmittel, das Ihr thermisches Ziel noch erfüllt, optional mit Druckverlustgrenze. Verwendet das vollständige 2D-Modell.

Transiente Last

Wie sich die Temperaturen bei Überlast, Kaltstart oder gepulster Last zeitlich entwickeln. Die Wärmekapazität der Platte folgt aus Werkstoff und Volumen; die Wärmekapazität von Bauteilen (Modulbodenplatte, Batteriezellen) geben Sie bei den Wärmequellen ein. Lastfaktoren multiplizieren die aktuelle Wärmelast.

Parameterstudie

Variieren Sie eine Eingabe über einen Bereich und sehen Sie, wie Ergebnis und Druckverlust reagieren. Für die Geschwindigkeit wird ein gröberes 2D-Gitter verwendet.

Entwurfsvergleich

Speichern Sie bis zu vier Varianten und vergleichen Sie sie mit dem aktuellen Entwurf. Der beste Wert jeder Zeile ist hervorgehoben, vom aktuellen Entwurf abweichende Eingaben sind markiert.

Schritt-für-Schritt-Berechnung

Das 1D-Modell ausgeschrieben: jede Formel mit den Zahlen dieses Entwurfs eingesetzt, in SI-Einheiten. Zum Nachrechnen von Hand oder für die Lehre.

Methode, Annahmen & Grenzen

Abschätzung für die Konzeptauslegung: ein 2D-Wärmeleitmodell der Platte, gekoppelt mit 1D-Kanalhydraulik. Abweichungen von etwa ±15–30 % gegenüber CFD- oder Versuchsdaten sind zu erwarten; endgültige Auslegungen per Simulation oder Messung validieren.

  • Wärmeübergang. Laminar: Shah & London NuH1 und f·Re für das Seitenverhältnis des Kanals, mit einer Einlaufkorrektur nach Hausen je gerader Bahn. Turbulent: Gnielinski mit Kurzrohrkorrektur. Re 2300–4000 wird interpoliert. Umlenkungen starten die Grenzschicht neu; die Verstärkung durch Dean-Wirbel wird vernachlässigt (konservativ).
  • 2D-Plattenmodell. Die Plattenfläche ist ein Gitter aus bis zu etwa 6.000 Zellen mit Wärmeleitung in der Ebene durch die lokale Materialdicke. Zellen über Kanälen, Anschlussleitungen und Verteilern sind über die Wand zur beheizten Fläche und den rippenkorrigierten Konvektionsfilm an das Kühlmittel gekoppelt. Das Kühlmittel wird entlang jedes Kanalpfads verfolgt, bis Platte und Kühlmittel übereinstimmen. Daraus ergeben sich die Karte, die Spitzentemperatur und die Bauteiltemperaturen.
  • Bauteile. Gehäuse = Platte unter der Grundfläche + P·(t/k + Kontaktwiderstand)/A des TIM. Sperrschicht = Gehäuse + P·Rjc. Die Spreizung durch die Plattendicke unter kleinen Quellen wird nicht modelliert; sehr kleine, intensive Quellen werden daher leicht optimistisch berechnet.
  • Druckverlust. Scheinbare Reibung nach Shah (laminar, Einlauf) und Haaland (turbulent); Darby 3-K für 180°-Umlenkungen; feste Verlustbeiwerte für Kanalein-/-austritt (0,5 + 1,0) und Anschlüsse (je 1,5).
  • Durchflussverteilung. Parallele Anordnungen: Die Verteiler werden in Segmente mit Reibung und Impuls zerlegt (der Eintrittsverteiler gewinnt das 1,0-fache, der Austrittssammler verliert das 2,0-fache der Änderung des Geschwindigkeitsdrucks) und gegen das Δp(q) jedes Kanals abgeglichen. Die Kanaldurchflüsse bestimmen die Verteilerverluste und den Wärmeübergang jedes Kanals im 2D-Modell.
  • Pumpenkennlinie. Der Betriebsdurchfluss wird per Bisektion dort bestimmt, wo die Druckerhöhung der Pumpe gleich dem Druckverlust von Platte und restlichem Kreislauf ist (dieser steigt mit dem Durchfluss²).
  • Fluide. Stoffwerte bei mittlerer Fluidtemperatur. Glykoldaten nach Volumenanteil, näherungsweise (±5–10 %). Gase ideal und innerhalb der Platte inkompressibel, beim Eintrittsdruck.
  • Nicht modelliert. Strahlung und freie Konvektion, Zweiphasenströmung, Turbulatoren und Pin-Fins, Gaskompressibilität in der Platte.
  • Transiente Last: implizite Zeitintegration (Euler rückwärts) desselben 2D-Plattenmodells mit der Wärmekapazität der Platte und optional jedes Bauteils; das Kühlmittel wird quasistationär behandelt, da es die Platte in Sekundenbruchteilen durchströmt. Sperrschicht-Gehäuse- und TIM-Schicht haben keine Wärmekapazität; ihr Anteil an einer Laständerung tritt sofort auf (konservativ).

Kühlplatten-Rechner

Version 2 · von Eren Tozlu

Ein kostenloses Browser-Werkzeug zur Vorauslegung flüssigkeits- und gasgekühlter Kühlplatten für Leistungselektronik, Batterien und Brennstoffzellensysteme. Es koppelt ein 2D-Wärmeleitungsmodell der Platte mit 1D-Kanalhydraulik, Pumpenabgleich und Strömungsverteilung in Verteilern. Alle Berechnungen laufen in Ihrem Browser.

Entwickelt von Eren Tozlu. Weitere technische Werkzeuge und Projekte auf ehcrea.com.

Open Source unter der MIT-Lizenz; der Quellcode liegt auf GitHub.

Gefällt Ihnen der Rechner? Er ist für alle kostenlos, und ich erweitere ihn in meiner Freizeit. Wenn er Ihnen bei einem Projekt Zeit gespart oder beim Lernen geholfen hat, können Sie die Weiterentwicklung auf Patreon unterstützen. Jeder Beitrag, ob groß oder klein, hilft mir, neue technische Werkzeuge zu entwickeln. Vielen Dank!

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Die Ergebnisse sind ingenieurmäßige Abschätzungen. Endgültige Auslegungen per CFD oder Versuch validieren.

So geht’s

Arbeiten Sie die Eingaben links von oben nach unten durch; die Ergebnisse rechts werden sofort aktualisiert.

  1. Mit einem Beispiel beginnen. Wählen Sie in der Werkzeugleiste eine Anwendungsvorlage und passen Sie sie an. SI/Imperial und Sprache lassen sich jederzeit umschalten.
  2. Platte. Länge, Breite, Dicke und Werkstoff. Eine höhere Wärmeleitfähigkeit verteilt die Wärme besser zwischen den Kanälen.
  3. Strömungsführung. Mäander: ein langer Kanal (oder wenige Kreise), gleichmäßige Kühlung, aber höherer Druckverlust. Parallel Z/U: viele kurze Kanäle über Verteiler, geringer Druckverlust; prüfen Sie die Karte zur Strömungsverteilung.
  4. Kanalquerschnitt. Rund, quadratisch oder rechteckig. Kanaltiefe plus Wand der beheizten Seite müssen in die Plattendicke passen.
  5. Kühlmittel. Medium, Eintrittstemperatur und -druck sowie ein fester Durchfluss oder eine Pumpenkennlinie; mit Kennlinie wird der Betriebspunkt automatisch bestimmt.
  6. Wärmeeintrag. Gleichmäßig: Leistung eingeben für die Maximaltemperatur oder eine maximale Oberflächentemperatur für die Leistungsgrenze. Wärmequellen: Bauteile mit Leistung, Grundfläche, TIM und Rjc anlegen und im Plattenlayout verschieben.

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Typische Werte

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Die Ergebnisse sind ingenieurmäßige Abschätzungen für die Vorauslegung (etwa ±15–30 %). Endgültige Auslegungen per CFD oder Versuch validieren.