Effizientes Wärmemanagement
Der zunehmende Vernetzungs- und Digitalisierungsgrad von Maschinen und Anlagen fordert beständig kleinere Endgeräte bei wachsender Rechner- aber auch Verlustleistung. Um eine zuverlässige Funktion und lange Lebensdauer zu sichern, sind ebenso kompakte wie effiziente Kühllösungen zur Abführung der Prozessorwärme gefragt.
CTX bietet viele Kühllösungen für eingebettete
Systeme und Industriecomputer. (Bild: CTX Thermal Solutions GmbH)
Embedded Systeme finden sich in der Industrie und in der Bahntechnik ebenso wie in Haushaltsgeräten. So sichern sie beispielsweise in Waschmaschinen den korrekten Ablauf der vorgegebenen Programme. Für die schnelle Abführung der Verlustleistung der Systeme sorgen spezielle CNC-gefertigte Kühlkörper für die aktive oder passive Kühlung. Dazu zählen Heatspreader-Lösungen mit integrierten Heatpipes ebenso wie Kühlkörper mit Kupfer-Inlay sowie auch kühlende Gehäuselösungen. Dabei werden die Kühlkörper in der Regel direkt am Hotspot montiert, also dort, wo die Wärmeentwicklung am größten ist. Starke Hitze, die die Leistungsfähigkeit des Systems schwächt, kann so gar nicht erst entstehen.
Kühlkörper mit Kupfer-Inlay zur direkten Installation am Hotspot, für die besonders schnelle Wärmeableitung. (Bild: CTX Thermal Solutions GmbH)
Heatpipes für stärkeres Kühlen
Für Embedded Systeme und Industrie-PC bieten sich unter anderem Kühllösungen mit integrierten Heatpipes an. Die flüssigkeitsdurchströmten Rohre steigern die Effizienz des Kühlkörpers deutlich, denn sie leiten die Wärme aus der heißen Bodenplatte in die kälteren Lamellen ab. Weitere Vorteile von Kühlkörpern mit Heatpipes sind neben der besseren Wärmeabfuhr auch die komplett lageunabhängige Montage dank der Kapillarwirkung der Lamellen, der geringere Wärmewiderstand als bei reinen Metallkühlkörpern sowie der überschaubare Platzbedarf der Kühllösung.
Die lüftergestützte Kühlung führt hohe Verlustleistungen schnell von den elektronischen Bauteilen ab. (Bild: CTX Thermal Solutions GmbH)
Kupfer-Inlays sorgen für weniger Hitze
„Kupfer ist nicht nur ein exzellenter Strom-, sondern auch ein hervorragender Wärmeleiter“, erklärt Wilfried Schmitz, Geschäftsführer von CTX Thermal Solutions. Das rote Metall besitzt mit 395W/(m•K) die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Metalle und kühlt damit noch besser als das typische Kühlkörpermaterial Aluminium. „Diese Eigenschaft machen wir uns in der Kühlkörpertechnologie insbesondere beim Design von Hochleistungskühlkörpern für die Kühlung von eingebetteten Systemen zunutze“, so Schmitz weiter. Da Kupfer allerdings mit einer Dichte von 8,92g/cm³ auch deutlich schwerer ist als Aluminium (2,71g/cm³), wird das Material in Kühlkörpern häufig mit Aluminium kombiniert. Beispiele hierfür sind Aluminiumkühlkörper mit einem Kupfer-Inlay zur direkten Installation am Hotspot oder Flüssigkeitskühlkörper aus einer Aluminiumplatte mit eingelegten Kupferrohren, durch die die Kühlflüssigkeit strömt. In diesem Fall sitzt das zu kühlende Bauteil direkt auf dem Kühlkörper und sorgt für eine schnelle Ableitung der Wärme.
Besser Metall als Plastikgehäuse
Elektronikkomponenten wie Netzteile oder Leiterplatten benötigen Gehäuse, die mehr können, als sie gegen Staub und Berührung zu schützen. Um die Funktion des Geräts nicht zu beeinträchtigen, müssen die Gehäuse auch in der Lage sein, die in Form von Wärme auftretende Verlustleistung abzuführen. Bei der effektiven Ableitung der Verlustleistung von Prozessoren oder Netzteilen eines Embedded Systems spielt das Material der Gehäuse eine große Rolle. Materialien wie Stahlblech, Aluminium, verzinktes Stahlblech und Edelstahl sind besonders wärmeleitfähig. Zudem gewährleisten sie in der Regel eine gute elektromagnetische Abschirmung, um sowohl die Elektronik vor elektrischen und/oder magnetischen Feldern zu schützen, als auch die Umgebung vor Abstrahlungen des Geräts zu sichern.
Lüfter und Gebläse für die aktive Kühlung von Embedded Systemen und IPC sowie Hochleistungskühlkörper mit Kupfer am Hotspot (Bild: CTX Thermal Solutions GmbH)
Probleme frühzeitig erkennen
Die Auswahl der geeigneten Kuhllösung erfolgt auf Basis von Kundendaten in Abstimmung mit dem Kühlkörperproduzenten und anhand einer softwarebasierten thermischen Simulation. Damit kann der Temperaturzustand eines elektronischen Bauteils im Voraus berechnet werden. Hierfür müssen thermodynamische Rahmenbedingungen mit einbezogen werden, wie beispielsweise das Design und die zu erwartende Verlustleistung des jeweiligen Bauelements mit Bestimmung des Hotspots, bzw. des Moduls oder Chips, an dem die Verlustleistung auftritt. Auch die Größe des vorhandenen Bauraums sowie die für einen sicheren Betrieb maximal zulässige Oberflächentemperatur des Bauteils fließen als Parameter in die Simulationsberechnungen mit ein. So lassen sich nicht nur Probleme bei der Produktentwicklung frühzeitig erkennen bzw. verhindern, sondern gegebenenfalls auch Kosten und Materialien beim Design des Kühlkörpers einsparen.
CTX bietet hunderte Kühlkörpermodelle für Leiterplattenbauteile (Bild: CTX Thermal Solutions GmbH)
Fazit
„Unser Ziel ist es, passgenaue Komponenten anzubieten, die den Bedürfnissen der jeweiligen Anwendung voll und ganz gerecht werden“, so Schmitz. Auf Wunsch werden auch in Blister verpackte Komplettlösungen aus dem jeweiligen projektspezifischen Kühlkörper und Isolierungen, Montagebolzen sowie Schrauben angeboten. „Denn nur mit einem maßgeschneiderten Kühlkonzept lässt sich eine lange Lebensdauer und eine optimale Funktion von Embedded Systemen und IPC dauerhaft gewährleisten“, so Schmitz abschließend.
