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Displays & HMI Große Auswahl für die Abkühlung

09.05.2016

Heutige Elektronikkomponenten bringen immer mehr Leistung und weisen immer höhere Packungsdichten auf. Das ist einerseits von Vorteil, birgt aber auch einen Nachteil: eine erhöhte Wärmeentwicklung, die das Ausfallrisiko elektronischer Geräte steigert. Ausgefeilte Kühlkonzepte, um thermische Überlastungen zu vermeiden, sind daher unabdingbar. Gut, dass es ein breites Spektrum an Lösungen gibt, um auf unterschiedlichste Kühlungsanforderungen zu reagieren.

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Die Art der einzusetzenden Kühlung wird in der Regel anhand zweier Kriterien gewählt: der maximal zulässigen Komponenten-Temperatur, die sich durch die Höhe der Verlustleistung definiert, und den Rahmenbedingungen am Aufstellort. Die Nutzung der natürlichen Konvektion ist die preiswerteste Methode, um die Wärme aus dem Schrank oder aus dem Gehäuse abzuführen. Sie lässt sich aber nur dann effektiv einsetzen, wenn die gesamte Energie so an die Außenluft abgegeben wird, dass die maximal zulässigen Komponenten-Temperaturen nicht überschritten werden. Bei geschlossenen Schränken oder Gehäusen geschieht das vorwiegend über die Seitenwände, die sowohl von innen als auch von außen eine freie Luftzirkulation gewährleisten müssen. Die Umgebungstemperaturen müssen deutlich unter der geforderten Gehäuseinnentemperatur liegen. Eine freie Konvektion als Entwärmungslösung stößt jedoch bei einer großen Wärmemenge an ihre Grenzen, denn die Menge der abgeführten Wärme (Energie) ist linear von der Gehäuseoberfläche und der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen abhängig (Q = α•A•(Tinnnen - TUmgebung)).

Abhilfe kann hier eine Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten α (neuerdings h für heat transfer coefficient) bringen, was allerdings einen Wechsel in den Bereich der forcierten Konvektionskühlung erfordert. Der Gewinn kann aber beträchtlich ausfallen, denn alleine die forcierte Luftführung auf der Innenseite des Schrankes kann eine Erhöhung der abgeführten Wärme von bis zu 50 Prozent und mehr bewirken.

Konvektionskühlung: mit Lüftern entwärmen

Die am weitesten verbreitete Lösung ist die forcierte Luftkühlung, die meist ausreichend ist. Lüfter oder Lüftereinschübe unterstützen hier die natürliche Konvektion oder ermöglichen diese, wenn der Luftwiderstand der eingebauten Komponenten für die natürliche Konvektion zu groß ist. Auch hier muss die Umgebungstemperatur deutlich unter der geforderten Innentemperatur liegen. Bei der forcierten Luftkühlung unterscheidet man zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze: Push-Kühlung oder Pull-Kühlung.

Bei der Push-Kühlung sitzen die Ventilatoren vor den zu kühlenden Komponenten und drücken (Push) die Luft an den heißen Bauteilen vorbei. Im Gegensatz dazu sind bei der Pull-Kühlung die Ventilatoren hinter den Komponenten angeordnet. Die Luft wird durch die Bauteile gesaugt (Pull). Eine Kombination aus beiden Kühlungsarten ist auch möglich.

Welche der beiden Lösungen zum Einsatz kommt, hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab. So muss zum Beispiel bei der Push-Lösung die Wärmeentwicklung der Ventilatoren zur Energiebilanz addiert werden. Bei der Pull-Lösung muss man die thermische Belastung und somit die Lebensdauer der Ventilatoren mitberücksichtigen. Für die optimale Auswahl geeigneter Lüfter spielen folgende Parameter eine
wesentliche Rolle:

  • Die Auslegung der Lüfter muss für einen maximalen Luftvolumenstrom, inklusive aller Redundanz-Szenarien und dem möglichen Aufstellungsort über Meeresspiegel, erfolgen. Bereits auf 1.000 m Höhe muss das Luftangebot um circa 18 Prozent erhöht werden.

  • Die maximale Stromaufnahme einzelner Ventilatoren ist der Leistungsverfügbarkeit des Systems anzupassen.

  • Die von den Ventilatoren ausgehende Wärmeentwicklung muss man in die gesamte Wärmebilanz miteinbeziehen.

  • Größe, Geometrie und Luftführung müssen an den zur Verfügung stehenden Platz angepasst werden. Hier fällt oft die Entscheidung, ob Axial- oder Radialventilatoren eingesetzt werden dürfen.

  • Die Lüfter müssen die geforderten Bedingungen bezüglich der verfügbaren elektrischen Spannung, der geforderten Alarmsignale und der Regelungsart erfüllen.

  • Die Lüfterwahl muss sich nach der maximal geforderten und/oder im Arbeitspunkt entstehenden zulässigen
    Geräuschemission richten. Dabei muss man neben den Herstellerangaben auch die durch die Luftführung und -verwirbelung tatsächlich entstandene sowie der empirisch ermittelte globale Geräuschpegel heranziehen.

Konduktionskühlung: ohne Lüfter entwärmen

Die konduktive Kühlung stellt eine Wärmeübertragung innerhalb des Gehäuses oder Baugruppenträgers dar, die nicht über Luft als Medium, sondern durch einen direkten Materialkontakt zwischen zwei Bauteilen erfolgt. Jeder Kontakt ist mit einem gewissen thermischen Widerstand behaftet, dessen Güte über die Wärmeübertragung der gesamten Konduktions-Kühlungskette entscheidet. Es gibt mehrere Möglichkeiten eine Konduktionskühlung zu realisieren.

Die Clamshell-Technologie von Pentair ist eine mögliche Lösung. Clamshells sind oben und unten mit Wedge-Loks/Card-Loks sowie einem Ein-/Aushebegriff ausgerüstet und ermöglichen durch die flächige Kontaktierung neben der absolut sicheren Fixierung der Leiterkarten im System eine sehr effektive Wärmeleitung. Sie umhüllen die in der Regel beidseitig bestückten Leiterkarten von zwei Seiten. Zwei Ausführungen sind üblich: mit flacher sowie mit kundenspezifisch gefräster Innenkontur. Die gefräste Innenkontur entspricht der Negativabbildung der Leiterplattenbestückung und soll möglichst viele Kontaktstellen zwischen der Innenseite des Clamshells und den Wärme erzeugenden Bauteilen ermöglichen. Für einen optimalen Wärmeübergang werden hier zusätzlich spezielle elastische, wärmeleitende Pads aufgebracht. Die Wärme wird so direkt zum Clamshell, über dessen Flansch und von dort zur Außenseite des Baugruppenträgers oder des Gehäuses geleitet. Die Herausforderung liegt nun im Übergang von Metall zur Luft. Hier gibt es verschiedene Konzepte, wie etwa eine durch den Einsatz von Lüftern erzeugte forcierte Luftkühlung über die glatte oder berippte Oberfläche. Speziell für Gehäuse mit sehr kleinem Formfaktor oder auch bei Embedded-Systemen, die aufgrund ihres Einsatzbereiches komplett geschlossen sein müssen, wird die Wärme an den Hotspots, in der Regel Prozessoren, ebenfalls durch Conduction Cooling abgeführt. Bisher kamen hier als Wärmeleitkörper vorwiegend feste
Metallquader mit aufgeklebten Wärmepads oder aufgetragener Wärmeleitpaste zum Einsatz, welche die Wärme an die Gehäuseoberfläche ableiten.

Flexibel kühlen

Pentair hat für diese Anwendungen so genannte FHCs (Flexible Heat Conductor) entwickelt. Sie sind aus Aluminium hergestellt, das einen sehr guten Wärmeleitwert aufweist, und sind in der Höhe flexibel. Dadurch können zum Beispiel unterschiedlich hohe Prozessoren durchgehend kontaktiert werden. Auftretende Höhentoleranzen spielen dabei keine Rolle mehr. Um die Wärmeleitkörper auf den Prozessoren zu befestigen, nutzt man entweder die bereits vorhandenen Befestigungspunkte auf der Leiterplatte oder man fixiert bei kleineren Prozessoren die Wärmeleitkörper mit dünnem, wärmeleitfähigem, doppelseitigem Klebeband auf dem Prozessor. Werden viele Baugruppenträger oder Gehäuse in einen Schrank eingebaut, kann es erforderlich sein, den hier notwendigen Luftfluss durch zusätzliche Maßnahmen zu unterstützen. Dies kann bis hin zur Kühlung eines gesamten, geschlossenen Schrankes führen. Hierfür kommen zunächst zusätzliche Rücktür- oder Dachventilatoren zum Einsatz. In bestimmten Anwendungsfällen können auch Druckgebläse für die ausreichende Kaltluftmenge im Frontbereich des Schrankes sorgen. Die so gekühlten Schränke werden dann oft an eine vorhandene Raumklimaanlage angeschlossen. Bei geschlossenen Schränken finden auch Luft-Luft-Wärmetauscher, Luft-Wasser-Wärmetauscher oder Kühlgeräte Verwendung. Entscheidend für die Wahl des geeigneten Kühlkonzepts ist auch immer der Aufstellort, die dort herrschenden Rahmenbedingungen und die Umgebungseinflüsse. Die einzelnen Entwärmungskomponenten müssen immer auf das gewünschte Gesamtergebnis und auf die anderen eingesetzten Entwärmungskomponenten abgestimmt werden. Das heißt, dass sich zum Beispiel bei einer erzwungenen Luftkühlung die eingesetzten Ventilatoren untereinander nicht störend beeinflussen dürfen.

Thermisch simulieren

Hilfreich ist die thermische Simulation der Wärmeentwicklung und des Wärmeflusses in einem Elektronikgehäuse oder -schrank durch den Einsatz einer geeigneten Software. Bei der Entwicklung seiner Gehäuse, Baugruppenträger und Schränke arbeitet Pentair mit zwei unterschiedlichen 3D-Softwarepaketen: 6Sigma und FloTherm. Als Dienstleistung können Kunden für ihre eigenen Geräteentwicklungen die Nutzung des Klimalabors samt einer begehbaren Klimakammer und Windkanal inklusive Wärmesimulation und das Know-how der Entwärmungsspezialisten nutzen. Das Prinzip der Simulationssoftware ist recht einfach: Der Benutzer setzt aus einem Satz von Bauteiltypen ein geometrisches 3D-Modell seines Systems zusammen. Diese Daten können auch von der Software aus einem CAD-System übernommen werden. Wird das Programm für die reine Gehäuseentwicklung genutzt, besteht der innere Aufbau aus einem durchschnittlichen Testaufbau mit standardisierten Komponenten (Leiterplatten, Netzgerät etc.), die den späteren Anwendungsfall am ehesten abbilden. Anschließend werden die physikalischen Parameter wie Materialkennwerte, Verlustleistungen der eingebauten Komponenten, Leistungen und Kennlinien der Lüfter und Umgebungsparameter festgelegt. Nun berechnet die Software auf einem für diese Zwecke generierten 3D-Berechnungsgitter und anhand der Konvektion, erzwungener Luftströmung, Strahlung und Wärmeleitung den jeweiligen Konfigurationszustand.

Als Ergebnis wird das berechnete Strömungsfeld hinsichtlich der Temperatur-, Druck- und Luftgeschwindigkeitsverläufe analysiert und grafisch dargestellt. Anschließend kann der Ingenieur geeignete Optimierungsmaßnahmen ableiten, beispielsweise den Einsatz anderer Lüfter, deren andere Anordnung im System, den gezielten Einbau von Lufteinlässen, die Integration von Luftleitblechen, andere Werkstoffe und Werkstoffdicken oder eine andere Anordnung der eingebauten Komponenten. Oftmals ist es nötig, mehrere Varianten durchzurechnen, bis man zu einem zufriedenstellenden Gehäuse oder Systemaufbau gekommen ist. Durch den Einsatz von Simulationstools wird das Kühlkonzept frühzeitig optimiert und erspart Entwicklungszeiten und Kosten.

Energieeffizienz beachten

Ein wesentlicher Punkt bei der Kühlungsauslegung von Elektronik ist eine frühe Weichenstellung hinsichtlich höherer Energieeffizienz. Es ist zwar wünschenswert möglichst wenig Verlustleistung zu erzeugen, doch die zwangsläufig entstehende sollte so effizient wie möglich abgeführt werden. Daher ist bei jeder Applikation zu prüfen, ob das gewählte Kühlkonzept und die gewählten Kühlkomponenten auch im Hinblick auf die Effizienz geeignet sind. Wichtig ist ebenso, die Luftführung hinsichtlich der Energieeffizienz zu optimieren, bis hin zur Wahl anderer Lüftungskonzepte. Außerdem sollte man in Betracht ziehen, ob man die Gesamt-Energiekosten der Kühlung durch den Einsatz von Wasserkühlung oder Kühlgeräten, anstelle vieler Lüfter, reduzieren kann.

Bildergalerie

  • Schroff-19-Zoll-Lüftereinschübe zur Unterstützung der natürlichen Konvektion

    Bild: Pentair Technical Solutions

  • Schroff-Interscale-C-Gehäuse mit integriertem Wärmeleitkörper
    (Flexible Heat Conductor) für Gehäuse mit sehr kleinem Formfaktor

    Bild: Pentair Technical Solutions

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