Gehäuse- & Kühltechnik Erfrischung für Embedded-Systeme

Die Entwärmung von Embedded-Systemen spielt im industriellen Umfeld eine große Rolle.

Richtig. Die Entwärmung eines im industriellen Umfeld eingesetzten Embedded-Systems ist sehr wichtig, um die Funktionalität des Gerätes zu erhalten. Die Temperatur im Gehäuse hat einen direkten Einfluss auf die Fehlerrate und die Lebensdauer des gesamten Systems. Gerade für die Industrie, die häufig ihre Geräte im Dauerbetrieb (24/7) einsetzt, ist dies ein wichtiges Kriterium. Unter diesen Umständen ist es unabdingbar, dass man ein gut durchdachtes Kühlkonzept anbietet.

Die Erwartungshaltung der Consumer-Branche strahlt auch auf die Industrie aus. So besteht der Wunsch nach lüfterlosen Geräten mit geschlossenen Gehäusen, um auch hohe Schutzklassen erreichen zu können. Zusätzlich muss die Wärme so minimiert werden, dass der Anwender sie nicht merkt, wenn er mit dem Gerät in Berührung kommt. Dies ist besonders wichtig, da durch die Verbreitung der modernen Multitouch-Bedienung die Anwender wieder vermehrt mit dem Gerät und der eventuell heißen Oberfläche in Berührung kommen.

Der Wärmewiderstand ist wichtig bei der Auswahl eines passenden Kühlkörpers.

Richtig. Ein immer größer werdender Bedarf an Leistungsfähigkeit steht dem Wunsch nach immer kleiner konstruierten Geräten gegenüber – also einer deutlichen Reduzierung des Formfaktors. In diesem Zusammenhang gilt es, den Wärmewiderstand zu beherrschen. Für die Auswahl des richtigen Kühlkörpers ist der Wärmewiderstand neben der Gehäusebauform und dem zur Verfügung stehenden Raum der entscheidende Faktor. Wichtig ist es daher, vorab den benötigten Wärmewiderstand genau zu berechnen.

Es bestehen kaum technische Hürden bei der Integration von Kühlkonzepten.

Falsch. Großen Einfluss darauf, wie gut Wärme aus dem Gerät abgeleitet werden kann, hat die Form des Gehäuses. Geschlossene Gehäuse bieten zwar einen besseren Schutz vor Verunreinigungen und ermöglichen es, eine hohe Schutzklasse (IP69) zu erreichen. Auf der anderen Seite generieren sie aber keine gute Möglichkeit der Wärmeableitung. Stehende Luft durch mangelnde Konvektion ist das Risiko. Die Wärme kann prinzipiell nur über die Gehäusewand abgegeben werden. Eine gute Methode zur Wärmeabgabe sind daher Kühlkonzepte mit Kühlrippen. Diese müssen allerdings auch hinsichtlich Abstand, Länge und Dicke aufeinander abgestimmt sein. Grundsätzlich gilt: Die Oberfläche zur Wärmeabgabe vergrößert sich mit Zunahme der Kühlrippen.

Abhängig von der Umgebungssituation kann es bei großen Temperaturschwankungen zu Kondenswasser im Gehäuse kommen. Problematisch ist dies in Verbindung mit Staub, der durch die Rippen ins Gehäuse dringen kann. Ein erster Schritt zur Integration des passenden Kühlkonzeptes muss folglich eine genaue Analyse der Geräteanwendung, der Bauform und der strömungstechnischen Bedingungen sein.

Für die Konstruktion der Kühlkörper ist es ebenfalls wichtig, die Auswahl eines wärmeleitfähigen Materials zu treffen. Kupfer zeichnet sich durch eine hohe Leitfähigkeit aus, ist auf der anderen Seite ein nicht von der Hand zu weisender Kostenfaktor. Aluminium steht Kupfer in den Leitfähigkeiten kaum etwas nach und ist deutlich preiswerter.

Weitere Faktoren, die man hinsichtlich der technischen Machbarkeit prüfen muss, sind die baulichen Gegebenheiten, denn nicht selten sieht man sich mit einem Platzproblem konfrontiert. Zudem muss für eine optimale Ableitung eine gute Verbindung zwischen CPU und Kühlkörper gewährleistet sein. Üblicherweise werden hierzu entweder Thermopasten oder Thermopads verwendet. Probleme ergeben sich oft auch aus dem Geräteaufbau. Teilweise sitzt der Prozessor dicht hinter dem Display. Man muss aufpassen, dass die Wärme nicht über das Display, sondern über die Rückwand abgeleitet wird.

Es macht kaum einen Unterschied, ob eine passive oder eine aktive Kühlung verwendet wird.

Falsch. Sowohl die aktive als auch die passive Kühlung haben Vorteile, die man je nach Anwendung betrachten muss. Bei der Wahl eines geeigneten Kühlkörpers sollte der Entwickler bereits früh eine Entscheidung treffen, um Konstruktions- und Fertigungskosten zu sparen. Setzt man die aktive Kühlung ein, wird die Wärmeenergie mithilfe eines Lüfters abtransportiert. Die passive Kühlung arbeitet mit der freien Konvektion. Über Kühlrippen wird die Wärme an die umgebende Luft abgegeben. Aktive Kühlkörper arbeiten ungefähr sechsmal so effektiv wie ihr passives Pendant. Der Effektivität steht aber eine hohe Leistungsaufnahme als Nachteil gegenüber. Spielt der Geräuschpegel bei der Anwendung eine Rolle, so sind passive Kühlelemente zu bevorzugen. Passiv gekühlte Systeme sind zudem unempfindlicher gegenüber Störeinflüssen wie Vibrationen oder Erschütterungen.

Neben der Auswahl zwischen aktiver oder passiver Kühlung beeinflusst auch die Oberfläche des Körpers seine Leistung. Aluminiumprofile mit eloxierter Oberfläche kühlen deutlich besser als unbehandelte (bis zu 10 Prozent). Neben dem Eloxieren ist auch Chromatieren eine gängige Möglichkeit der Oberflächenveredelung. Diese Art der Veredelung verbessert vorrangig die EMV-Eigenschaften und schützt den Kühlkörper vor Korrosion.

Eine thermische Simulation ist bei aktiver und passiver Kühlung unproblematisch möglich.

Richtig und Falsch. Im Regelfall wissen Nutzer bereits aus Erfahrung, welche Art der Kühlung für ihren Anwendungsfall optimal ist. Wie genau der Kühlkörper konstruiert werden muss, ergibt sich allerdings meist erst durch eine thermische Simulation. Bei aktiver Kühlung ist die Simulation deutlich einfacher und sinnvoller, da sich der Luftstrom und seine Richtung besser definieren lassen. Bei passiver Kühlung gestaltet sich dieser Vorgang schwieriger. Hierbei muss man jedes Bauteil betrachten und hinsichtlich Wärmeaufnahme beziehungsweise -abgabe bestimmen. Abgesehen von der einfachen Machbarkeit bietet die thermische Simulation weitere Vorteile: Auf diese Weise lässt sich beispielsweise bestimmen, ob die gewählte Kühllösung auch ihren angestrebten Zweck erfüllt und wie groß die Lüfterleistung bei aktiver Kühlung sein muss. Thermische Probleme lassen sich so frühzeitig erkennen und beseitigen. Auch der Kostenfaktor spielt hierbei eine nicht unerhebliche Rolle. Ergibt sich durch die Simulation, dass eine passive Kühlung an Effizienz ausreicht, lassen sich sowohl Material- als auch Fertigungskosten einsparen.

Der Einsatz von Heat Pipes macht sich in jedem Fall bezahlt.

Falsch. Heat Pipes haben die Aufgabe, durch eine optimale Strukturkonstruktion eine Temperatur möglichst schnell aufzunehmen und an einen Platz zu transportieren, der eine Kühlung ermöglicht. Heat Pipes garantieren zwar einen sehr effizienten Wärmeabtransport, allerdings muss man die Gegebenheiten des Gesamtsystems sehr genau betrachten.
Kriterien, die unbedingt vor der Konstruktion herangezogen werden sollten, sind die Einbaulage, die Entfernung des Wärmetransports und die mechanischen Belastungen der Geräte. Die Leistung hängt stark von den Einbaubedingungen ab. Eine spezielle Konstruktion ist notwendig. Zudem ersetzt die Heat Pipe keinen Kühlkörper. Da insbesondere die Entfernung des Wärmetransports bei Embedded-Systemen keine große Rolle spielt und Heat Pipes einen hohen Kostenfaktor darstellen, sind sie nicht die erste Wahl bei der Erstellung von Kühlkonzepten.