Mit dem stärker werdenden Trend zur Miniaturisierung wächst auch die Nachfrage nach kleineren und leistungsstärkeren Systemen. Die von einer CPU (Central Processing Unit) im typischen Betrieb erzeugte Wärmemenge wird als Thermal Design Power (TDP) bezeichnet. Aufgrund der immer leistungsstärkeren Prozessoren wird auch eine höhere TDP erreicht. Entsprechend bleibt das Thema Kühlung eines der wichtigsten Anliegen der Entwicklungsingenieure; ohne eine effiziente Kühlung können thermische Belastungen zu einer geringeren Zuverlässigkeit und einem erhöhten Ausfallrisiko führen. Um eine thermische Überlastung empfindlicher elektronischer Systeme zu verhindern und um einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, ist ein intelligentes Kühlkonzept erforderlich.
Zwei Arten der Kühlung: mit und ohne Lüfter
Bei der Auslegung von Systemen stehen den Entwicklern zwei Haupttypen zur Wahl: Konvektionskühlung (Luftkühlung) und Konduktionskühlung. Bei der aktiven Konvektionskühlung sorgen Lüfter dafür, dass die kalte Luft die Komponenten umströmt und warme Luft an die Umgebung abgegeben wird. Die Konduktionskühlung, mitunter auch als lüfterlose Kühlung bezeichnet, basiert auf der Erzeugung eines direkten Wärmepfads von der Wärmequelle zur äußeren Umgebung. Bei der Entscheidung für eine Lösung mit Konduktionskühlung müssen Entwicklungsingenieure Auswahlfaktoren wie die TDP des Systems, die geforderte Zuverlässigkeit, die Unterstützung einer laufenden Instandhaltung und den Aufwand für Entwicklung und Implementierung sorgfältig gegeneinander abwägen.
Die Leistung der konduktionsgekühlten Lösungen wie Flüssigkeitskühlung, Heatpipes und Metalle mit guter Wärmeleitung hängt von zahlreichen Faktoren ab; jedoch gilt für alle die Anforderung einer Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Kühlkörper. Je größer der Kühlkörper oder je besser die Kühlung, beispielsweise bei Installation in einer aktiv gekühlten Umgebung, desto effizienter ist die Konduktionskühlung und desto höher die zulässige TDP.
Unter den konduktionsgekühlten Ansätzen reagieren Heatpipes am schnellsten auf Temperaturänderungen und sind somit die effizienteste Lösung. Konduktionsgekühlte Systeme müssen sorgfältig ausgelegt werden. So kann die Leistung von Heatpipes durch Anpassen von Rohrdurchmesser, Rohrform und -ausrichtung optimiert werden. Die Leistung von Flüssigkeitskühlung lässt sich durch Anpassen von Menge und Fließgeschwindigkeit der im System zirkulierenden Flüssigkeit optimieren.
Die Leistung der Konduktionskühlung direkt über Metall, ist durch die Wärmeleitfähigkeit des gewählten Materials und den Widerstand an den Kontaktstellen begrenzt. Aluminium wird in der Regel wegen seines geringen Gewichts, seiner geringen Kosten und seiner spezifischen Wärmeleitfähigkeit eingesetzt.
Bei Verwendung der letztgenannten Konduktionskühlungsvariante muss den Kontaktflächen und dem Ausgleich von Toleranzen besonderes Augenmerk geschenkt werden. Ein nicht durchgängiger Kontakt zwischen den Komponenten kann zum Entstehen von Luftspalten führen, wodurch sich der Wärmewiderstand erhöht und die Kühleffizienz verringert. Um den Übergangswiderstand zu verringern, wird empfohlen, Wärmeleitpaste zwischen der Wärmequelle und dem wärmeleitenden Aluminiumblock zu verwenden und ein Wärmeleitpad zwischen dem Aluminiumblock und dem Kühlkörper anzubringen. Je größer die auszugleichende Toleranz, desto dicker oder weicher sollte das Wärmeleitpad sein. Zwar kann ein Wärmeleitpad den Oberflächenkontakt verbessern und Toleranzen über den gesamten Wärmepfad ausgleichen, jedoch weist es eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium auf und kann daher die Leistung der Konduktionskühlung begrenzen.
Umgebungseinflüsse beachten
Veränderungen der Umgebung, in der das System betrieben wird, sollten ebenfalls berücksichtigt werden. Kühlsysteme mit Heatpipes sind beispielsweise darauf ausgelegt, innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs optimal zu arbeiten – dem sogenannten Arbeitspunkt. Liegt die Temperatur nicht mehr innerhalb dieses Bereichs, kann es zu einer Beeinträchtigung der Systemleistung kommen.
Einer der Hauptnachteile der Flüssigkeitskühlung besteht darin, dass sie von der Funktionsfähigkeit beweglicher Teile abhängt; um die Flüssigkeit durch das System zirkulieren zu lassen, ist eine Pumpe oder eine Rückkühleinrichtung erforderlich. Beide können ausfallen. Fällt die Pumpe in einem System mit Flüssigkeitskühlung aus, kann sich das System schnell erwärmen. Darüber hinaus erfordern Systeme mit Flüssigkeitskühlung eine regelmäßige Wartung, um die Flüssigkeitsmenge und -qualität zu überwachen und ein Einfrieren, Korrosion oder Schimmelbildung zu verhindern. Je nachdem, wo diese Systeme verbaut sind, kann die Wartung schwierig und kostspielig sein.
Lösungen mit Heatpipes und Metallen mit guter Wärmeleitung basieren nicht auf elektronischen oder beweglichen Teilen; daher sind sie tendenziell sehr zuverlässig und erfordern nach der Installation nur einen geringen oder gar keinen Wartungsaufwand. Aus diesem Grund wird eine Kühlung über Heatpipes oder Metalle mit guter Wärmeleitung häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine hohe störungsfreie Zeit zwischen Ausfällen (Mean Time Between Failures, MTBF) erfordern oder in Systemen, die sich anwendungsbedingt oder aufgrund des Einbauorts schwierig warten lassen.
Auslegung und einfache Installation
Unter den vorgestellten Methoden der Konduktionskühlung erfordert die Flüssigkeitskühlung den größten Bauraum innerhalb des Gehäuses, da Ausgleichsbehälter, Pumpe und Kühlkörper untergebracht werden müssen. Während es unerheblich ist, an welcher Stelle Pumpe und Kühlkörper verbaut werden, sollte der Ausgleichsbehälter am höchsten Punkt im System installiert werden. Sobald die Installation abgeschlossen ist, sollte das System nicht gedreht werden. Die Schläuche sind flexibel und können nach Bedarf durch das System verlegt werden, damit es keine Störungen anderer Komponenten gibt. Der Abstand zwischen den heißen Komponenten und dem Kühlkörper ist ebenfalls von geringer Bedeutung.
Lösungen, die auf Heatpipes und Metallen mit guter Wärmeleitung basieren, sind hinsichtlich der Auslegung weniger flexibel. Nach Abschluss der Installation lassen sich Heatpipes nicht mehr bewegen, und wenn die Abdeckung des Gehäuses abnehmbar sein soll, müssen die Kühlkörper an den Seiten des Gehäuses untergebracht werden.
Bei der Konduktionskühlung mit einem Aluminiumblock lässt sich die Leistung durch Minimierung des Wärmepfads maximieren; der Aluminiumblock und die Kühlkörper sollten daher direkt oberhalb oder unterhalb der heißen Komponenten angeordnet werden. Besonderes Augenmerk muss den Toleranzen geschenkt werden; die Toleranzen für die Höhe des Prozessors, den Sockel, die Leiterplattendicke, die Länge der Bolzen und für das Gehäuse können sich summieren und zur Entstehung von Luftspalten zwischen Metallblock und Kühlkörper führen. Der Aufbau von Lösungen mit Kühlung durch gut wärmeleitende Metalle ist jedoch relativ einfach und kann leicht simuliert werden, was sich in einer kürzeren Entwicklungszeit und dem Bau von weniger Prototypen niederschlägt.
Die Flüssigkeitskühlung wiederum hat den Vorteil, einfach an verschiedene Systeme oder bei späten konstruktiven Änderungen angepasst werden zu können, da sich die Leitungen leicht neu verlegen lassen und die Pumpe an höhere Durchflussmengen angepasst werden kann. Das Kühlsystem lässt sich bei Systemen mit Heatpipes oder Metallen mit guter Wärmeleitung nach der Installation nicht mehr ohne erhebliche Kosten ändern; daher ist die Flexibilität dieser Systeme begrenzt.
Kühlsysteme mit einem Block aus einem Metall mit guter Wärmeleitung sind aufgrund der minimalen Anzahl an Komponenten und des direkten Wärmepfads am einfachsten zu installieren. Bei den Systemen mit Flüssigkeitskühlung und Heatpipes ist mehr Hardware erforderlich, die Installation ist insgesamt aufwändiger und damit auch mit höheren Kosten verbunden.
Ausgeklügelte Konduktionskühlung
Eine aktuelle Innovation im Bereich Konduktionskühlung ist der flexible Wärmeleitkörper (Flexible Heat Conductor, FHC) von Pentair, einem Anbieter für Kühllösungen. Der innovative Aufbau des FHC bietet alle Vorteile herkömmlicher Lösungen mit einem Block aus Metall mit guter Wärmeleitung einschließlich hervorragender Zuverlässigkeit, minimalem Wartungsaufwand, einfacher Entwicklung, leisem und vibrationsfreiem Betrieb und einfacher Installation und weist zudem eine sehr gute thermische Leistung auf. Der FHC macht sich die Wärmeleitfähigkeit eines Aluminiumblocks zunutze, verfügt aber zusätzlich über integrierte Federn, sodass ein vertikales Ausdehnen und Zusammendrücken des Blocks möglich ist. Diese vertikale Ausdehnung gleicht mechanische Toleranzen entlang des Wärmepfads aus. Somit ist kein Wärmeleitpad erforderlich, und die thermische Leistung wird optimiert.
Es gibt mehrere Methoden, intelligente Kühlkonzepte umzusetzen – den Benutzern stehen zahlreiche Möglichkeiten zum Schutz ihres Equipments zur Verfügung. Die Berücksichtigung der Herausforderungen und Grenzen der jeweiligen Kühlmethode wird jedoch in jedem Fall das effektivere, robustere und zuverlässigere System hervorbringen.
