Elektronikkühlung mit Lüftern

Welche Phänomene die Luftströmung beeinflussen

01.04.2010 | Autor / Redakteur: Johannes Adam* / Kristin Rinortner

Bild 1: Das „By-pass“ Phänomen am Kühlkörper und der Lüfterkurzschluss. Die Prozessorwärme wird über zwei Heatpipes in den Kühlkörper geführt.

Lüfter kühlen Elektronik nur indirekt. Gerade die Luftströmung zeigt verschiedene Phänomene, die zu Fallstricken beim thermischen Design werden können. Der Beitrag erklärt typische Effekte wie Bypass und Lüfterkurzschluss und zeigt anhand von CFD-Simulationen an einem 19“-Einschub, wie man die Kühlwirkung erhöhen kann.

Eines der wichtigsten elektromechanischen Bauelemente in der Elektronikkühlung ist der Lüfter. Ein Lüfter kühlt nur indirekt, da die Luft nicht kälter aus dem Lüfter strömt, sondern weil die Wärmeabfuhr von einer warmen Oberfläche, wie die einer Leiterplatte oder eines Kühlkörpers, durch die schnelle Luftbewegung erhöht wird.

Um welchen Betrag sich die Temperatur reduziert, hängt aber noch von anderen Faktoren ab: Zum einen davon, wie gut der Luftstrom die heißen Stellen erreicht, und zum anderen wie gut die Wärme an die kühle Stelle nachgeliefert wird. Gerade die Luftströmung birgt einige interessante Phänomene.

Umströmung von porösen Hindernissen: der Bypass

Wenden wir uns den strömungsmechanischen Aspekten zu [1]. Die beiden typischen Phänomene, die bei einer Konstruktion mit Lüftern oft übersehen werden, sind der Bypass und der Lüfterkurzschluss. Die Umströmung („Bypass“) von porösen Hindernissen, z.B. Kühlkörpern, kann energetisch günstiger sein als die Durchströmung. Das Hindernis wird von der Luft als umso hinderlicher wahrgenommen, je schneller sie sich bewegt – weil der Luftwiderstand proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist – und je kompakter das Hindernis im Luftweg ist.

In einem solchen Fall muss die Luft möglichst formschlüssig durch Leitbleche oder Kanäle auf den Kühlkörper geführt werden. Eine formelmäßige Behandlung ist für bestimmte Geometrien, z.B. Rippenkühlkörper, näherungsweise möglich [2]. Sie zeigt, dass, wenn man die Zahl der Rippen erhöht, bis zu einem bestimmten Rippenabstand der Wärmewiderstand eines angeströmten Kühlkörpers abnimmt – weil die Kühlfläche zunimmt – aber ab einer kritischen Rippenzahl der Wärmewiderstand wieder zunimmt, weil die Rippen nicht mehr durchströmt werden: Die meiste Luft fließt ungenutzt um den Kühlkörper herum.

Gerne übersehen: der Lüfterkurzschluss

Ein ebenso gerne übersehener Effekt ist der Lüfterkurzschluss. Luft fließt immer von hohem Druck zu niedrigem Druck, insbesondere wenn – wie bei einem Lüfter – hoher und niedriger Druck räumlich eng beieinander liegen und der Druckausgleich durch enge Öffnungen oder dichte Bebauung behindert ist. Deshalb ist bei jeder Art von Lüftermontierung zwingend darauf zu achten, dass Saug- und Druckseite mechanisch getrennt sind, z.B. durch ein sogenanntes Lüfterschott. Ist dies nicht der Fall, kann der Lüfter die ausgeblasene Luft wieder ansaugen und ist wirkungslos. Es gibt auch subtile Kurzschlusswege, wenn etwa der Lüfter an einem großen Lochblech an der Gerätewand angebracht wird.

Thermosimulation mit strömungsmechanischen Methoden

Die beiden eben diskutierten Phänomene können durch Thermosimulation mit strömungsmechanischen Methoden (sogenannter Computational Fluid Dynamics oder abgekürzt CFD) im Vorfeld an einem virtuellen Modell erkannt werden. In Bild 1 ist das Berechnungsergebnis des Konzepts eines 19“-Geräts, bei dem diese beiden Regeln verletzt wurden, zu sehen. Man kann den Anteil des Luftstroms, der vom Lüfter nicht durch den Kühlkörper geht, auswerten und erhält eine Bypassquote von 30%.

Bild 2: Die Luftführung durch ein Lüfterblech, eine Haube und das Netzteil führt zu einer besseren Kühlung
Bild 2: Die Luftführung durch ein Lüfterblech, eine Haube und das Netzteil führt zu einer besseren Kühlung

In Bild 2 wurde das Modell um ein Lüfterblech, eine Haube zur Luftführung und das Netzteil erweitert. Der Lüfterkurzschluss wird dadurch eliminiert, die Durchströmung des Kühlkörpers verbessert und durch die besonders gewählte Form der Haube sogar eine Düse erzeugt, die den Rest der Leiterplatte ebenfalls besser mit Luft versorgt.

Ungerichtete und langsame Strömung in der Totwasserzone

Hinter der Lüfternabe befindet sich immer eine Totwasserzone, in der die Strömung ungerichtet und langsam ist. Im Einflussbereich der Nabe sollten sich keine zu kühlenden Bauteile befinden. Man kann diesen Effekt sehr leicht selbst experimentell beobachten, indem man einen Stofffaden in den abgehenden Luftstrom hält. Üblicherweise ist der Einflussbereich eine Halbkugel von der Größenordnung des Nabendurchmessers. Lüfter dürfen daher nicht zu nah an Kühlkörpern bzw. Bauteilen platziert werden. Deshalb werden Hochleistungskühlkörper für IGBTs meistens mit einer Druckkammer versehen, um einerseits den Luftstrom zu kanalisieren und andererseits das Totwasser hinter der Nabe auszugleichen und eine gleichförmige Vorströmung herbeizuführen.

Inhalt des Artikels:

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Kommentar abschicken

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 338127 / Wärmemanagement)

ELEKTRONKPRAXIS News - täglich ca. 14 Uhr

News und Fachwissen für die professionelle Elektronikentwicklung - incl. ausgewählte dpa-Select News

* Ich bin mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung und AGB einverstanden.
Spamschutz:
Bitte geben Sie das Ergebnis der Rechenaufgabe (Addition) ein.

E-Paper kostenlos lesen

ELEKTRONIKPRAXIS 10/2016

ELEKTRONIKPRAXIS 10/2016

Tausch von Ladespulen für das drahtlose Laden

Weitere Themen:

Röntgen erhöht Prozesssicherheit
Leistungsintegrität in PCB-Designs

zum ePaper

zum Heftarchiv

LED- und OLED-Lichttechnik I

LED- und OLED-Lichttechnik I

Weiße LEDs überzeugen bei der Farbkonsistenz

Weitere Themen:

Lötpunkt-Temperatur der LED messen
Das Altern der LED untersuchen
Wärmemanagement bei COB-LED

zum ePaper

zum Heftarchiv