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Effiziente Kühlung für Embedded-Systeme mit Chip Cooler

| Autor / Redakteur: Robert Cap * / Johann Wiesböck

Kühlungsspezialist SEPA Europe hat einen kompakten Chip Cooler entwickelt und an einem Raspberry Pi 4 getestet. Im Vergleich zum Betrieb mit Kühlkörper und ganz ohne Kühlung wurde eine Temperaturreduktion um 25 K bzw. fast 30 K gemessen.

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Raspberry Pi 4 mit Chip Cooler
Raspberry Pi 4 mit Chip Cooler
(Bild: SEPA Europe)

Kleiner, kompakter und immer leistungsfähiger – das sind seit Jahren die Trends bei der Entwicklung von Embedded-Systemen. Eine hohe Rechenleistung geht jedoch immer auch mit einer hohen Wärmeentwicklung einher. Wer die Funktionsfähigkeit und Langlebigkeit des gesamten Systems gewährleisten will, muss deshalb für eine effiziente Wärmeabfuhr sorgen.

Während bei der Kühlung von Schaltschränken oder Industrierechnern der Einsatz von Lüftern selbstverständlich ist und weitgehend Standardkomponenten eingesetzt werden können, ist die aktive Kühlung bei Kleingeräten meist viel komplexer. Denn hier müssen vielfältige konstruktive, technische und optische Anforderungen berücksichtigt werden. Außerdem stellt bei Kleingeräten meist nicht die Abfuhr der von allen Bauteilen erzeugten Wärme das Hauptproblem dar, sondern die Kühlung des Hotspots.

Laborstudie für aktive Kühlung am Beispiel Raspberry Pi 4

Um die Wärmesituation innerhalb eines eingebetteten elektronischen Systems präzise zu diagnostizieren, wurde im Rahmen einer Laborstudie bei SEPA Europe eine leistungsmäßig ausgelastete Single-Board-Computereinheit Raspberry Pi 4 mit aktiver, passiver sowie ohne Kühlung unter üblichen Arbeitsbedingungen getestet. Dabei zeigte sich bei der Simulation (siehe Diagramm) ohne Kühlung eine grenzwertige Temperatur von 80°C. Jedoch auch mit einer passiven Kühlung konnte keine wesentlich bessere Entwärmung erzielt werden. Die Differenz lag letztlich nur 4 K darunter.

Erfolgt dagegen eine aktive Kühlung der CPU, und damit der hitzeaktivsten Komponente im vorliegenden Fall, so kann die Temperatur um 26 K gesenkt werden. Die Simulation wurde mit der aktiven Kühlungseinheit HZ25B05 von SEPA Europe durchgeführt. Bei der Testreihe wurde am Prozessor eine Leistung von 5 W umgewandelt.

Für die Entwicklerpraxis ergibt sich aus der Studie eine wichtige Erkenntnis. Soll die Single Board Computereinheit bei Umgebungstemperaturen von mehr als 30°C eingesetzt werden und dabei die volle Rechenleistung verfügbar bleiben, kann auf die Verwendung einer aktiven Chip-Kühlung nicht verzichtet werden. Gerade in geschlossenen Gehäusen ist eine solche Temperatursituation häufig anzutreffen.

Effektives Wärmemanagement mit Miniatur-Kühlsystem

Speziell für Anwendungen im Embedded Computing, insbesondere für Single-Board-Computer, wurde von SEPA Europe der flache aktive Chip Cooler mit der Bezeichnung HZ25B05 entwickelt. Die Kombination aus Mikrolüfter und Kühlkörper weist Abmessungen von nur 25 mm x 25 mm x 6,5 mm auf. Durch die kompakte Konstruktion findet der Chip Cooler HZ25B05 auch bei geringer Bauhöhe seinen Platz und gestattet dennoch eine hochwirksame Entwärmung. Das Miniaturkühlsystem zeichnet sich außerdem durch eine äußerst geringe Lautstärke von lediglich 16 dB (A) aus.

Der Kühlkörper besteht aus Reinaluminium und weist in Anbetracht der Größe einen äußerst niedrigen Wärmewiderstand von nur 8,9 (K/W) auf. Zusätzlich ist der integrierte Mikrolüfter mit einem speziellen, langlebigen MagFix Gleitlager ausgerüstet, welches für Betriebstemperaturen bis zu 85°C ausgelegt ist. Der Lüfter im Chip Cooler erzeugt eine Strömungsgeschwindigkeit von erfreulichen 1,8 m/s und stellt somit die hohe Kühlungssicherheit des Gesamtsystems sicher.

Messprotokoll zum Temperatur-Zeitverlauf bei aktiver, passiver und ohne Kühlung
Messprotokoll zum Temperatur-Zeitverlauf bei aktiver, passiver und ohne Kühlung
(Bild: SEPA Europe)

Der Mikrolüfter ist außerordentlich energiesparend. Er nimmt bei einer Spannung von 5VDC nur 0,3 W auf. Der Lüfter ist mit einem Tachoausgang zur Überwachung der Funktion ausgestattet worden. Lüfter und Kühlkörper sind außerdem separat erhältlich.

Fazit: Die effiziente Entwärmung des Hotspots von Embedded-Anwendungen und Single-Board-Systemen ist eine komplexe Aufgabenstellung. Eine aktive Kühlung muss erfolgen, wenn Umgebungstemperaturen von mehr als 30°C entstehen und die volle Rechenleistung verfügbar bleiben soll. SEPA Europe hat mit dem Chipcooler HZ25B05 eine Einheit entwickelt, die eine Temperaturreduktion von nahezu 30 K gegenüber einer ungekühlten Situation ermöglicht.

Mit dem Chip Cooler HZ25B05 von SEPA EUROPE ist in der Praxis eine Temperaturreduktion von nahezu 30 K möglich.
Mit dem Chip Cooler HZ25B05 von SEPA EUROPE ist in der Praxis eine Temperaturreduktion von nahezu 30 K möglich.
(Bild: SEPA Europe)

Mit minimaler Abmessung, geringer Lautstärke, niedrigem Energieverbrauch und einer garantierten Betriebsleistung von 400.000 Stunden (MTBF) bei 40°C stellt der Chipcooler HZ25B05 eine zuverlässige Kernkomponente für ein stabiles, langlebiges Embedded-System dar.

Hintergrundinformationen zu SEPA Europe

Im Jahre 1990 von Heinrich Cap als Ingenieurbüro in St. Georgen gegründet, hat sich SEPA Europe in den letzten 30 Jahren als Spezialist für die innovative Elektronikkühlung etabliert. Das Produktprogramm umfasst Axiallüfter DC, Radiallüfter DC, Chipcooler, AC/EC Lüfter, Mikrolüfter und Kühlkörper sowie ein vielfältiges Zubehör- und Komponentenprogramm.

Kernkompetenz des Unternehmens ist jedoch seit je her die Entwicklung von kundenindividuellen Kühllösungen, wobei das Spektrum von der Konfektionierung über kundenspezifische Lüfter bis hin zur kompletten, anschlussfertigen Baugruppe reicht. Branchenschwerpunkte sind Embedded-Systeme, Automotive, Automatisierungs-, Medizin-, Luft- und Raumfahrttechnik und andere.

SEPA Europe war in den letzten Jahren mehrmals auf den Cooling Days in Würzburg vertreten. Weitere Infos zum Unternehmen und zum Angebot von SEPA Europe finden Sie unter www.sepa-europe.com.

* Robert Cap ist Geschäftsführer der SEPA Europe GmbH in Eschbach, südlich von Freiburg im Breisgau.

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