Möglichkeiten zur Entwärmung von Embedded-Systemen

| Autor / Redakteur: Fatih Sahin * / Kristin Rinortner

Entwärmung von Embedded Systemen: Übersicht von Wärmeableitgehäusen aus Aluminium.
Entwärmung von Embedded Systemen: Übersicht von Wärmeableitgehäusen aus Aluminium. (Bild: © Fischer Elektronik GmbH & Co. KG, www.fischerelektronik.de)

Das richtige thermische Management entscheidet über die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Embedded-Systemen und Industriecomputern. Überlegungen zur Gehäusetechnik.

Der Einsatz von Embedded-Systemen und Industriecomputern (IPC) ist in den letzten Jahren stark gestiegen und dieser Trend wird durch Anwendungen im Umfeld von Industrie 4.0 weiter verstärkt. Der Einsatzbereich dieser Computer erstreckt sich von der Robotik, Industrieautomation, Visualisierung bis hin zur Medizintechnik.

Dabei kommt es auf die Zuverlässigkeit und Lebensdauer dieser Systeme an, die sehr vom thermischen Management abhängt. Hierfür bieten sich spezielle Gehäuse an, die dabei helfen, die Wärme abzuleiten und die Elektronik vor Überhitzung zu schützen.

Bei einer Erhöhung der Bauteiltemperatur um 10 K reduziert sich die Lebensdauer der Elektronik um die Hälfte. Um diesen Temperaturanstieg und damit verbundene Systemausfälle zu vermeiden, ist es wichtig, das System von Anfang an thermisch richtig auszulegen. Für den Systementwickler bedeutet das nicht nur eine gute Auslegung seiner Hardware, sondern auch eine genaue Analyse des zukünftigen Einsatzorts. Denn der Einsatzort bestimmt nicht nur die Gehäuseschutzklasse, sondern auch die Art der Kühlung, die wiederum eine große Rolle bei der Auswahl des Gehäuses spielt.

Was sich hinter dem IP Schutz verbirgt

Die Schutzklasse eines Gehäuses wird mit einem IP-Code angegeben, der aus zwei Ziffern besteht. Die erste Ziffer bezeichnet den Grad für den Berührungs- und Fremdkörperschutz und die zweite Ziffer den Wasserschutz. Dieser, in der DIN EN 60529 geregelter Code gibt an, welchen Gefahren ein Gehäuse ausgesetzt werden kann, ohne, dass dabei eine Gefahr für den Inhalt ausgeht.

Ein hoher IP-Schutz bedeutet eine höhere Dichtigkeit für das Gehäuse. Der hohe Schutzgrad hat zwar den Vorteil, dass die Elektronik unter erschwerten Bedingungen, wie in Staub- und Spritzwasser-Umgebungen, betrieben werden kann. Nachteilig ist, dass die Elektronik hermetisch abgekapselt ist und somit keine bedeutende Entwärmung über die Luft im Inneren des Gehäuses erfolgen kann. Ein niedriger Schutzgrad dagegen erlaubt eine Luftzirkulation, bringt aber auch die Gefahr mit sich, dass Fremdkörper oder Wasser ins Gehäuse gelangen können.

Der Widerstand bestimmt aktive oder passive Kühlung

Ob grundlegend für das Entwärmungskonzept eine aktive oder passive Kühlung in Frage kommt, kann im Vorfeld durch eine überschlägige Berechnung des thermischen Widerstandes ermittelt werden. Dieser setzt sich aus der Temperaturdifferenz zwischen der maximalen Bauteil- und der Umgebungstemperatur sowie der abzuführenden Verlustleistung zusammen. Der Wärmewiderstand, auch Rth-Wert genannt, wird in K/W angegeben und gibt Aufschluss darüber, welche Temperaturdifferenz (in K) nötig ist, um eine Leistung von 1 W abzuführen.

Gehäusehersteller geben oft in Form von Diagrammen (Bild 1) an, welchen Wärmewiderstand deren Produkte besitzen. Anhand des errechneten Wärmewiderstandes kann das passende Gehäuse im Vorfeld ausgewählt werden.

Bild 1: Wärmediagramm eines Wärmeableitgehäuses.
Bild 1: Wärmediagramm eines Wärmeableitgehäuses. (Bild: Fischer Elektronik)

Entwärmung durch aktive Kühlung

Bei der aktiven Kühlung, auch bekannt als eine erzwungene Konvektion, wird mittels Luft oder einer Kühlflüssigkeit ein Wärmeabtransport erzwungen. Das heißt, dass Axial- oder Radiallüfter die Luftzirkulation im Gehäuse verstärken und so eine größere Menge Wärme abtransportiert wird. Bei einer Wasserkühlung zirkuliert das Kühlmittel mithilfe einer Pumpe. Als Kühlmittel kommt häufig destilliertes Wasser mit Korrosionsinhibitoren zum Einsatz.

Aktive Kühlsysteme transportieren größere Wärmengen ab als bei natürlicher Konvektion und vermeiden Hotspots. Nachteilig ist die zusätzliche Überwachung der aktiven Komponenten wie Lüfter oder Pumpen. Die Wartung von aktiv gekühlten Systemen, beispielsweise der Tausch von Filterelementen oder Lüftern, bringt, im ungünstigen Fall, einen Systemstillstand mit sich.

Entwärmung durch passive Kühlung

Bei einer passiven Kühlung wird die vom Kühlkörper aufgenommene Wärme über die natürliche Konvektion an die Umgebung abgegeben. Ein passiv gekühltes System besteht meist aus einem Gehäuse und einem integrierten Kühlkörper, der über Kühlrippen die aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebung abgibt. Der Einsatz dieser Systemen ist gut abzuwägen, da die abzuführende Wärmemenge verhältnismäßig gering ist.

Drei Möglichkeiten den Wärmeübergang zu verbessern

Sowohl bei aktiven als auch bei passiv gekühlten Systemen kommt es auf die gute Wärmeübertragung zum Kühlkörper an. Das bedeutet, dass die Wärme am Erzeugungspunkt möglichst verlustfrei abgegriffen und über den direkten Weg mit dem geringsten Wärmewiderstand an die Umgebung abgeführt wird. Hierfür stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung.

Direkte Anbindung zum Kühlkörper: Hierbei wird z.B. der Prozessor direkt mit dem Kühlkörper verbunden. Die Wärme wird direkt auf den Kühlkörper geleitet und gelangt durch die natürliche Konvektion an die Umgebung. Bei dieser Variante besteht die Gefahr, dass bei einer zu kleinen Wärmeeintragsfläche die Wärme vom Prozessor nicht ausreichend auf den Kühlkörper übertragen wird und es zu einem Wärmestau kommt.

Anbindung über einen Wärmespreizer: Bei dieser Variante kommt ein sogenannter Heatspreader zum Einsatz, der zwischen Kühlkörper und Wärmequelle gelegt wird. Heatspreader sind Platten zur Wärmespreizung, die oft aus Kupfer bestehen. Durch den hohen Wärmeleitwert von Kupfer sind Heatspreader hervorragend geeignet, um Wärme aufzunehmen und diese großflächig auf den Kühlkörper zu spreizen.

Anbindung über Heatspreader und Heatpipes: Zusätzlich zu Heatspreadern können sogenannte Heatpipes eingesetzt werden. Heatpipes sind Wärmeleitrohre, die für den Wärmetransport die Verdunstungswärme von z.B. Wasser nutzen. Das im geschlossenen Rohr unter Druck stehende Wasser verdunstet durch Wärmezufuhr und kondensiert am anderen Ende. Mit Heatpipes lassen sich im Vergleich zu Kupferteilen gleicher Geometrie, 100 bis 1000-fach größere Wärmemengen transportieren. Aus diesem Grund sind Heatpipes hervorragend geeignet, um Wärme von kritischen Bereichen abzugreifen und diese an ein Kühlkörper oder Gehäuse zu transportieren.

Bild 2: Entwärmung eines Prozessors mithilfe von Heatspreader und 
Wärmeleitmaterial.
Bild 2: Entwärmung eines Prozessors mithilfe von Heatspreader und 
Wärmeleitmaterial. (Bild: Fischer Elektronik)

Was Wärmeleitmaterialien bringen

Auch als Thermal Interface Material (TIM) bekannt, sind Wärmeleitmaterialien dafür geeignet, den Wärmeübergangswiderstand zwischen zwei Bauteilen zu minimieren. Thermische Übergangswiderstände treten überall dort auf, wo zwei Komponenten aufeinandertreffen. Auch wenn scheinbar perfekte Oberflächen, von z.B. Prozessor und Kühlkörper, aufeinandergelegt werden, ist die effektive Kontaktfläche prozentual gering. Mit Wärmeleitmaterialen wird die Unebenheit ausgeglichen und dadurch die thermisch nahezu isolierende Luft aus den Zwischenräumen verdrängt. Hierfür bieten sich verschiedene Materialien in Form von Pasten Folien und Kleber an (Bild 2).

Bild 3: Thermische Simulation eines Gehäuseprofils mit Heatspreadern und Heatpipes.
Bild 3: Thermische Simulation eines Gehäuseprofils mit Heatspreadern und Heatpipes. (Bild: Fischer Elektronik)

Mit einer computergestützten Wärmesimulation (Bild 3) kann der Entwickler bereits in der Prototypenphase Erkenntnisse über das Entwärmungskonzept gewinnen. Unter realitätsnahen Bedingungen werden mittels 3D-Daten Baugruppen simuliert und analysiert. Dadurch lassen sich thermische Konflikte frühzeitig erkennen und visuell darstellen. Nachträgliche kostenintensive Korrekturmaßnahmen bleiben daher erspart. Eine thermische Simulation wird von gut aufgestellten Gehäusebauern als Dienstleistung angeboten.

* Fatih Sahin arbeitet als Entwicklungsingenieur bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid.

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