Eine Einführung in das Wärmemanagement

Elektronische Systeme werden immer dichter bestückt und wärmer, was bedeutet, dass viele Systeme eine Methode zur Bewältigung dieser Wärme benötigen. Die Entwicklung einer Wärmemanagementlösung ist zwar nicht für jedes Design erforderlich, doch ist ein grundlegendes Verständnis dafür, wie Wärme erzeugt, bewegt und abgeführt wird, unerlässlich, um zu vermeiden, dass wichtige Komponenten durch erhöhte Temperaturen beschädigt werden. Letztendlich muss das Wärmemanagement bereits in den frühen Entwurfsphasen berücksichtigt werden und nicht erst als Notlösung im endgültigen Entwurf.

Grundlagen des Wärmemanagements

Da an elektronische Systeme immer höhere Anforderungen gestellt werden, gibt es theoretisch drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung und damit der Kühlung von Komponenten: Konduktion, Konvektion und Abstrahlung.

Bei der vielleicht effektivsten Methode der Energieübertragung, der Wärmeleitung oder Konduktion, wird thermische Energie durch physischen Kontakt zwischen zwei Objekten übertragen, wobei das kühlere Objekt auf natürliche Weise Energie vom wärmeren Objekt abzieht. Im Allgemeinen erfordert diese Methode die kleinste Oberfläche, um die größte Energie zu übertragen.

Abbildung 1: Konduktion in der Praxis. (Bildquelle: Same Sky)

Zweitens verteilt die Konvektion die Wärmeenergie durch die Bewegung der Luft um. Wenn kühlere Luft an einem wärmeren Objekt vorbeiströmt, entzieht sie dem Objekt Wärme und führt sie ab, während sie sich weiter durch das Gerät bewegt. Diese Methode kann durch natürliche Luftkonvektion oder erzwungene Luftkonvektion über einen Lüfter erreicht werden.

Abbildung 2: Konvektion in der Praxis. (Bildquelle: Same Sky)

Drittens ist Abstrahlung die Aussendung von Energie in Form einer elektromagnetischen Welle. Im Vergleich ist diese Methode eher ineffektiv und wird bei den meisten thermischen Berechnungen ignoriert, da sie im Allgemeinen nur für Vakuumanwendungen gilt, bei denen Konduktion und Konvektion keine Option sind. Im Prinzip ist Abstrahlung die Übertragung von Wärme durch elektromagnetische Wellen, die entstehen, wenn warme Teilchen vibrieren.

Abbildung 3: Abstrahlung in der Praxis. (Bildquelle: Same Sky)

Obwohl es sich nicht um eines der drei oben beschriebenen grundlegenden thermischen Konzepte handelt, ist es wichtig, auch den Wärmewiderstand zu erwähnen, der die Effektivität der Wärmeübertragung zwischen Objekten quantifiziert und bei der Entwicklung von Wärmemanagementlösungen umfassend verwendet wird. Einfach ausgedrückt: Je niedriger der Wärmewiderstand, desto besser die Energieübertragung. Anhand des Wärmewiderstands und einer bestimmten Umgebungstemperatur lässt sich genau berechnen, wie viel Leistung abgeführt werden kann, bevor bestimmte Temperaturen erreicht werden.

Komponenten für das Wärmemanagement

Es gibt drei gängige Methoden zur Kühlung elektronischer Systeme: Kühlkörper, Lüfter und Peltier-Module. Sie können einzeln eingesetzt werden, erreichen aber bei Kombination eine noch größere Wirksamkeit.

Kühlkörper gibt es in vielen Formen und Größen. Sie werden eingesetzt, um die Wirksamkeit der Konvektionskühlung zu verbessern, indem sie den Wärmewiderstand zwischen den Komponenten, an denen sie angebracht sind, und dem Kühlmedium, in der Regel Luft, verringern. Sie erreichen dies durch eine Vergrößerung der Konvektionsfläche und bestehen aus einem Material, das einen geringeren Wärmewiderstand aufweist als typische Halbleiter. Kühlkörper sind kostengünstig und fallen so gut wie nie aus oder verschleißen, aber sie erhöhen das Volumen der elektronischen Systeme, die sie kühlen. Als passive Komponenten werden Kühlkörper oft mit Lüftern kombiniert, um die abgeleitete Wärmeenergie effektiver vom System abzuführen. Lüfter oder Gebläse erzeugen einen stetigen Strom frischer kühler Luft über einem Kühlkörper, um den Temperaturunterschied zwischen diesem und der Kühlluft aufrechtzuerhalten und so eine weiterhin effiziente Wärmeübertragung zu gewährleisten.

Lüfter und Gebläse gibt es in einer Vielzahl von Formen und Größen mit vielen verschiedenen Leistungsoptionen. Die wichtigste Spezifikation ist der Luftstrom, den sie erzeugen können, normalerweise gemessen in Kubikfuß pro Minute (CFM). Einige Lüfter und Gebläse verfügen über eine Steuerung, mit der die Drehzahl an den aktuellen Kühlbedarf angepasst werden kann, und zwar als Teil eines Regelsystems. Lüfter tragen zur Verbesserung der Kühlung bei, aber Konstrukteure müssen sich darüber im Klaren sein, dass sie Strom und manchmal auch Steuerschaltungen benötigen. Im Gegensatz zu Kühlkörpern können Lüfter auch laut sein und bewegliche Teile besitzen, die sie anfälliger für Störungen machen.

Peltier-Geräte sind Halbleiterkomponenten, die den Peltier-Effekt nutzen, um Wärme von einer Seite eines Moduls zur anderen zu übertragen. Peltier-Geräte müssen mit Energie versorgt werden, um Wärmeenergie zu transportieren, wodurch dem System Wärme zugeführt wird, weshalb sich die Kombination mit Kühlkörpern und Lüftern empfiehlt. Peltier-Module können jedoch eine präzise Temperaturregelung erreichen und Komponenten unter die Umgebungstemperatur kühlen. Wie Kühlkörper enthalten sie keine beweglichen Teile und sind daher an sich flexibel und robust, aber auch sie müssen möglicherweise mit Lüftern, Kühlkörpern und Steuerschaltkreisen ergänzt werden, was die Kosten und die Komplexität erhöht. Aus diesen Gründen sind Peltier-Module häufig den anspruchsvollsten Anwendungen vorbehalten, wie z. B. der Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Herzen dicht bestückter Elektroniksysteme.

Berechnung des Kühlbedarfs

Wie auch immer die endgültigen Designanforderungen aussehen mögen, es gibt bewährte Ansätze für die Entwicklung einer effektiven Kühlungslösung für elektronische Systeme. Um zu veranschaulichen, wie ein Ingenieur an die Entwicklung einer integrierten Wärmemanagementlösung herangehen könnte, hier ein hypothetisches Problem und eine Lösung:

In diesem Beispiel wird ein Bauelement in einem 10 mm x 15 mm großen Gehäuse verwendet, das im eingeschwungenen Zustand 3,3 W Wärme erzeugt. Die Umgebungstemperatur für den Betrieb der Komponente beträgt 50 °C, die ideale Betriebstemperatur liegt bei 40 °C. Kein Teil des Systems sollte 100 °C überschreiten.

Abbildung 4: Leistungsdiagramm des Peltier-Moduls aus dem Datenblatt des CP2088-219 (Bildquelle: Same Sky)

Diese Spezifikationen bedeuten, dass ein Peltier-Modul erforderlich ist, um die Temperatur der Komponente unter die Umgebungstemperatur zu senken. Same Sky bietet das CP2088-219 an, ein Mikro-Peltier-Modul, das 3,3 W Wärmeenergie abführen und die Temperatur eines Bauelements auf 10 °C unter die Umgebungstemperatur senken kann. Zwischen Peltier-Modul und Komponente befindet sich SF600G, ein Wärmeleitmaterial, das den Wärmewiderstand zwischen Komponente und Kühlgerät reduziert. Aus dem Datenblatt des CP2088-219 (Abbildung 4) geht hervor, dass das Peltier-Modul einen Strom von 1,2 A bei 2,5 V benötigt, was bedeutet, dass sein Betrieb dem System 3 W Wärmeenergie zuführt.

Um die gesamte Wärmeenergie von 6,3 W aus dem Peltier-Modul abzuführen, wird auf der anderen Seite ein Kühlkörper (HSS-B20-NP-12) angebracht, wobei wiederum das Wärmeleitmaterial SF600G als Schnittstelle dient. Das Wärmeleitmaterial besitzt eine Fläche von 8,8 mm x 8,8 mm und einen Wärmewiderstand von knapp 1,08 °C/W.

Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers beträgt wiederum von 3,47 °C/W, wenn von einem Luftstrom von 200 Fuß pro Minute (LFM) über ihn ausgegangen wird.

Der Gesamtwärmewiderstand der Kombination aus Wärmeleitmaterial und Kühlkörper beträgt somit 4,55 °C/W.

Um einen konstanten Luftstrom von 200 LFM zu gewährleisten, könnte ein Lüfter der Serie CFM-25B zum Einsatz kommen.

Die Anordnung verbindet das zu kühlende Bauelement über ein Wärmeleitmaterial mit einem Peltier-Modul. Die Oberseite des Peltier-Moduls ist über eine weitere Schicht von Wärmeleitmaterial mit einem Kühlkörper verbunden, und die gesamte Baugruppe befindet sich in einem Luftstrom von 200 LFM mit einer Temperatur von 50 °C.

Abbildung 5: Wärmemanagementlösung mit Peltier-Gerät, Kühlkörper, zwei Wärmeleitschichten und Lüfter (Bildquelle: Same Sky)

Anhand dieser Daten kann die Beharrungstemperatur des Bauelements berechnet werden. Das Peltier-Modul hält seine kühle Seite auf 40 °C - auf Kosten einer zusätzlichen Wärmezufuhr von 3,3 W zur Baugruppe. Der Kühlkörper muss 6,3 W Wärme in eine Umgebung mit einem 50 °C warmen Luftstrom ableiten, wobei der Gesamtwärmewiderstand zwischen dem Peltier-Modul und der Umgebungsluft 4,55 °C/W beträgt. Die Multiplikation von 6,3 W mit 4,55 °C/W ergibt die Temperaturerhöhung gegenüber der Umgebung, die in diesem Fall 28,67 °C oder 78,67 °C insgesamt beträgt. Das liegt deutlich unter der geforderten Temperatur von 100 °C, was zu einer Wärmemanagementlösung führt, die den Anforderungen des Systems gerecht wird.

Fazit:

Wärmemanagement ist bereits bei Verbraucheranwendungen wie Kühlung, Heizung, Lüftung und Klima, 3D-Druck und Luftentfeuchtern erforderlich. Außerdem ist es in wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen wie Thermozyklern für die DNA-Synthese und hochpräzisen Lasern erforderlich. Kühlkörper, Lüfter und Peltier-Module können dazu beitragen, dass komplexe elektronische Systeme innerhalb ihrer thermischen Designgrenzen bleiben. Same Sky bietet eine Reihe von Wärmemanagement-Komponenten an, um diesen kritischen Auswahlprozess zu vereinfachen.