Mit oder ohne Lüfter?

Grundlagen und Tipps zur Entwärmung von Industrie-PCs

Die Temperatur im Gehäuse eines Industrie-PCs hat einen wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer des gesamten Systems. Deshalb ist es wichtig, für jedes Gerät ein geeignetes Kühlkonzept zu erstellen. Eine der zentralen Fragen dabei ist, ob der Industrierechner mit einem Lüfter ausgestattet wird oder ob eine passive Kühlung die richtige Lösung ist.

In einem industriellen Umfeld arbeiten leistungsfähige PC-Systeme und Displays bei maximaler Belastung in der Regel am oberen Ende der zulässigen Temperaturgrenze. Diese wird bestimmt durch die verbauten Elektronikkomponenten, die, je nach Spezifikation, bei Dauereinsatz nicht über 55 bis 65 °C Gehäuse-Innentemperatur betrieben werden sollen. Bei einer Umgebungstemperatur von beispielsweise 50 °C bleibt dabei eine Temperaturdifferenz ∆T von nur 5 bis 15 K übrig. Wie kann nun in der Praxis ein elektronisches Gerät effektiv entwärmt werden?

Prinzipiell gibt es drei Phänomene zur Ableitung von Wärme: die Wärmeleitung, die Wärmestrahlung und die Wärmeströmung (Konvektion). Bei der Kühlung von Geräten werden in der Regel immer alle drei physikalischen Effekte in unterschiedlicher Gewichtung kombiniert. Grundsätzlich gilt, dass der Wärmewiderstand von innen nach außen so klein wie möglich sein soll. Das verhält sich analog zur Elektrotechnik. Die Temperaturdifferenz entspricht dabei dem Spannungsabfall, der Wärmewiderstand dem elektrischen Widerstand.

Wärmeleitung maximieren

Bei der Wärmeleitung findet in einer Materie ein molekularer Wärmetransport unter Einfluss der Temperaturdifferenz statt. Entsprechend dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik fließt die Wärme immer vom wärmeren zum kälteren Körper. Im thermodynamischen Gleichgewicht haben also alle Bestandteile eines Systems die gleiche Temperatur. Die Berechnungsgrundlage der Wärmeleitung ist:

mit R_th: Wärmewiderstand in K/W; l: Länge des Körpers in m; A: Querschnittsfläche in m²; λ: spezifischer Wärmeleitwert in W/(m · K)

Der spezifische Wärmeleitwert von trockener Luft bei 20 °C beträgt zum Beispiel 0,0256 W/(m · K). Wasser weist ein λ von 0,598 W/(m · K) (20 °C) auf. Mit 380 W/(m · K) verfügt Kupfer über einen sehr hohen spezifischen Wärmeleitwert. Der Wärmewiderstand R_th ist der reziproke Wärmeleitwert. Wird der Wärmewiderstand mit dem Wärmestrom Q in Watt, z.B. der Verlustleistung eines Prozessors, multipliziert, so erhält man die durch den Wärmewiderstand hervorgerufene Temperaturdifferenz:

DSM-Computer 

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Bild 1. Die Wärme wird vom Prozessor-Die über den Heat Spreader und den Kühlkörper abgeleitet.

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DSM-Computer

Bild 1. Die Wärme wird vom Prozessor-Die über den Heat Spreader und den Kühlkörper abgeleitet.

Bei einer Reihenschaltung von Wärmewiderständen addieren sich dabei die R_th-Werte, bei einer Parallelschaltung addieren sich die Wärmeleitwerte λ.

Die Wärmeleitung mit einer Reihe von Widerständen tritt u.a. bei der CPU-Kühlung auf. Hier addieren sich die R_th-Werte des Halbleiters, des Chipgehäuses, der Wärmeleitpaste und des Kühlkörpers (Heatsink) sowie die Übergangswiderstände von einem Stoff auf den anderen bzw. vom Kühlkörper zur Umgebung (z.B. Temperatur im Inneren des Gehäuses, Bild 1).

Bei der Montage eines Kühlkörpers darf kein Luftspalt entstehen. Deshalb werden flexible wärmeleitende Materialien zum Ausgleich von Unebenheiten und Toleranzen eingesetzt. Doch zuviel ist auch nicht gut. Die Temperaturerhöhung durch eine zu dicke Schicht aus Wärmeleitpaste oder ein zu dickes Wäremleitpad lässt sich leicht ausrechnen. Für eine Wärmeleitpaste liegt der spezifische Wärmeleitwert bei ca. 1,2 W/(m · K). Bei einer Fläche von 25 × 25 mm² und einer Dicke von 0,2 mm ergibt sich nach Gl. (1) ein R_th von 0,26 K/W:

Bei Verwendung einer aktuellen CPU aus der Mobile-Klasse, z.B. einem Intel Core i5-520M, mit einer TDP (Thermal Dissipation Power) von 35 W ergibt sich damit in erster Näherung (die Wärme wird komplett nach oben abgeführt) schon für diese dünne Schicht gemäß Gl. (2) eine Temperaturdifferenz von 9,1 K.

Bei doppelter Schichtdicke oder der Hälfte der Fläche würde sich die Temperaturdifferenz verdoppeln. Daraus lässt sich unschwer erkennen, wie wichtig eine Optimierung der Wärmewiderstände bei der Entwärmung eines Gerätes ist, unabhängig davon, ob es um einen Kühlkörper im Inneren oder um eine Auslegung einer passiven Kühlung geht.

Wärmestrahlung nur maximal 20 %

Die Wärmestrahlung ist eine Art der Wärmeübertragung, bei der Wärme durch elektromagnetische Wellen übertragen wird, also keinen stofflichen Träger benötigt. Die Wärmestrahlung ist nur von der Temperatur und der Beschaffenheit der strahlenden Oberfläche abhängig. Ein Körper, der ein großes Absorptionsvermögen hat, strahlt auch viel Wärme ab (Kirchhoffsches Strahlungsgesetz). Die maximal mögliche Wärmestrahlung weist ein „Schwarzes Loch“ auf, der Wert beträgt beispielsweise bei 25 °C 447 W/m² und 617 W/m² bei 50 °C. Die Abweichung der Oberflächenbeschaffenheit vom „Schwarzen Loch“ wird durch das Emissionsverhältnis ε beschrieben und entspricht dem Absorptionsverhältnis.

Das Emissionsverhältnis eines blanken Kühlkörpers liegt bei etwa 0,03, das eines schwarz eloxierten Kühlkörpers - je nach Oberflächenqualität - bei etwa 0,6 bis 0,7. Was bedeutet das nun für die Auslegung eines Kühlkörpers beispielsweise im Inneren eines Gehäuses? Hier ist der Kühlkörper oft direkt von anderen Bauteilen und Gehäusen umgeben, die ebenfalls Wärmestrahlung aussenden. Ist der entsprechende Kühlkörper z.B. schwarz eloxiert, hat er ein hohes Emissionsverhältnis, nimmt aber aufgrund seines hohen Absorptionsverhältnisses auch die Wärmestrahlung der Umgebung sehr gut auf. Die Temperaturdifferenzen des Kühlkörpers zu diesen Komponenten können so klein werden, dass die Wärmestrahlungen sich gegenseitig fast aufheben und die Emissionsverhältnisse keine Rolle mehr spielen. Bei einem am Gehäuse außen liegenden Kühlkörper kann bei Anwendungen innerhalb einer Anlage oder bei Outdoor-Anwendungen die eingestrahlte Energie sogar größer sein, als die durch Wärmestrahlung abgegebene Energie.

Erfahrungsgemäß ist der Strahlungsanteil bei der Kühlung von elektronischen Systemen sehr gering (max. 20 %). Für eine Berechnung und Optimierung für die Systemauslegung eignen sich am besten numerische Berechnungsmethoden.

1. Teil: Grundlagen und Tipps zur Entwärmung von Industrie-PCs
2. Teil: Lüfter unterstützen Konvektion
3. Teil: 10 Grad weniger - doppelte Lebensdauer

Weiterführende Links:

• Leistungshalbleiter optimal entwärmen: Hilfestellung bei der Auswahl des geeigneten Wärmeleitmaterials
• Neuen thermischen Anforderungen genügen: Wärmemanagement im Wandel
• Industriecomputer: Fernwartung: Am Betriebssystem vorbei
• Industrie-PCs: Neuer Katalog von DSM