Immer genug Luft - Grundlagen der Elektronikkühlung

Damit elektronische Geräte zuverlässig funktionieren, muss eine ausreichende Kühlung vorgesehen sein. Was das im konkreten Einzelfall bedeutet, ist aber keineswegs immer einfach zu beurteilen. Sind Kühlschlitze im Gehäuse notwendig? Muss zusätzlich ein Lüfter vorgesehen werden? Und wenn ja, wie sollte dieser dimensioniert und wo platziert sein? Das sind die wichtigsten Fragen, die immer wieder neu und unter Berücksichtigung der jeweiligen Gegebenheiten zu klären sind.

Damit elektronische Geräte zuverlässig funktionieren, muss eine ausreichende Kühlung vorgesehen sein. Was das im konkreten Einzelfall bedeutet, ist aber keineswegs immer einfach zu beurteilen. Sind Kühlschlitze im Gehäuse notwendig? Muss zusätzlich ein Lüfter vorgesehen werden? Und wenn ja, wie sollte dieser dimensioniert und wo platziert sein? Das sind die wichtigsten Fragen, die immer wieder neu und unter Berücksichtigung der jeweiligen Gegebenheiten zu klären sind.

Leider wird die perfekte Energieumwandlung ein Traum von Erfindern und Entwicklern bleiben. In elektronischen Bauelementen entstehen immer Verluste. Die elektrische Verlustleistung verwandelt sich dabei in eine Wärmeleistung gleicher Größe. Diese Wärmeenergie wird zunächst durch die Wärmekapazität der Bauelemente aufgenommen. Demzufolge erwärmen sich die Bauelemente und geben daraufhin selbst wiederum Wärme ab, und zwar sowohl an benachbarte Baugruppen als auch die umgebende Luft.

Bild 1 zeigt, wie die mittlere Lufttemperatur in einem Gerät dadurch allmählich zunimmt und schließlich einen thermischen Gleichgewichtszustand anstrebt. In diesem Zustand erreichen alle Baugruppen ihr jeweils höchstes Temperaturniveau und nehmen keine Wärmeenergie mehr auf. Der Wärmestrom wird dann in Folge des entstandenen Temperaturgefälles ausschließlich durch Wärmeübertragung abgeführt (Bild 2).

Geschlossenes Gehäuse

Durch günstige Bauteileanordnung lässt sich dieses Temperaturgefälle flacher gestalten, d.h. die Temperaturerhöhung der einzelnen Bauteile gegenüber der Außenumgebung wird kleiner. Großen Einfluss darauf, wie gut Wärme aus dem Gerät abgeleitet werden kann, hat dabei die Beschaffenheit des Gehäuses. Geschlossene Gehäuse haben zwar den Vorteil, dass ihr Inneres vor Verunreinigungen geschützt ist, nachteilig wirkt sich jedoch aus, dass keine Luftströmungen zur Wärmeableitung beitragen. Die Wärme kann nur über die Gehäusewände nach außen dringen. Das geschieht in drei Etappen: Zunächst überträgt die erwärmte Luft im Geräteinneren die Energie an die kühlere Gehäusewand. In der Gehäusewand wird die Wärme von der wärmeren Innenseite an die kühlere Außenseite weitergeleitet. Den Abschluss bildet dann die Wärmeübertragung der Gehäuseaußenseite an die kühlere Umgebungsluft.

Durch den Wärmeübergang zwischen Wand und Außenluft ändert sich die Luftdichte. Dadurch entsteht eine so genannte freie Strömung, die Wärme abtransportiert. Diesen Vorgang bezeichnet man als freie Konvektion. (Konvektion = Abbzw. Weiterleitung von Wärme durch Gase oder Flüssigkeiten). Der Wärmeübergang kann durch eine erzwungene Strömung, die zum Beispiel ein Lüfter erzeugt, verbessert werden. Man spricht dann von erzwungener Konvektion.

Noch deutlicher lässt sich die Temperaturerhöhung reduzieren, wenn man Ventilatoren vorsieht, die eine Durchströmung erzwingen. Kurve E (Bild 3) zeigt, was bereits bei einem relativ kleinen Volumenstrom von 20 l/s geschieht. Bei 100 W Verlustleistung würde die Temperaturerhöhung dann lediglich 5 K betragen. In elektronischen Geräten ist diese Kühlmethode deshalb heute am weitesten verbreitet. Bei relativ kleinem Aufwand und hoher Zuverlässigkeit bietet sie eine hohe Wirksamkeit. Wenn nötig können zusätzliche Filter in den Kühlschlitzen verhindern, dass Verunreinigungen aus der Umgebungsluft ins Geräteinnere »geblasen« werden.

Für die Dimensionierung des Volumenstroms beziehungsweise für die Auswahl eines geeigneten Lüfters kann man die für die Temperaturerhöhung benutzte Gleichung entsprechend umformen (2). Kennt man die Verlustleistung PV und gibt die zulässige mittlere Temperaturerhöhung ΔT vor, ergibt sich daraus der Volumenstrom, den der Lüfter liefern muss. In Bild 4 ist diese Beziehung grafisch dargestellt. Allerdings sagt die zulässige mittlere Temperaturerhöhung im Gerät noch nichts über die örtlich verschiedenen Bauteiltemperaturen aus. Die dazu notwendigen Berechnungen sind wesentlich aufwändiger.

Dazu gibt es Computerprogramme zur Thermosimulation, welche auch die Berechnung der örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturerhöhungen ermöglichen (Bild 5). Bei elektronischen Bauteilen mit großen Verlustleistungen, also besonders bei Prozessoren, entstehen selbst bei Zwangsbelüftung der Geräte oft zu hohe Sperrschichttemperaturen. Kühlkörper können hier Abhilfe schaffen. Sie vergrößern die wärmeübertragende Oberfläche um ein Vielfaches, sodass die Bauteiletemperaturen sinken. Ein Beispiel soll diesen Sachverhalt verdeutlichen.

Ein Chip mit einer Leistung von 20 W und einer Grundfläche von 50 mm x 50 mm erhitzt sich um etwa 140 K. Verwendet man einen Kühlkörper mit ebenfalls 50 mm x 50 mm Grundfläche und 23 mm Höhe, erhöht sich die Temperatur des Chips um nur noch 107 K. Das ist jedoch immer noch relativ viel. Verbessern lässt sich die Kühlwirkung auch hier wieder mit einem zusätzlichen Lüfter, der in den Kühlkörper hineinbläst. Solche »Chip-Cooler« gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Sie bauen sehr kompakt und lassen sich gut in die Geräte integrieren. Die Kühlwirkung, die sie erzielen, ist beachtlich.

Bild 6 zeigt die Ergebnisse für den bereits erwähnten Chip: Bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 1 m/s reduziert sich die Temperaturerhöhung auf 36 K, bei 2 m/s auf 24 K (grüne Kurve). Günstig wirken sich dabei die turbulenten Abströmungen des Lüfters auf den Wärmeübergang aus, denn bei umgekehrter Position – also aus dem Kühlkörper saugend – ergeben sich deutlich höhere Temperaturen (blaue Kurve). (rh)