Passive Kühlung für maximale Effizienz
Thermomanagement bei Single-Board-Computer-basierten Geräten
Single-Board-Computer (SBC) haben sich in den vergangenen Jahren zu leistungsfähigen Plattformen für industrielle Anwendungen entwickelt. Mit steigender Rechenleistung, erweitertem Speicher und robusten Schnittstellen wachsen jedoch auch die thermischen Anforderungen.
Ein zuverlässiges Thermomanagement ist damit zum zentralen Faktor für Performance, Lebensdauer und Geräteeffizienz geworden.
Während in Consumer-Anwendungen einfache Kühlkörper häufig ausreichen, sind Industriegeräte oft dauerhaft hohen Lasten ausgesetzt - zum Beispiel in der Automatisierung, bei IoT-Anwendungen oder beim Edge-Computing. Hier sind optimierte, passive Entwärmungskonzepte eine robuste Lösung, da sie ohne bewegliche Komponenten auskommen und so die Ausfallsicherheit erhöhen.
Aufbau des Entwärmungskonzepts
Die Gehäuseserie Universal Case System (UCS) ermöglicht den Aufbau passiver Kühllösungen auf Basis integrierbarer Kühlkörper und Wärmespreizer. Ziel ist es, die Verlustwärme effizient von Hotspots wie Prozessoren abzuleiten und über das Gehäuse an die Umgebung abzugeben. Zentrale Elemente sind:
- optimierte Kühlkörpergeometrien
- Wärmespreizer zur Vergrößerung der Wärmeabgabefläche
- passende Thermal Interface Materials (TIM)
- definierte Luftströmungswege zur Unterstützung der Konvektion
- gezielte Materialkombinationen (Kunststoff plus Metall)
- thermische Simulation bereits in frühen Entwicklungsphasen
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Die Wärmespreizer im UCS-System sind höhenverstellbar ausgeführt. Dadurch lassen sich Bauteile unterschiedlicher Bauhöhe thermisch anbinden, ohne dass die PCB-Position verändert werden muss. Die direkte Verschraubung des Boards auf dem Kühlkörper erhöht zusätzlich die mechanische Stabilität und verbessert zugleich den Wärmeübergang.
Untersuchungen in der Praxis
Simulationen zeigen, dass sich gegenüber handelsüblichen Plug-and-Play-Lösungen die abführbare Verlustleistung deutlich steigern lässt. Besonders stark wirkt die Ausrichtung der Kühlfinnen: Wird die natürliche Konvektion optimal genutzt, kann die Kühlleistung um bis zu 60 Prozent steigen. Diese Erkenntnis sollte bei der Auswahl des Gehäuses und der Orientierung im späteren Einbau berücksichtigt werden.
Weitere Untersuchungen wurden mit dem Raspberry Pi 5 durchgeführt. Dabei zeigte sich im Stresstest, dass die Nutzung von Kühlelementen zu einer deutlich niedrigeren Prozessortemperatur führt und damit die Lebensdauer des Systems unterstützt. Die UCS-basierte Lösung zeigte dabei ein stabiles Temperaturverhalten, ohne dass aktive Lüfter eingesetzt werden mussten. Vorteile der passiven Lösung:
- kein zusätzlicher Energiebedarf
- keine beweglichen, verschleißanfälligen Teile
- keine Geräuschentwicklung
Der Wärmespreizer wird hierbei mechanisch an die unterschiedlichen Bauteilhöhen (zum Beispiel SoC, PMIC, WLAN) angepasst. Über Distanzbolzen entsteht der notwendige Anpressdruck zwischen TIM, Wärmespreizer und Bauteil.
Flexibles Gehäusesystem für verschiedene SBC-Plattformen
Das UCS-Gehäuse ist nicht für einen einzelnen SBC ausgelegt, sondern lässt sich modular an verschiedene Plattformen anpassen. Industrietaugliche Materialien, flexible Schnittstellen und unterschiedliche Montageoptionen erlauben den Einsatz im Schaltschrank ebenso wie auf dem Tisch, an der Wand oder auf der Hutschiene. Zubehör und Farbvarianten ermöglichen Variantenbildung, ohne das thermische Grundkonzept zu verändern.
Fazit: Die passive Entwärmung ist ein wirkungsvoller Ansatz, um Single-Board-Computer in industriellen Geräten zuverlässig zu betreiben. Mit einem abgestimmten Zusammenspiel aus Kühlkörper, Wärmespreizer, TIM und geeigneter Gehäusearchitektur lassen sich temperaturkritische Applikationen stabil und ohne aktive Kühlung realisieren. Das UCS-System bietet dafür eine modulare Plattform, die thermische Anforderungen, mechanische Robustheit und Flexibilität verbindet.
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