Thermische Verwaltung mit Ventilatoren – es gibt mehr zu erwägen als gedacht

25. April 2017 von Jeff Smoot

Thermische Verwaltung mit Ventilatoren – es gibt mehr zu erwägen als gedacht

Nach der Ausbreitung von IoT und Cloud Computing enthalten die heutigen Designs mehr Sensoren, Transistoren und Prozessoren pro Quadratzentimeter, wodurch höhere Anwendungsdichten und eine größere Funktionalität erzielt wird. Doch aufgrund dieser höheren Dichten erhält man auch ein unerwünschtes Nebenprodukt: zusätzliche Wärme. Wie dies oft der Fall ist, ist der begrenzende Faktor für solche Konstruktionen nicht die Fähigkeit der einzelnen Komponenten, sondern eher die Einschränkungen der Komponenten aufgrund der überschüssigen Wärme. Das Verständnis, dass elektronische Bauteile, insbesondere Halbleiter, so ausgelegt sind, dass sie innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs arbeiten, über dem ihre Leistung nicht garantiert ist, ist wichtig. Genauso wichtig ist die Erkenntnis des häufigen Anliegens, dass die von den Komponenten selbst erzeugte Wärme, einschließlich passiver Vorrichtungen, zu erhöhten Betriebstemperaturen führen kann, was möglicherweise in einem Geräteversagen resultiert.

Methoden der thermischen Verwaltung

Zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit und korrekten Funktion eines Systemdesigns ist es entscheidend, geeignete Methoden der thermischen Verwaltung einzusetzen. Die grundlegenden Prozesse zur Wärmeabfuhr sind Leitung, Konvektion und Strahlung:
  • Die Strahlung ist in den meisten Systemen nur selten wirksam, da sie idealerweise „schwarze“ Abgabe- und Aufnahmeflächen ohne dazwischen liegende Hindernisse erfordert.
  • Die leitfähige Kühlung ist oft die einfachste Lösung und kann bei der Entziehung von Wärme aus einer Komponente durch eine Leiterplatte (PCB) gut funktionieren, insbesondere, wenn die Metallbahnen und die Masseflächen in diesem Sinne konzipiert sind.
  • Die Konvektionskühlung beruht auf der Wärme einer Komponente, die die Luft um sich herum erwärmt, wobei die Hitze entfernt wird, sobald die warme Luft ansteigt, und durch kühlere Luft ersetzt wird. Die Wirksamkeit hängt von der Orientierung des Bauteils ab und wie leicht Luft an ihm vorbeiströmen kann.

Typischerweise wird die Konvektionskühlung mit der Leitung gepaart, um die Wärme, die sich in einer Leiterplatte ausgebreitet hat, weiter abzuführen, oder beim Einsatz eines Wärmeableiters die Wärme von einer Komponente wie einer integrierten Schaltung abzuleiten. Diese Kombination von Leitung und Konvektion funktioniert gut, solange der Luftstrom ungehindert passieren kann, aber sobald die Elektronik in ein Gehäuse eingesetzt wird, ist es etwas völlig anderes!

Folglich reicht die natürliche Konvektionskühlung nicht aus, um mehr als nur das geringste Niveau der Wärmeableitung zu bewältigen, es sei denn, ein Gehäuse ist sehr gut belüftet. Dies führt uns zu einer Analyse einer geeigneten Zwangsluftlösung, um die Anwendung zu kühlen, einschließlich der Art, Größe und Leistung des/der dazu benötigten Ventilatoren.

Auswahl eines Ventilators

Zuerst ist ist ein Verständnis wichtig, an welcher Stelle Wärme erzeugt wird und wie viel. Ein thermisches Profil des Systems kann mit Hilfe von Temperatursensoren erreicht werden, die im Gehäuse und auf der Leiterplatte verteilt sind. Außerdem muss die Luftströmungsimpedanz des Systems bestimmt werden, d. h. der Abfall des Luftdrucks zwischen Einlass und Auslass. Dies kann mit Drucksensoren gemessen werden oder man kann das System in eine Luftkammer stellen. Die Modellierung mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD), wie unten dargestellt, kann auch ein genaues Profil liefern.

Darstellung der Computational Fluid Dynamics
Ein Beispiel für eine Computational Fluid Dynamics Analyse (CFD)

Sobald der maximal zulässige Temperaturanstieg (ΔT) und die abzuführende Wärmemenge (q) bekannt sind, kann der für den Kühlbedarf des Systems erforderliche Luftstrom (Q) durch Lösen einer einfachen Gleichung bestimmt werden.

Q = [q/(ρ x Cp x ΔT)] x 60

Wenn man die Konstanten für die spezifische Wärme der Luft (Cp) und die Dichte der Luft (ρ) bei einer definierten Temperatur (e.g. 26 °C) ersetzt, vereinfachen sich die Gleichungen:

Q = 0,05 x q/ΔT
für Q in Kubikmeter pro Minute (CMM)
oder: Q = 1,76 x q/ΔT
für Q in Kubikfuß pro Minute (CFM)

Nach der Berechnung der erforderlichen Luftstromzahl lässt sie sich dann einfach mit den technischen Daten eines Ventilators vergleichen, den die Hersteller in der Regel als Diagramm von Luftstrom und statischem Druck zur Verfügung stellen. Der statische Druck (also der atmosphärische Druck im Gehäuse ohne Luftstrom) berücksichtigt jedoch die zuvor angegebene Luftströmungsimpedanz (bzw. Gegendruck) nicht. Zur Lösung dieser realen Frage kann der Gegendruck entweder für unterschiedliche Luftströmungsraten gemessen und im Diagramm dargestellt werden, so dass der Schnittpunkt den erforderlichen Arbeitspunkt darstellt, oder der Ventilator könnte überdimensioniert werden, um zahlenmäßig etwa 50 % über dem erforderlichen Statikdruck-Luftstrom zu liegen, doch mit einer maximalen Leistungsfähigkeit, die dem Zweifachen der erforderlichen Leistung entspricht (als Spielraum für Fehler).

Werden die Kühlanforderungen zu Beginn eines Entwurfs berücksichtigt, können selbstverständlich Vorkehrungen getroffen werden, um die Systemimpedanz zu reduzieren und den Luftstrom zu optimieren, indem der Luftstrom in die Richtung der kritischen Komponenten geleitet und gewährleistet wird, dass Lufteinlass und -auslass nicht durch sperrige Komponenten behindert werden. Weitere Überlegungen bei der Ventilatorauswahl beziehen sich auf die Art des Ventilators: Bei einem Axialventilator tritt Luft ein und verlässt den Ventilator in der gleichen Richtung. Dies ist ideal für einen hohen Luftstrom in Systemen mit niedrigem statischen Druck. Ventilatoren, bei denen die Luft in einer anderen Richtung ausgestoßen wird, haben eine komprimierende Wirkung auf die Luft. Derartige Zentrifugalventilatoren sind besser für einen geringeren Luftstrom, jedoch für höhere statische Druckumgebungen geeignet.

Zusätzliche Erwägungen

Der Auswahlprozess geht noch weiter. Ein Designer muss auch über Themen wie elektrische und akustische Geräusche und die Steuerung des Ventilators nachdenken. Akustische Geräusche hängen von mehreren Faktoren ab und werden im Allgemeinen durch den erforderlichen Luftstrom diktiert. Zentrifugal- oder Gebläseventilatoren sind gewöhnlich lauter als Axialventilatoren, während ein größerer Axialventilator, der mit einer niedrigeren Geschwindigkeit läuft, leiser ist als ein kleinerer Ventilator, der schneller laufen muss, um den gleichen Luftstrom zu erzielen. Elektromagnetische Störungen (EMI) werden durch den Motor eines Ventilators erzeugt, doch bei einem DC-Ventilator beschränkt sich dies normalerweise auf die übertragenen Störungen in den Stromzuführungen, welche in der Regel mit Ferritperlen oder Abschirmung unterdrückt werden können.

Mit zunehmenden Dichten wird die thermische Verwaltung Ihres Systems wahrscheinlich zu einem vorrangigen Anliegen. Ordnungsgemäße thermische Analyse des Systems und Auswahl der passenden Kühlmethode ist entscheidend, um eine Überhitzung und einen Ausfall kritischer Komponenten beim Betrieb zu verhindern. In vielen Anwendungen ist die Zwangsluftkühlung mit einem DC-Ventilator eine effiziente Möglichkeit, die überschüssige Wärme zu entfernen, doch mit so vielen verfügbaren Ventilatorkonfigurationen und -funktionen ist ein Verständnis wichtig, auf welche Weise die Ventilatorleistung den Anforderungen Ihres Systems entspricht.

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Jeff Smoot

Jeff Smoot

VP of Application Engineering & Motion Control

Seit Jeff Smoot im Jahr 2004 zu CUI stieß, hat er die Qualitäts- und Engineering-Abteilungen der Firma revitalisiert. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung, Unterstützung und Markteinführung von Produkten. Mit dem Fokus auf dem Erfolg des Kunden hat er auch die Einrichtung eines Application-Engineering-Teams vorangetrieben, um den Ingenieuren und Technikern während des Designprozesses online und vor Ort eine bessere Design- und technische Unterstützung zu bieten. Nach der Arbeit genießt Jeff die freie Natur (Skifahren, Rucksackreisen, Camping), verbringt Zeit mit seiner Frau und vier Kindern und ist ein lebenslanger Fan der amerikanischen Football-Mannschaft Denver Broncos.

 
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