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Cooling Day Kühlungstechniken und Trends beim Wärmemanagement

Redakteur: Johann Wiesböck

Die teils komplexen Entwärmungs- und Kühlverfahren für moderne Elektroniksysteme analysieren hochkarätige Fachexperten praxisnah und in verständlicher Weise auf den drei ‚Cooling Days’ vom 12. bis 14. Oktober in Würzburg: www.cooling-day.de. Einige der aktuellsten Cooling-Themen beschreibt Hermann Strass in diesem Beitrag.

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Diamantstaub zum schnellen Abtransport von Verlustwärme (Bild: Daimler)
Diamantstaub zum schnellen Abtransport von Verlustwärme (Bild: Daimler)

Wegen der Leistungssteigerung und gleichzeitigen Verkleinerung von Chips wird die Kühlung von Elektronik zu einem der wichtigsten Themen in der Entwicklung von modernen Systemen. Moderne Elektronik erzeugt bei gleichbleibender Gesamtleistung eine höhere Wärmedichte.

Höhere Temperaturen verkürzen die Lebensdauer erheblich. Der Energieaufwand für Entwärmung oder Kühlung auf eine sichere Arbeitstemperatur kann bis zu dreimal so hoch sein wie der Energieaufwand für die Logik. Effektive Kühlung spart Energie und schont somit die Umwelt.

Entwärmungstechniken und Kühlverfahren

Mit Kühlflüssigkeit durchströmter Kühlkörper direkt auf dem Chip (Bild: Rittal)
Mit Kühlflüssigkeit durchströmter Kühlkörper direkt auf dem Chip (Bild: Rittal)
Bei der Entwärmung wird die im Betrieb entstandene Wärme entfernt, weil sie von den heißen Chips oder Karten an eine größere Oberfläche und anschließend an die Umgebungsluft weitergeleitet wird. Bei der Wärmeleitung wird die Wärme zuerst über Metallstrecken oder Wärmeröhren (heat pipes) weggeleitet und dann ebenfalls an die Umgebungsluft abgegeben.

Ein vorgekühltes Medium (Luft oder Kühlflüssigkeit) kann die entstehende Wärme direkt weitertransportieren und dadurch die Elektronik unter die Umgebungstemperatur abkühlen. Beim Wechsel des Aggregatzustandes, z.B. von flüssig auf gasförmig wie im Kühlschrank, kann besonders viel Wärme abtransportiert werden. Mit dieser Art der Kühlung können größere Wärmemengen sehr schnell abgeführt werden.

Flüssigkühlung im Chipgehäuse (Bild: VITA)
Flüssigkühlung im Chipgehäuse (Bild: VITA)
Der Vorteil der Flüssigkeitskühlung ist, dass weniger Luft durch den Geräteschrank geblasen wird. Das reduziert den Energieaufwand für die Gebläse und die Luft-Ein- und -Austrittsöffnungen können kleiner sein. Das reduziert die EMV-Probleme weil der Geräteschrank als Faraday'scher Käfig dichter wird.

Wärme abtransportieren, ableiten oder abstrahlen

Die erzeugte Wärmeenergie kann abtransportiert, abgeleitet oder abgestrahlt werden. Beim Wärmetransport (convection cooling) wird bewegte Luft oder Flüssigkeit als Transportmedium für die Wärmeenergie genutzt.

Bei der Wärmeleitung (conduction cooling) wird die Wärmeenergie über Metall, Thermo-Materialien oder Diamantstaub abtransportiert. Es wird also nur die Energie, nicht aber das Medium transportiert.

Bei der weniger effektiven Wärmestrahlung (thermal radiation) wird die Wärmeenergie direkt an die Umgebung abgestrahlt. Das kann allerdings auch bedeuten, dass benachbarte Bauteile erwärmt werden.

Meist werden gemischte Systeme aus Wärmeleitung und Wärmetransport genutzt. Bei Mikroprozessor-Chips wird die Wärmeenergie über das Chip-Gehäuse, eine Wärmeleitfolie oder Wärmeleitpaste und einen Kühlkörper aus Kupfer oder Aluminium an die Oberfläche der Kühlrippen abgeleitet und dann mit einem Luftstrom abtransportiert.

Lesen Sie weiter: Erwärmung vermeiden, Simulation und aktuelle Entwicklungen

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