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Wärme-, Akustik- und Leistungsprobleme bei Tablets lösen

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Eigenheiten der Wärmeverteilung im Tablet

Dann erstellte das Team ein thermisches Modell des Tablets, um verschiedene Wärmemanagementtechniken zu analysieren und die numerische Analyse der Wärmeverteilung im Gerät zu erleichtern sowie die Bedeutung von Luftspalten an verschiedenen Stellen und Abstrahlungen zu untersuchen.

Zur Kalibrierung des Modells verwendete es die experimentellen Daten. Diese Art von Modell dient als Testvehikel zur Bewertung alternativer Wärmemanagementtechniken ohne die Kosten für den Bau physikalischer Testprototypen.

Die Temperaturverteilung des validierten Modells wurde mit den Infrarotbildern verglichen. Bild 1 zeigt den Temperaturverlauf an der Oberfläche und Infrarotbildmessungen von der Bildschirmseite des Tablets.

Die Lüfter verfügen über abgewinkelte Lüftungsschlitze. Hinter den Lüftern befinden sich Wärmetauscher mit abgewinkelten Lamellen, die die Strömung mit etwa 45° von der Unterseite des Tablets aus lenken (Bild 2).

Obwohl die Einlassöffnungen für den Luftstrom neben den Abluftöffnungen liegen, lässt sich mit dieser Konstruktion die Rückführung der warmen Luft vermeiden.

Wenn sich das Gerät in der Nähe des isothermen Zustands befindet, erreicht es die maximale Wärmeübertragung an die Umgebung. Das Aufrechterhalten dieses idealen Zustands ist jedoch aufgrund der hohen Leistungsdichte während des Betriebs schwierig.

Das Tablet verfügt über zwei große Batterien, die eine vernachlässigbare Menge an Wärme abgeben. Die Batterien befinden sich in der Nähe des Prozessors und der Grafikverarbeitungseinheit, die mehr als 75% der Gesamtleistung aufnehmen, aber weniger als 1% der Tablet-Fläche belegen.

Obwohl Komponenten wie Batterien keine signifikante Wärme erzeugen, müssen sie im Vergleich zu den elektronischen Schaltungen auf ziemlich niedrigen Temperaturen gehalten werden. In diesem Tablet befinden sich die wärmeerzeugenden Komponenten an der oberen Abluftseite des Tablets.

Die Batterien sind an der Unterseite durch Kunststoffisolierwände isoliert. Die widersprüchlichen Anforderungen, das Tablet für eine bessere Wärmeübertragung im isothermen Zustand zu halten und die Notwendigkeit, die durch den Wärmestrom beeinflussten Komponenten zu isolieren, machen das thermische Design besonders schwierig.

Die Leitfähigkeit der Außenfläche ist einer der wichtigsten Parameter für die Wärmeverteilung im Tablet. Um unterschiedliche Leitfähigkeitswerte und deren Auswirkungen auf Bauteil- und Oberflächentemperaturen zu simulieren, verwendete das Team das thermische Modell des Tablet-Gehäusebodens.

Dem Geräuschpegel des Tablets auf der Spur

Der Geräuschpegel ist ein wichtiger ergonomischer Aspekt, der aber auch den Luftstrom zur Kühlung einschränkt, da er die maximal mögliche Lüfterdrehzahl begrenzt. Die Tests wurden in den Orfield Labs in Minneapolis durchgeführt. Das Labor ist frei von Hintergrundgeräuschen. Die Schallkammer der ist semi-echofrei, das heißt, alle Seiten außer dem Boden sind mit schallabsorbierenden Materialien bedeckt (freies Feld über einer reflektierenden Ebene).

Da die Kammer die Anforderungen für Präzisionsschallleistung erfüllt, mussten keine Rahmenbedingungen für die Messdaten festgelegt werden. Der Umgebungsgeräuschpegel unter 0 dBA wurde zu Beginn und am Ende des Tests dokumentiert. Um sicherzustellen, dass die Lüfter des Tablets kein Rauschen verursachen, wurden sie extern mit Strom versorgt und passiv gekühlt.

Der Schalldruckpegel wurde an einer halbkugelförmigen Oberfläche mit einem Radius von einem Meter gemessen. Gemäß ISO 3744 verwendete das Team die zehn „bevorzugten“ Mikrofonpositionen. Die Schallleistung wurde dann aus diesen Daten gemäß Standard bestimmt und für verschiedene Lüfterspannungen gemessen.

Für die vertikale und horizontale Positionierung des Tabletts ging man von einer Bedienerposition mit einem Abstand von ungefähr 28 cm aus, wie sie in der Norm ISO 7779 für Handheld-Geräte beschrieben ist. In der horizontalen Position betrug der Schalldruck 40,8 dBA, in der vertikalen Position waren es 38,5 dBA.

Zukünftig sollen die Auswirkungen des Einsatzes von Mikroverdampferkammern, Graphitspreizern und Phasenwechselmaterial analysiert werden. Bei der Durchführung der ersten Simulationen stellte das Team fest, dass eine verbesserte Wärmeverteilung auch die erforderliche Lüfterdrehzahl reduziert, was wiederum den Geräuschpegel und die Batterielebensdauer verbessert.

* Dr. John Parry arbeitet als Industry Manager Electronics bei Mentor Graphics in Hampton Court / UK.

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