Kühlung von Elektronik – Teil 1: Wärmemanagement mit passiver Kühlung

Nicht nur uns Menschen kann es bei viel Action oder den entsprechenden Außentemperaturen heiß werden, der Elektronik in einem Gehäuse geht es nicht anders. Hier helfen allerdings weder Sonnenschirm, Eis noch eine Erfrischung im kühlen Pool. Der Schlüssel bei der Kühlung von Elektronik liegt in einem optimierten Wärmemanagement, damit die Wärme möglichst schnell aus dem Gehäuse nach außen geleitet wird.

Auch so bleibt ein Gehäuse kühl ;-)

Elektronische Anwendungen werden immer handlicher und kleiner. Dazu werden sie natürlich in immer platzsparendere Gehäuse eingebaut, die außerdem auch noch häufiger als früher vor Staub und Wasser geschützt sind.

Immer mehr Funktionen auf einer vorgegebenen Fläche bedeuten eine steigende Packungsdichte, die wachsende Rechenleistung moderner Prozessoren gleichzeitig eine höhere Leistungsdichte.

Gibt es nun nur wenig Platz im Gehäuse und ist es für einen hohen IP-Schutz auch noch fast hermetisch von der Außenwelt abgeriegelt, sorgt die Verlustleistung der Elektronik für Ansammlungen heißer Luft (hot spots) und der Elektronik im Gehäuseinneren wird es schnell zu warm.

Das stellt das Wärmemanagement vor ganz schöne Herausforderungen, denn die Ableitung der Wärme ist in einem vollgepackten Gehäuse ist gar nicht so leicht.

Die Lösung liegt doch eigentlich auf der Hand: einfach ein breiteres Gehäuse einsetzen und damit die unerwünschten Wärmestaus vermeiden. So kann die Luft leichter zwischen den Bauteilen zirkulieren und die Wärme wird schnell abgeführt.

Zugegeben, wenn es immer so leicht wäre, ließ sich eine optimale Kühlung bei einem Gehäuse im Handumdrehen umsetzen. Die konstruktive Anpassung der Gehäusegröße ist allerdings nicht immer möglich und vor allem auch nicht immer gewünscht.

Welche Lösungen gibt es nun, wenn wie in diesen Fällen, die normale Bewegung der durchströmenden Luft nicht zur Kühlung ausreicht? Dann kommen aktive oder passive Kühlelemente im Gehäuse zum Einsatz.

Im Video geben Jan und Christian einen ersten Überblick über die richtige Kühlung von Elektronik und Batterien in einem Gehäuse. Danach geht’s weiter im Text 😊

Im ersten Moment klingt passive Kühlung vielleicht etwas weniger spektakulär als der aktive Gegenpart. Beim genauen Hinschauen ist es aber ganz schön spannend, wie Bauteile geräuschlos gekühlt werden, indem sie ihre Wärme ohne weiteres Zutun an andere Komponenten weitergeben.

Grundsätzlich ist es übrigens empfehlenswert, das Wärmemanagement bei der Entwicklung von elektronischen Produkten von Anfang an mitzudenken. Im Nachhinein mit einer passiven oder aktiven Kühlung eine Lösung für überhitzende Elektronikkomponenten zu finden ist meist sehr teuer und zeitaufwändig.

Reicht die durchströmende Luft im Gehäuse alleine nicht zum Kühlen aus, helfen Kühlkörper dabei, Temperatur im Gehäuseinneren zu regulieren.

Sie bestehen aus wärmeleitfähigen Materialien wie Kupfer, Federbronze oder Aluminium und werden an das zu kühlende Element angelegt. Die wärmeerzeugende Elektronikkomponente gibt nun ihre Wärme direkt an die anliegenden Oberflächen ab. Das passiert aufgrund einfacher physikalischer Gesetze völlig automatisch (deswegen auch der Begriff „passive Kühlung“).

Kühlkörper mit Kühlrippen aus Aluminium (gefräst)

Im Gehäuseinneren schaffen Kühlkörper aus Vollmaterial (z. B. Kühlklötze) Verbindungen zwischen den wärmerzeugenden Bauteilen, etwa einer Platine, und den Außenteilen des Gehäuses oder weiter (außen) angebrachten Kühlkörpern. Über diese Wärmeleitbrücken gelangt die Wärme schnell weg von der Elektronik und nach außen.

Noch stärker wird eine passive Kühlung durch Kühlrippen an der Gehäuseaußenseite, die die Oberfläche stark vergrößern. Die Wärme wird so besonders schnell an die Umgebungsluft abgegeben.

Ein effektives Wärmemanagement mit runden Kühlkörpern aus Vollmaterial, die als Auflage für die Elektronik und Wärmeleitbrücken dienen und Kühlrippen an der Außenseite des Gehäuses.

Als günstige Lösung kommen als Kühlkörper häufig Standard-Strangpressprofile aus Aluminium zum Einsatz, die sich auf Wunsch anpassen lassen und auch als Gehäusechassis dienen können.

Kleines Rechenbeispiel zur Wärmeabgabe zur Verdeutlichung der Kühlleistung einer passiven Kühlung:

Eine wärmeproduzierende Elektronikkomponente mit 85 °C gibt über den direkten Kontakt zu einem Kühlkörper aus Aluminium eine Verlustleistung von circa 28 W ab, allerdings nur bei einer Umgebungstemperatur von knapp 20 °C.

Bei einer doppelt so hohen Umgebungstemperatur kann nur noch knapp die Hälfte der Wärme (15 W) abgegeben werden. Das bedeutet, dass bereits eine niedrigere Umgebungstemperatur die Kühlung der Elektronik im Inneren eines Gehäuses erleichtert. Oder andersrum: eine höhere Umgebungstemperatur bedeutet eine größere Herausforderung beim Wärmemanagement.

Kühlkörper nach Maß

Nicht alle baulichen Anforderungen lassen sich mit Strangpressprofilen im Standardformat oder mit angepassten Strangpressprofilen erfüllen. Bei Hochleistungskühlkörpern kommen Kühlrippen punktuell nur dort zum Einsatz, wo sie auch tatsächlich am Gehäuse benötigt werden. Für das Wärmemanagement bedeutet dies eine noch bessere Temperaturverteilung und einen geringeren Druckabfall im Gehäuseinneren bei niedrigen Materialkosten.

Maßgefertigter Kühlkörper mit Kühlrippen aus Aluminium (gefräst)

Egal ob nun ein angepasstes Standardprofil oder ein individueller Kühlkörper verbaut wird, es ist fast unmöglich, den Kühlkörper absolut eben an die Kontaktflächen der Elektronikkomponenten anzubringen. Die mechanische Bearbeitung der Bauteile zeigt sich in (mikroskopisch) sichtbaren Spuren. Rillen, Riefen, Erhöhungen und Vertiefungen lassen luftgefüllte Hohlräume an den Übergängen entstehen, die die tatsächliche Kontaktfläche verkleinern und damit die Wärmeübertragung stark einschränken. Natürlich gibt es auch eine Lösung, um dieses Problem der passiven Kühltechnik zu lösen.

Luft zwischen einer Wärmequelle und dem anliegenden Kühlkörper verhindert eine optimale Abfuhr der Wärme. Hier kommt sogenanntes Thermal Interface Material (abgekürzt: TIM) ins Spiel, das die Lücke zwischen den beiden Komponenten schließt.

Bei kleineren Abständen zwischen Wärmequelle und Kühlkörper füllen Wärmeleitpasten die entstandenen Lücken einfach auf. Die Pasten unterscheiden sich je nach Zusammensetzung in ihrer Wärmeleitfähigkeit.

Wärmeleitpaste sorgt auf einem Kühlkörper für eine optimale Wärmeableitung von der Elektronikkomponente

In der einfachen Ausführung enthalten sie Silikonöl und Zinkoxid, während die kostspieligeren aber auch wärmeleitfähigeren Varianten auf Aluminium-, Kupfer-, Graphit- und Silberbestandteile oder gleich ganz auf Flüssigmetall setzen.

Nach Aufbringen der wärmeleitenden Paste werden die Komponenten aneinandergepresst und die eingeschlossene Luft verdrängt. Hier ist Fingerspitzengefühl gefragt, denn die Paste sollte möglichst ohne Luftlöcher und so dünn wie möglich verarbeitet werden, damit sich die Abstände zwischen den Bauteilen nicht vergrößern.

Größere Abstände zwischen Kühlkörper und Wärmequelle lassen sich mit Wärmeleitpads überbrücken, die je nach Anforderung in Form von Folien (z. B. aus Silikon, Kunststoff, Metall oder Grafit), Scheiben (Keramik, Glimmer) oder als thermoplastische Pads angebracht werden. Sie sind nicht nur leichter zu verarbeiten, mit ihnen lassen sich auch Gehäusetoleranzen ausgleichen. Wärmeleitpads von bis zu 0,3 mm sind dafür ideal.

Was passiert aber, wenn sich die Kühlkörper nicht so leicht neben den wärmeerzeugenden Komponenten platzieren lassen?

Gerade in den immer kompakter werdenden Gehäusen ist häufig nicht genügend Platz, um die Kühlkörper direkt an der Wärmequelle anzubringen. In diesen Fällen lässt sich die Verlustwärme mit einem weiteren passiven Bauteil – der sehr leitfähigen Heatpipe – zum Kühlkörper abführen.

Ein Kühlkörper nimmt Wärme von der Platine auf, diese wird per Heatpipe an die Kühlrippen außen am Gehäuse weitergeleitet.

Heatpipes sind mit einer geringen Menge einer verdampfbaren Flüssigkeit (bspw. Wasser, Ethanol) befüllte, geschlossene Rohre aus Kupfer, die sich ebenfalls ein einfaches physikalisches Prinzip zu Nutze machen. Die Verlustwärme der elektronischen Komponente lässt die Flüssigkeit im Rohr verdampfen, allerdings kann sie nicht entweichen. Der Dampf strömt aufgrund des Druckgefälles in die kältere Umgebung. Dort kondensiert er und gibt seine Energie an der Übergabestelle über das Rohr an die Kühlsenke und so an die Umgebung ab.

Kapilarkräfte sorgen anschließend dafür, dass das flüssige Arbeitsmedium zurück zur Wärmequelle transportiert wird. Nach diesem Prinzip wird nun kontinuierlich die Verlustwärme der elektronischen Komponente abgeführt. Im Gegensatz zur Verwendung üblicher Kupferstäbe ist eine passive Kühlung über Heatpipes nicht nur wirkungsvoller, sie ist auch eine deutlich leichtere Alternative.

Eine ganz schön coole Sache also, die passive Kühlung von Elektronikkomponenten. Als Entscheidungshilfe für die Frage, bei welchen Anwendungen sich eine passive Kühlung anbietet, hilft unsere Checkliste.

Das spricht für eine passive Kühlung:

In einer kühlen Box können also nicht nur Erfrischungsgetränke stecken, sondern auch ein ausgefeiltes Wärmemanagement, das dafür sorgt, dass die Elektronik im Inneren keinen Hitzschlag bekommt.

Übrigens: unser neu aufgelegtes Cool-Box Gehäuse hat in Sachen Kühlung auch einiges zu bieten. Je nachdem wie heiß es bei Ihrer Elektronik hergeht, wird die Wärme über einen Kühlkörper an den Gehäusedeckel aus Aluminium abgeführt. Bei der Supercool-Box sorgen zusätzliche Kühlrippen am Gehäusedeckel für noch mehr Kühlung.

Das Cool-Box-Gehäuse mit effektiver passiver Kühlung. Kühlkörper in der Cool-Box leiten die Wärme schnell an das Äußere des Gehäuses ab.

In der Supercool-Box sorgen Kühlrippen am Gehäusedeckel für eine noch schnelle Abfuhr der Wärme.

Sie haben Elektronik, die kühl bleiben soll? Rufen Sie uns doch einfach mal (07151 959 30 0) an oder schreiben Sie uns eine Mail (vertrieb@merath.com). Wir freuen uns immer über neue coole Projekte!

Natürlich ist eine passive Kühlung nur eine Seite der Medaille und auch nicht für jeden Zweck die optimale Lösung. Was es bei der aktiven Kühlung von Elektronik zu beachten gibt und wie genau Wärmemanagement mit aktiver Kühltechnik funktioniert erfahren Sie in unserem Artikel zur aktiven Kühlung von Elektronik.