Ein Vergleich aktiver Kühlverfahren für elektronisches Equipment

Bei Elektronik ist die Kühlung ziemlich wichtig. Ich weiß das, weil einmal ein Teil meines Laptop-Motherboards geschmolzen ist. Ich kaufte mir 2010 einen Luxusklasse-Computer, um ein neues, grafikintensives Videospiel auszuprobieren. Der Computer hatte eine beeindruckende Grafikkarte, aber das Wärmemanagement war viel zu klein dimensioniert. Ich hätte mir denken können, dass es Probleme gab, als die Tastatur beim Spielen zu heiß zum Anfassen wurde. Kurz darauf war mein Computer hinüber. In der Werkstatt sagten sie mir, dass etwas im Inneren geschmolzen wäre. Zum Glück hatte ich noch Garantie darauf, sodass der Hersteller die Rechnung bezahlen musste. Mit einem leistungsfähigeren Kühlsystem hätte das Debakel vielleicht vermieden werden können. Wenn Sie nicht möchten, dass Ihr Design wegschmilzt, sollten Sie sich die verschiedenen Kühlverfahren ansehen, die Ihre Schaltungen kühl halten können. Dazu gehören Lüfter, Ionenwindgeneratoren und piezoelektrische Blasebälge. Jeder Wärmemanagement-Prozess hat seine Vor- und Nachteile, die Sie bei Ihrer Entscheidung abwägen müssen.

Optimale Kühlung

Sie wollen Ihre Platinen nicht nur davor bewahren, in Flammen aufzugehen, sondern wollen das auch auf optimale Weise tun. Wenn Sie mit eingebetteten Systemen oder anderen Anwendungen mit knappem Energiebudget zu tun haben, brauchen Sie ein möglichst effizientes Kühlsystem. Außerdem soll Ihr Kühlprozess nicht zu viel Platz in Anspruch nehmen oder viel Wartung erfordern. Deshalb gehe ich bei jedem System auf die Leistungsaufnahme, die Größe und den Wartungsaufwand ein.

^{Dieses Kühlsystem würde ich nicht empfehlen.}

Lüfter

Nachdem mein Laptop geschmolzen war, wurde die Grafikkarte durch eine weniger leistungsstarke Version ersetzt, die nicht so viel Wärme produzierte. Allerdings überhitzt mein Computer noch immer. Deshalb habe ich jetzt immer einen Tischventilator daneben stehen, wenn der Computer läuft. Sehen wir uns doch einmal die Lüfter an, die in Computern verbaut werden.

• Stromverbrauch – Lüfter werden am häufigsten zur aktiven Kühlung eingesetzt, weil sie zunächst einfach und ziemlich günstig sind. Allerdings verbrauchen Sie relativ viel Strom. Wenn Sie ein stromsparendes PCB entwickeln, wäre eine Kühlung mit Ihrem Standardlüfter nicht zu empfehlen. Es gibt allerdings auch Ausnahmen wie den Sandia Cooler von Sandia Laboratories. Dieser Lüfter ist sehr effizient und verbraucht bis zu 7 % weniger Energie als ein üblicher Lüfter.
• Größe – Kleine Dinge suchen Sie besser woanders. Lüfter sind sperrig und brauchen eine Art Montagerahmen und Motor. Sie passen also eher zu Makro‑ als zu Mikro-Lösungen.
• Wartungsaufwand – Obwohl sie nicht so viel Wartung erfordern wie andere Systeme, müssen Lüfter doch recht oft gereinigt werden. Staub setzt sich an ihnen ab, reduziert ihre Leistung und erhöht die Gefahr einer Überhitzung mit dem Resultat eines möglichen Schmelzens. Auch hier bietet der Sandia Cooler eine Lösung. Er rotiert wesentlich schneller als ein üblicher Lüfter und wirft alle Staubkörner ab, die sich festsetzen wollen.

Ionenwindgeneratoren

Wenn ich „Ionenwind“ höre, denke ich an furchteinflößende Böen im Weltraum. Die Realität ist indes nicht ganz so spektakulär. Ionenwindgeneratoren (auch als Korona-Entladung oder Ionenstrahler bezeichnet) bestehen aus einer positiv geladenen und einer negativ geladenen Platte. Das elektrische Feld zwischen den Platten erzeugt einen leichten Luftstrom. Da dieser ohne bewegliche Teile erzeugt wird, ist diese Lösung absolut leise.

• Stromverbrauch – In Sachen Leistung liegen Ionenwindmotoren über herkömmlichen Lüftern. Sie sind definitiv effizienter – allerdings muss noch ermittelt werden, um wie viel genau. Damit eignen sie sich für stromsparende Anwendungen.
• Größe – Ionenwindgeneratoren bestehen einfach nur aus zwei geladenen Platten, sodass sie einfacher in ein Gehäuse passen als Lüfter. Sie können die Platten eng beieinander, weit voneinander entfernt oder auf andere Weise anordnen. Die Stromversorgung für dieses System kann jedoch Probleme machen, da die Eingangsspannung stark hochgesetzt werden muss.
• Wartungsaufwand – Wenn Sie ein Segelboot mit Ionenstrahlern antreiben wollten, kämen Sie wahrscheinlich nicht sehr weit. Dieses System ist nicht sehr zuverlässig, da die positiv geladene Platte aufgrund ihrer Ladung schnell oxidiert. So sinkt der Wirkungsgrad des Generators rapide und in Sachen Kühlung herrscht Flaute.

Piezoelektrische Blasebälge

Statt eines vibrierenden Lüfters hätte ich zur Kühlung meines Laptops auch einfach einen Blasebalg benutzen können. Allerdings muss den jemand bedienen und ich habe gerade keine Schmiedelehrlinge zur Hand. Außerdem passt ein Blasebalg nicht in ein PCB. Piezoelektrische Blasebälge bestehen aus zwei Platten aus piezoelektrischem Material, die vibrieren, wenn Strom hindurch fließt. Diese Vibration lässt Luft hinein und hinaus strömen, wie ein Lüfter. Das Modell von GE ist 4 mm dick, also eine sehr schlanke Lösung.

• Stromverbrauch – Leute, wir haben einen Gewinner. Dieses merkwürdige System verbraucht schätzungsweise ein Zehntel des Stroms, den herkömmliche Lüfter ziehen. Wenn Sie also eine energieeffiziente Lösung brauchen: Hier ist sie.
• Größe – Piezoelektrische Blasebälge brauchen nicht viel mehr Platz als ein Ionenwindgenerator. Sie eignen sich also perfekt für kleine Formate.
• Wartungsaufwand – Um ehrlich zu sein, bin ich mir bei diesem Kühlsystem nicht sicher, welche Wartung es braucht. Allerdings wurde in keinem der Artikel, die ich gelesen habe, eine Wartungsarbeit erwähnt. Ich würde mir also nicht allzu viele Gedanken darüber machen.

Flüssigkeitskühlung

Wenn Sie wie ich gern einmal zocken, sind Sie bestimmt mit Flüssigkeitskühlung vertraut. Wenn Sie schon etwas reifer als ich sind: Flüssigkeitskühlsysteme transportieren Wärme mithilfe einer Flüssigkeit (Wasser, Kühlmittel, nichtleitendes Öl) anstatt mit Luft. Luft ist praktisch ein Isolator und eignet sich daher wenig zur Wärmeableitung. Flüssigkeitskühlsysteme dagegen können die Wärme 2- bis 10-mal schneller von der Elektronik ableiten als herkömmliche Systeme.

• Stromverbrauch – Im großen Maßstab kann eine Flüssigkeitskühlung wesentlich effizienter sein. Mit großem Maßstab meine ich jedoch Serverfarmen. Bei kleineren Anwendungen geht das Geld, das Sie bei den Betriebskosten sparen, wahrscheinlich für die Anschaffungskosten drauf.
• Größe – Diese Teile sind groß, und zwar sehr groß. Die Leute prahlen oft mit ihrer Flüssigkeitskühlung, daher nehmen sie so viel Platz ein wie möglich. Selbst mit bescheidener Ausstattung benötigen sie jede Menge Raum. Bei einem Rechenzentrum hat man wahrscheinlich Platz genug, aber bei mobilen Anwendungen klappt es garantiert nicht.
• Wartungsaufwand – Eine Flüssigkeitskühlung enthält viele bewegliche Teile, die irgendwann ausfallen können. Außerdem besteht ein hohes Risiko, dass bei einem Leck Ihre Elektronik zerstört wird. Ich würde dieses System niemandem empfehlen, der bei einem Ableben seiner Schaltung ernste Probleme bekommt.

Abschließender Vergleich

Wir haben uns gerade vier aktive Kühltechnologien angesehen. Welche sollten Sie verwenden? Wenn Sie viel Kühlung auf kleinem Raum wollen, greifen Sie zum piezoelektrischen Blasebalg. Durch das extrem schlanke Format sparen Sie Platz. Wenn die Größe Ihres Systems nach begrenzt ist, dürfte eine Flüssigkeitskühlung die optimale Lösung für Sie sein. In Sachen Wartung steht es unentschieden zwischen dem Blasebalg und herkömmlichen Lüftern, da noch nicht klar ist, welche Wartung die Bälge brauchen.

Jetzt haben Sie mehrere Kühlsysteme zur Auswahl und können ein heißes PCB entwerfen. Die perfekte Lösung dafür gibt es schon: CircuitStudio. Die Software bietet Funktionen, die Sie noch gar nicht kannten, und macht das Layout zum Kinderspiel.

Haben Sie noch mehr Fragen zur Kühlung? Dann rufen Sie einen Experten bei Altium an.