Einführung
In unserer heutigen Welt, in der die Zeit immer knapper wird, weil die Menschen unterwegs arbeiten, sind elektronische Geräte zu einer Notwendigkeit geworden. IT-bezogene Geräte oder sogar Transportmittel wie Autos und Rechenzentren arbeiten mit verschiedenen elektronischen Geräten für eine bessere Produktivität. Da diese elektronischen Komponenten immer leistungsfähiger und kleiner werden, erzeugen sie auch eine Menge Wärme, die, wenn sie nicht richtig kontrolliert wird, zu einer verminderten Leistung und potenziellen Beschädigung der Geräte führt. An dieser Stelle kommt das Wärmemanagement ins Spiel.
Unter Wärmemanagement versteht man den Ansatz zur Regulierung der in einem Gehäuse erzeugten Wärme, um eine akzeptable Leistung zu erreichen und Schäden während des Betriebs zu vermeiden. Es umfasst eine Kombination von Maßnahmen und Technologien, die dazu dienen, die Wärme von kritischen Komponenten abzuführen, so dass diese unterhalb der Nenntemperatur oder der festgelegten Höchsttemperatur arbeiten können. In diesem Beitrag werden wir uns aufwärmen und den Schwerpunkt auf strukturelle Aspekte des Wärmemanagements, seine Bedeutung in modernen Geräten und verschiedene Möglichkeiten seiner Umsetzung legen.
Wärmemanagement verstehen
In den meisten modernen elektronischen Systemen wird das Wärmemanagement als eine Vielzahl von Taktiken und Technologien betrachtet, die darauf abzielen, die Temperatur von elektronischen Teilen und mechanischen Prozessen und Systemen zu regulieren. Es gilt, Lösungen zu entwickeln, zu prüfen und zu verwirklichen, die die Wärmeaufnahme vermindern, so dass die Systeme innerhalb des optimalen Temperaturbereichs bleiben, in dem die erforderlichen Tätigkeiten ausgeführt werden können. In jedem Fall werden sich die Leistung, die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der elektronischen Geräte verschlechtern, wenn diese Faktoren nicht angemessen berücksichtigt werden.
Folgen eines schlechten Wärmemanagements für die Geräteleistung
Eine schlechte Wärmekontrolle kann schwerwiegende Folgen für die Leistung und damit für die Lebensdauer des betreffenden Geräts haben. Wenn elektronische Komponenten zu viel Wärme erzeugen, kann dies zu verschiedenen Problemen führen:
Verschlechterung der Leistung: Ein dauerhafter Betrieb bei erhöhten Temperaturen führt dazu, dass Geräte und Komponenten Selbstdrosselungsmechanismen anwenden, um sich vor Belastungen und Fehlfunktionen zu schützen, die zu langsameren Geschwindigkeiten und geringeren Aktivitäten führen.
Weniger Zuverlässigkeit: Die Innentemperatur des Geräts beschleunigt das Absterben seiner Teile und erhöht somit das Risiko eines Ausfalls und verringert die Lebensdauer des Geräts.
Katastrophische Ereignisse: In sehr drastischen Fällen können Geräte so stark beschädigt werden, dass sie körperlich gefährlich werden können, mit dem Risiko von Verbrennungen oder anderen extremen hitzebedingten Gefahren.
Aus einem Bericht des National Renewable Energy Laboratory NREL geht hervor, dass elektronische Bauteile bei einem Temperaturanstieg von mehr als 10 °C um bis zu 50 % abfallen.
Die wachsende Bedeutung des Wärmemanagements
Da es sich um den kritischsten Aspekt elektronischer Geräte handelt, ist das Wärmemanagement ein integraler Bestandteil aller persönlichen elektronischen Geräte, die immer mobiler und leistungsfähiger werden und damit immer mehr Aufmerksamkeit auf sich ziehen. Es gibt mehrere Gründe, die diesen Trend begünstigen:
Erhöhung der Leistungsdichte: Da elektronische Komponenten immer kleiner und leistungsfähiger werden, erzeugen sie mehr Wärme auf kleinerem Raum, was ein effizientes Wärmemanagement erschwert.
Miniaturisierung: Der Trend zur Miniaturisierung bedeutet, dass die Komponenten immer dichter gepackt werden, was zu hohen Temperaturen führt und das Wärmemanagement noch schwieriger macht.
Leistungsstarke Anwendungen: Bei den neuen Technologien, die auf 5G, künstlicher Intelligenz, virtueller Realität und dergleichen basieren, handelt es sich um High-End-Elektronik, die viel Wärme erzeugt und effiziente Wärmemanagementsysteme erfordert.
Durch die Wahl der richtigen Wärmemanagementprodukte und -technologien und die richtige Anwendung des Systems kann man die Temperatur des Systems bequem und sicher kontrollieren und effizient arbeiten.
Grundlagen der Wärmeübertragung
Um die Temperatur elektronischer Geräte wirksam kontrollieren zu können, ist es wichtig, die Bedeutung einer effizienten Wärmeübertragung zu erkennen. Die Wärmeübertragung erfolgt auf drei Arten: Leitung, Konvektion und Strahlung.
Konduktion: Die Grundlagen und die Bedeutung
Unter Wärmeleitung versteht man die Übertragung von Wärme durch direkten physischen Kontakt zwischen zwei Objekten. Bei elektronischen Produkten ist die Wärmeleitung offensichtlich, wenn die wärmeerzeugenden Elemente Wärme an den sie umgebenden Rahmen, wie die Leiterplatte oder das Gehäuse des Geräts, abgeben. Die Geschwindigkeit, mit der die Wärmeleitung erfolgt, hängt von der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien ab; Materialien wie Kupfer und Aluminium sind gute Wärmeüberträger.
Die Methode der Wärmeübertragung, d. h. die Flüssigkeits- oder Gasleitung, spielt beim Wärmemanagement ebenfalls eine wichtige Rolle, da die von der Wärmequelle gewonnene Wärme opportun in die Geräteteile oder in ein anderes Kühlkörpermodell kanalisiert wird. Dadurch wird auch die Verwendung von Wärmeleitmaterialien optimiert und ein geeignetes Leitungsdesign ermittelt, so dass die Wärme, die typischerweise von den Kernteilen ausgeht, in der kürzest möglichen Zeitspanne abgeleitet wird.
Konvektion: Wie sie im Wärmemanagement funktioniert
Konvektion ist definiert als die Bewegung von Wärme durch die Zirkulation von Flüssigkeiten oder Gasen. Im Falle der Elektronik tritt Konvektion auf, wenn die Luft oder Flüssigkeit um die heißen Teile eines elektronischen Geräts herum versucht, die Wärme von diesen Teilen zu absorbieren. Es ist wichtig zu wissen, dass es zwei Arten von Konvektion gibt: natürliche Konvektion und erzwungene Konvektion.
Die natürliche Konvektion nutzt den Umgebungswind, der durch ein thermisches Ungleichgewicht verursacht wird, so dass wärmere Luft aufsteigt und kühlere Luft nach unten fällt. Diese Art der Konvektion findet sich am besten in Systemen mit passiver Kühlung, z. B. in Kühlkörpern mit Komponenten auf dem äußeren Luftweg, die eine Luftbewegung um die Lamellen herum ermöglichen.
Bei der erzwungenen Konvektion werden mechanische Hilfsmittel wie Lüfter oder Pumpen eingesetzt, um Luft oder ein anderes flüssiges Kühlmittel über die heißen Teile und Komponenten zu blasen - oder anderweitig anzutreiben. Diese Art der Wärmeübertragung ist effizienter als die natürliche Konvektion und stellt die normale Situation in einem aktiven Kühlsystem dar, das lüftergekühlte Kühlkörper und Flüssigkeitskühlsysteme umfasst.
Strahlung: Ihre Rolle bei der Wärmeableitung verstehen
Strahlung wiederum ist die Methode zur Übertragung von Wärme in Form von Energie durch elektromagnetische Wellen, bei der kein Kontakt und keine Medien erforderlich sind, um die Bewegung der Wärmeenergie zu unterstützen. Bei ihren Bemühungen, Wärme aus elektronischen Geräten zu entfernen, betrachten Ingenieure Strahlung als eine weniger effektive Kühlmethode im Vergleich zu Leitung und Konvektion. Dennoch kann sie für das gesamte Wärmemanagement eines Geräts hilfreich sein.
Diese Art der Wärmeübertragung findet statt, wenn die Oberflächen der Bauteile des Geräts mit hoher Temperatur elektromagnetische Wellen abstrahlen, die von den Bauteilen des Geräts mit niedrigerer Temperatur oder dem umgebenden Raum aufgefangen werden. In solchen Situationen wird die vom Gerät abgestrahlte Wärme durch mehrere Variablen erreicht, darunter der Temperaturunterschied zwischen den abstrahlenden und den empfangenden Oberflächen, das Emissionsvermögen der Oberflächen und die für die Abstrahlung vorgesehene Fläche.
Ungeachtet der Tatsache, dass die Strahlung normalerweise nicht im Mittelpunkt einer Strategie zur Wärmekontrolle steht, müssen ihre Auswirkungen bei der Wärmekontrolle elektronischer Geräte angemessen berücksichtigt werden. Durch die Verwendung von Materialien mit hohem Emissionsgrad und die Bereitstellung einer angemessenen Oberfläche für die Strahlung können die Geräteingenieure die Wärmeableitung des Geräts verbessern.
Thermisches Management: Aktive Kühlungstechniken
Bei aktiven Kühlmethoden werden externe Energiequellen in die thermischen Abbauprozesse elektronischer Geräte einbezogen. Sie werden eingesetzt, wenn die passiven Kühltechniken nicht ausreichen, um die thermische Energie und die Temperaturkontrollparameter zu bewältigen.
Ventilatoren und Gebläse
Ventilatoren und Industriegebläse sind ebenfalls grundlegende aktive Lösungsbestandteile, die die Luftbewegung und die Konvektion von Wärme innerhalb der Geräte fördern. Sie saugen die kalte Luft aus der Umgebung an und blasen sie auf die wärmeerzeugenden Komponenten oder die Wärmesenken, wodurch die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird.
Lüfter werden hauptsächlich in kleinen bis mittelgroßen elektronischen Geräten eingebaut, z. B. in Desktops oder Laptops oder in Schränken. Sie sind billig, einfach zu verwenden und zu montieren und können in den meisten normalen Situationen für ausreichende Temperaturen sorgen. Im Gegensatz dazu können Lüfter laut sein, und sie erweisen sich bei Geräten, die einen praktisch geräuschlosen Betrieb mit hohen Verlustleistungen erfordern, als eher schwierig.
Gebläse sind im Vergleich zu Lüftern robuster und effizienter bei der Beförderung von Luft in größeren Mengen und mit höherem Druck. Solche Geräte sind häufig in ressourcenintensiven Anwendungen wie Supercomputern oder Industriemaschinen mit starker Wärmeentwicklung zu finden. Gebläse sorgen in der Regel für eine bessere Kühlung als Lüfter, kosten aber mehr und verbrauchen wahrscheinlich mehr Strom.
Bei der Auswahl von Ventilatoren oder Gebläsen für eine bestimmte Anwendung müssen die Ingenieure den Luftdurchsatz, den statischen Druck, das Geräusch und den Spannungsverbrauch berücksichtigen. Gleichzeitig müssen der Standort und die Ausrichtung der Ventilatoren oder Gebläse richtig sein, um eine gleichmäßige Luftbewegung und Wärmeabfuhr zu ermöglichen.
Flüssigkeitskühlung
Die Flüssigkeitskühlung ist eine Technik zur Wärmeabfuhr, bei der eine aktive Kühlung durch die Zirkulation einer Flüssigkeit, in der Regel Wasser oder eine spezielle thermische Flüssigkeit, durch die elektronischen Chips erfolgt, um die Wärme abzuführen. Im Gegensatz zur Luftkühlung ist diese Art der Kühlung effizienter, da sie leichter zu kontrollieren ist, wenn Flüssigkeit verwendet wird, da sie eine große Wärmekapazität und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft hat.
Flüssigkeitskühlsysteme können in zwei Typen unterteilt werden:
Geschlossene Systeme: Diese Art von Flüssigkeitskühlsystem besteht aus einem vorgefüllten und vollständig abgedichteten Kreislauf mit flüssigem Kühlmittel. Das flüssige Kühlmittel zirkuliert über mehrere Rohre in direktem Kontakt mit den Wärmequellen und führt die Wärme an einen Kühler oder Wärmetauscher ab. Geschlossene Systeme sind für ihre mühelose Installation und Kosteneffizienz bekannt, können aber im Vergleich zu anderen Kühlmethoden kostspielig sein.
Offene Systeme: Bei dieser Art von System werden externe Geräte wie ein Behälter, eine Pumpe und Schläuche verwendet, um den Flüssigkeitsstrom innerhalb des elektronischen Geräts zu erleichtern. Diese Kühlflüssigkeit wird in die Komponenten zurückgeschleudert und zurück in den Behälter gepumpt, wo die warme Flüssigkeit abgekühlt und dann wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird. Im Allgemeinen sind Systeme mit offenem Kreislauf vorteilhafter, allerdings sind sie komplizierter und empfindlicher.
Bei der Konstruktion eines Flüssigkeitskühlsystems für eine bestimmte Anwendung müssen die Ingenieure eine Reihe von Parametern berücksichtigen, z. B. die von den einzelnen Komponenten erzeugte Wärmemenge, die thermischen Eigenschaften des Kühlmittels, den Durchfluss und den Druck des Systems sowie den Integrationsgrad des Gesamtsystems. Auch Wartungsverfahren wie der Austausch des Kühlmittels nach einem bestimmten Zeitplan und die Erkennung und Behebung von Leckagen sind entscheidend für die angestrebte Zuverlässigkeit und Effektivität der Flüssigkeitskühlungslösung.
Passive Kühltechniken
Passive Kühltechniken umfassen die Nutzung verschiedener natürlicher Wärmeübertragungsmechanismen wie Konvektion und Strahlung, um Wärme von elektronischen Komponenten abzuleiten. Diese Techniken erfordern keine externe Energiezufuhr und werden in der Regel zusammen mit anderen aktiven Kühltechniken eingesetzt, um eine bessere thermische Leistung zu erzielen.
Wärmesenken
Kühlkörper werden auch als thermische Wärmeableiter bezeichnet, die in elektronischen Geräten verwendet werden, um übermäßige Hitze zu bewältigen. Da sie einen hohen Wirkungsgrad haben, bestehen sie aus Aluminium und Kupfer und haben eine große Fläche und Oberfläche mit Rippen oder Stiften, um die Wärmeübertragung durch Konvektion zu verbessern.
Im Falle zusätzlicher aktiver Kühllösungen mit Lüftern oder Gebläsen tragen die Kühlkörper wirksam zur Verbesserung der Kühlung innerhalb eines Systems bei. Die Heizung/Lüfter/Gebläse sprüht kühle Luft auf die Außenfläche des Kühlkörpers, um die Konvektion zu verbessern, so dass die Kühlkörper mehr Wärme abführen können. Diese Kombination garantiert eine hervorragende Temperaturkontrolle bei High-End- und Hochleistungsgeräten.
Die Auswahl des richtigen Kühlkörpers hängt von Faktoren wie der von der Komponente abgegebenen Wärme, dem Platz im Gerät und dem Umfang der erforderlichen Leistungskühlung ab.
Um verschiedene elektronische Geräte effektiv zu kühlen, werden Kühlkörper in verschiedenen Formen und Größen hergestellt. Einige gängige Typen sind:
Extrudierte Wärmesenken: Sie gehören zu der Kategorie, die durch das Extrusionsverfahren hergestellt wird und daher einfache Rippenstrukturen aufweist. Sie sind effizient in den Produktionskosten und in vielen Bereichen einsetzbar.
Geklebte Rippenkühlkörper: Diese Kühlkörper bestehen aus Rippen, die an einem Sockel befestigt sind und komplexere Designs und eine effizientere Kühlung ermöglichen.
Kühlkörper mit gefalteten Rippen: Sie bestehen aus dünnen Stahlblechen, die in Anordnungen wie Rippen eingebaut sind, und haben ein geringes Gewicht, was eine kostengünstige und effiziente Wärmeübertragung ermöglicht.
Thermische Grenzflächenmaterialien (TIMs)
Die Verwendung von Wärmeschnittstellenmaterialien (TIMs) ist eine passive Lösung von größter Bedeutung für die Verbesserung der thermischen Verbindung zwischen dem elektronischen Gerät und dem Kühlkörper. TIMs werden verwendet, um die kleinen Luftlöcher und Oberflächenrauhigkeiten zu füllen, die Barrieren für die Wärmeübertragung darstellen.
TIMs gibt es in verschiedenen Varianten, darunter:
Thermische Fette oder Pasten: Dabei handelt es sich um zähflüssige und mäßig dicke Materialien, die sich gleichmäßig an den Grenzflächen verteilen lassen und zwischen Bauteil und Senke eingewickelt werden. Sie bieten bemerkenswerte Wärmeübertragungseigenschaften, obwohl sie nicht nachgiebig und unordentlich sind.
Wärmeleitpads: Sie sind fest und werden in der bevorzugten Ansicht des Benutzers geschnitten und an Stellen geklebt, an denen hohe Temperaturen herrschen. Sie variieren auch nicht sehr in ihrer Wirksamkeit, lassen sich aber im Gegensatz zu Fetten leichter auftragen.
Phasenwechselmaterialien (PCM): Dabei handelt es sich in der Regel um Phasenwechselmaterialien oder PCM, die bei bestimmten Temperaturen schmelzen und so Oberflächenrauhigkeiten ausgleichen, während sie 100% scheinbare Wärmeübertragung bieten. Diese sind zwar wirksam, aber im Vergleich zu anderen TIMs in der Regel kostspielig.
Bei der Auswahl eines TIM müssen die Ingenieure den thermischen Grenzwiderstand und die Zeit, die für das Auftragen des Materials benötigt wird, sowie die Eigenschaften dieses Materials im Laufe der Zeit berücksichtigen. Die richtige Menge ist sehr wichtig, um eine übermäßige Wärmedämmung oder das Vorhandensein von Hohlräumen im Material zu vermeiden, da diese Faktoren die Temperaturregelung beeinträchtigen können.
Herausforderungen im Wärmemanagement
Wärmemanagement in Geräten mit hoher Leistung
Elektronische Hochleistungsgeräte, z. B. Server in Rechenzentren und Leistungselektronik in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder fortschrittlichen Luft- und Raumfahrtsystemen, leisten unglaublich viel und haben eine sehr hohe Leistungsdichte, so dass sie viel Wärme erzeugen. Daher ist es wichtig, die von den Systemen erzeugte Wärme zu kontrollieren, um eine höhere Effizienz zu erreichen, damit sie optimal, zuverlässig und sicher arbeiten können.
Das Wärmemanagement von Hochleistungsgeräten wird durch den begrenzten Platz für Kühllösungen erschwert. Da die Geräte immer kleiner und kompakter werden, gibt es wenig Platz für herkömmliche Kühlvorrichtungen wie große Kühlkörper oder Lüfter. Die Nachfrage nach phantasievolleren und platzsparenderen Möglichkeiten zur Kühlung des Geräts bzw. zur Wärmeableitung, wie z. B. spezielle Flüssigkeitskühlsysteme oder neue Materialien, die wärmeleitfähiger sind als die üblichen Materialien, steigt.
Ein weiteres Problem ist die ungleichmäßige Wärmeableitung innerhalb der Hochleistungsgeräte. Bestimmte Teile wie Prozessoren und Leistungstransistoren erzeugen viel mehr Wärme als der Rest, wodurch sich heiße Bereiche bilden, in denen die thermischen Belastungen verstärkt werden, wodurch die Lebensdauer des gesamten Systems verkürzt wird. Aus diesem Grund sollten Maschinenbauingenieure Methoden zur lokalen Wärmeabfuhr wie direkte Flüssigkeitskühlung oder fortschrittliche Wärmemanagementansätze wie Wärmeschnittstellenmaterialien einsetzen, die für diese Komponenten entwickelt wurden.
Sicherstellung der Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen
Jede Technologie muss auch dort effektiv sein, wo Faktoren wie hohe Temperaturen, Feuchtigkeit oder Vibrationen vorherrschen. Solche Bedingungen können die Belastung für das Wärmemanagementsystem weiter erhöhen und damit die Zuverlässigkeit des Geräts beeinträchtigen. Zu den Vorteilen der elektronischen Verpackung gehört unter anderem die Benetzung mit warmen Elektrolyten. Dies stellt eine Herausforderung bei der Integration dar, die Grenzen hinsichtlich der Abmessungen und des Gewichts auferlegt, insbesondere bei Anwendungen im Automobilbereich.
Ein besonderes Beispiel für eine extreme thermische Umgebung ist der Motorraum und seine Interdependenz mit den hydraulischen Faktoren. In Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt und der Verteidigung ist die Integration von Elektronik auf der AT-Ebene praktisch, aber die dramatischen Arbeitsbedingungen sind sehr hart. Das Ziel besteht darin, eine Über- oder Unterauslegung der Komponenten zu vermeiden, damit die Wärmemanagementsysteme langlebig und robust genug sind, um die zusätzliche Belastung zu bewältigen. Dazu kann auch die Verwendung spezieller Konstruktionen, Kunststoffe und Legierungen gehören, selbst wenn die zu haltende Temperatur relativ hoch ist. Die allererste Maßnahme ist natürlich eine Art Dehnungsentlastung für heiß laufende Rohrsysteme oder eine Geschwindigkeitsentlastung.
Ein weiteres Mittel zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen ist die Durchführung umfangreicher Tests und Validierungen. Die Ingenieure müssen dafür sorgen, dass das Wärmemanagementsystem einer Reihe von Umwelt- und Betriebsbedingungen ausgesetzt wird, um mögliche Schwachstellen und Ausfallmodi zu ermitteln. Durch solche harten Tests kann das System in der Konstruktion der Ingenieure optimiert werden, so dass die gelieferten Systeme und Geräte in der Praxis und unter den zu erwartenden realen Arbeitsbedingungen gut funktionieren.
Thermomanagement in spezifischen Anwendungen
Elektronische Geräte und Datenzentren
Elektronische Geräte & Datenzentren Die Anwendung von Wärmemanagement ist für Geräte wie Smartphones, Laptops und Desktop-Computer notwendig, um den Komfort und den Nutzen für ihre Benutzer zu erhalten. Sie verwenden in der Regel sowohl passive als auch aktive Kühlmethoden wie Kühlkörper und Lüfter mit Wärmeleitmaterialien, um die in den Bauteilen der Komponenten entstehende Wärme abzuführen.
Die Miniaturisierung und der Trend zur Erhöhung der Leistungsdichte gehören zu den wichtigsten Problemen beim Wärmemanagement von elektronischen Geräten. Wenn der Trend zur Miniaturisierung für viele Ingenieure funktioniert, so hat der Trend zu kompakten und leistungsfähigen Geräten auch seine Nachteile. Um dieses Problem zu lösen, arbeiten Spezialisten an der Entwicklung von flammenlosen Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. Scangraphen oder Kohlenstoffnanoröhren, die die Wärme effizient von den Bauteilen ableiten. Außerdem werden neue Kühlmethoden wie die Dampfkammerkühlung oder Lüfter entwickelt, um die Effizienz zu verbessern und gleichzeitig den Platzbedarf für solche Lösungen zu verringern.
In Rechenzentren wird heute eine Reihe von Techniken eingesetzt, um die von den Computersystemen erzeugte Wärme zu bewältigen, wobei flüssigkeits- und luftgekühlte Systeme am häufigsten verwendet werden. Eine der am weitesten verbreiteten Anordnungen in Rechenzentren ist zum Beispiel der Warm-/Kaltgang, bei dem die Serverschränke so angeordnet sind, dass es Reihen von Warm- und Kaltgängen gibt. Kalte Luft wird auf der Vorderseite des Servers eingeblasen und heiße Luft auf der Rückseite wieder ausgeblasen, so dass ein effizienter Kanal entsteht, der die Vermischung von heißer und kalter Luft reduziert.
Fahrzeugsysteme
Im Automobilsektor ist das Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung für die Gesamtleistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit der verschiedenen Systeme im Fahrzeug. Mit der zunehmenden Nachfrage nach Elektro- und Hybridfahrzeugen steigt auch die Nachfrage nach dem Wärmemanagement von Batteriepacks, Leistungselektronik und Elektromotoren.
Das Wärmemanagement von Batterien in Elektrofahrzeugen ist nach wie vor sehr komplex, da die Leistung und Langlebigkeit der Batterie stark von der Betriebstemperatur abhängt. Um die gewünschte Temperatur in der Batterie zu erreichen, verwenden Ingenieure verschiedene Kühlmethoden wie Luftkühlung, Flüssigkeitskühlung oder die Verwendung von Phasenwechsel-Substanzen. Diese Kühlsysteme erfordern komplexe technische Lösungen, um eine annähernd gleichmäßige Temperatur in allen Teilen des Batteriesatzes zu gewährleisten und das Phänomen des thermischen Durchgehens zu vermeiden, das ein Sicherheitsrisiko darstellt.
Leistungselektronik und Elektromotoren in der Automobilindustrie, einschließlich Elektrofahrzeugen, müssen über effiziente Wärmemanagementsysteme verfügen, um eine Überhitzung zu vermeiden und den Betrieb der Komponenten sicherzustellen. Für die Ableitung dieser Komponenten werden in der Regel hochentwickelte Technologien zur Flüssigkeitskühlung eingesetzt, wie z. B. die direkte Substratkühlung oder die Jet-Impingement-Kühlung, die eine gezieltere Wärmeableitung ermöglicht.
Luft- und Raumfahrt und Verteidigung
Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich stellen besondere Anforderungen an das Wärmemanagement, da sie unterschiedlichen Extremen ausgesetzt sind und eine hohe Leistung voraussetzen. Elektronische Geräte in Luft- und Raumfahrzeugen sowie militärische Geräte müssen in großen Höhen, bei hohen Temperaturen und starken Vibrationen betrieben werden können, ohne ihre Wirksamkeit und Zuverlässigkeit zu verlieren.
Im Verteidigungsbereich ist das Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung für die Funktionalität und Überlebensfähigkeit elektronischer Systeme in Kampfgebieten. Militärische Systeme, die von den Streitkräften eingesetzt werden, wie Radarsysteme, Kommunikationsgeräte und elektrische Sichtgeräte, müssen unter sehr hohen Temperaturen, Feuchtigkeit und Staub funktionieren.
Eines der wichtigsten Probleme im Zusammenhang mit der Erwärmung und Kühlung von Strukturen in der Luft- und Raumfahrt sind die Kälte- oder Wärmequellen, die Induktionskörper innerhalb der Strukturkomponenten darstellen. Jedes zusätzliche Pfund Gewicht, das ein Flugzeug oder ein Raumfahrzeug auf die Waage bringt, verursacht hohe Kosten in Bezug auf den Treibstoffverbrauch und das Nutzlastvolumen. Daher besteht die Notwendigkeit, neue Konzepte für Kühlsysteme zu entwickeln, die eine hohe Kühlleistung bei gleichzeitig geringem Gewicht und Volumen des gesamten Systems ermöglichen.
Im Bereich der Wärmemanagementsysteme für die Luft- und Raumfahrt werden häufig neue Werkstoffe wie Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe oder Leichtmetalllegierungen eingesetzt, um eine akzeptable Wärmeleitfähigkeit und strukturelle Integrität bei hohen Temperaturen zu gewährleisten.
ACDCFAN: Zuverlässige Kühllösungen für verschiedene Branchen
ACDC FAN ist ein beliebter Hersteller von modernen kleinen Lüftern und hat sich einen Markt aufgebaut, der viele Sektoren abdeckt, darunter Industriemaschinen, elektrische Energie, Photovoltaik, Energiespeicherung und Telekommunikation. Aufgrund des höchsten Grades an professioneller Leistung und Kreativität hat ACDCFAN Produkte wie AC-Axiallüfter, AC-Radiallüfter, DC-Axiallüfter, DC-Radiallüfter und EC-Axiallüfter für Kunden in allen Regionen der Welt entwickelt und liefert diese. ACDCFAN ermöglicht es uns, durch ein zuverlässiges und effektives Wärmemanagement die Lebensdauer und Arbeitsfähigkeit von elektronischen Systemen in vielen Industriezweigen zu verlängern.
Das aktive Wärmemanagement von ACDC FAN umfasst weit mehr als nur Standardkühlungsprodukte. Die OEM-, ODM- und OBM-Fertigungsdienstleistungen des Unternehmens kommen allen Kunden zugute, die eine präzise Kühlung für ihre Geräte benötigen. Die Gleichstromlüfter von ACDCFAN sind mit hochbelastbaren Rahmen und Laufrädern ausgestattet, die auch bei extremen Temperaturen von -40℃ oder sogar 120℃ zuverlässig arbeiten. Außerdem erfüllen ihre DC-Lüfter die Schutzklassen IP65 und IP68 und verhindern das Eindringen von Feuchtigkeit, Wasser und Staub selbst unter extrem ungünstigen Betriebsbedingungen.
Schlussfolgerung
Das Wärmemanagement ist heute ein wichtiger Bestandteil jedes elektronischen Systems und gewährleistet Leistung, Zuverlässigkeit und Sicherheit in einer Vielzahl von Bereichen. Aufgrund der zunehmenden Leistung, Kompaktheit und Komplexität von Elektronikgehäusen und Tabletop-Systemen ist das Thema Wärmemanagement immer schwieriger zu bewältigen. Um diese Herausforderungen zu meistern, müssen geeignete Wärmemanagementlösungen eingesetzt werden, z. B. effektive Lüfter oder andere Kühltechnologien.
Bei der Bewältigung dieser Probleme neigen Ingenieure dazu, mehr und mehr hoch entwickelte Wärmemanagementtechnologien und -produkte zu entwickeln, die auf neuen Materialien, neuen Kühlsystemen und integriertem Design basieren. Technische Überlegungen sind entscheidend für die Leistung miniaturisierter Geräte in unseren Taschen oder Rechenzentren, die die digitale Welt beherbergen und mit Strom versorgen.
Mit dem Aufkommen fortschrittlicher Elektronik in der Zukunft wird der Bereich des Wärmemanagements weiter voranschreiten und sich entwickeln, und er wird bei der Entwicklung der Geräte und Systeme, die die Welt antreiben, von großer Bedeutung sein. Ingenieure können sicherstellen, dass elektronische Geräte in immer mehr Branchen und unter immer schwierigeren Bedingungen ordnungsgemäß und mit maximaler Effizienz und Sicherheit funktionieren, indem sie die besonderen Anforderungen der jeweiligen Anwendung verstehen und geeignete Strategien für das Wärmemanagement auswählen.
FAQs
Was sind die wichtigsten Unterschiede zwischen aktiven und passiven Wärmemanagementtechniken?
Aktive Wärmemanagementtechniken wie Lüfter, Gebläse und Flüssigkeitskühlsysteme gelten als erzwungene Methoden, da sie einen externen Energieeintrag für den Wärmeübertragungsprozess erfordern. Diese Ansätze sind am erfolgreichsten bei der Wärmeabfuhr und der lokalen Kühlung von Komponenten, die eine hohe Leistung erbringen, und tragen somit zur Verbesserung der Systemleistung in schwierigen Umgebungen bei. Andererseits erfordern solche Lüfter eine zusätzliche Energiezufuhr und erschweren den gesamten Entwurfsprozess.
Passive Wärmemanagementkonzepte wie Kühlkörper, Wärmerohre oder Wärmeschnittstellenmaterialien (TIMs) funktionieren durch die Nutzung von Konduktion und Konvektion ohne die Hilfe externer Quellen. Sie sind nicht auf zusätzliche Energiequellen angewiesen und daher in den meisten Fällen einfach und kostengünstig. Nachteilig ist jedoch, dass passive Mittel möglicherweise nicht richtig funktionieren und bei Hochleistungsschaltkreisen nicht die erforderlichen Ergebnisse liefern und dass sie stark von der Umgebung abhängig sind, während ein solches passives System funktioniert, was die Leistung unter rauen Bedingungen einschränken kann.
| Vergleich | Aktives Wärmemanagement | Passives Wärmemanagement |
| Leistungsbedarf | Erfordert externe Stromversorgung (z. B. Ventilatoren, Gebläse) | Benötigt keine externe Energie (natürliche Wärmeübertragung) |
| Effizienz der Kühlung | Hoch, effektiv für Hochleistungskomponenten | Mäßig, begrenzt für Anwendungen mit hoher Leistung |
| Komplexität | Komplexer, mit zusätzlichen Komponenten | Einfacher, weniger Komponenten |
| Kosten | Höher, aufgrund des Energieverbrauchs und der Komplexität der Konstruktion | Niedriger, kostengünstiger |
| Abhängigkeit von der Umwelt | Weniger abhängig, kann in rauen Umgebungen arbeiten | Stark abhängig von den Umgebungsbedingungen |
Wie kann man am besten verhindern, dass elektronische Geräte in heißen Umgebungen überhitzen?
Es gibt mehrere Methoden, die sowohl in der Entwurfsphase als auch beim Betrieb des Systems angewandt werden können, um eine Überhitzung der Elektronik zu verhindern, die für den Einsatz in heißen Umgebungen vorgesehen ist. Dazu gehören:
Verwendung von Hochtemperaturwerkstoffen: Verwenden Sie Keramiken oder hochentwickelte Legierungen, die eine hohe thermische Stabilität und Wärmeleitfähigkeit aufweisen, damit die Bauteile hohe Temperaturen aushalten und die Wärme effektiv übertragen können.
Bereitstellung von Reservekühlern, die redundante Kühlsysteme implementieren: Ermöglichen Sie die Einbindung von Redundanz und ausfallsicheren Systemen in der Tendenz, begrenzte Wärme aus dem System abzuführen, um die Kühlung zu verbessern, wenn Fehler oder ungünstige Situationen auftreten.
Installieren Sie aktive Kühlmethoden: Nutzen Sie aktive Kühlmethoden wie den Einsatz von Zwangsluft oder die Verwendung von Flüssigkeitskühlung, um eine bessere und gezielte Wärmeabfuhr in Systemen mit immer höheren Temperaturen zu ermöglichen.
Verbessern Sie die Konfiguration des Systems: Versuchen Sie, die erzeugte Wärmemenge durch die Auswahl der Komponenten und ihre Anordnung sowie durch die Anordnung der Kühlsysteme und Luftwege so zu reduzieren, dass die Wärmeabfuhr maximiert wird.
Führen Sie umfangreiche Tests des Systems durch: Es ist wichtig, dass ein strenger Test in einer simulierten heißen Umgebung durchgeführt wird, um etwaige Schwachstellen des Systems aufzudecken, damit das Wärmemanagement des Systems für einen zuverlässigen Betrieb über einen langen Zeitraum verbessert werden kann.
Durch den Einsatz dieser Methoden können die Ingenieure die Leistung der elektronischen Systeme erheblich verbessern und das Risiko einer Überhitzung unter schwierigen Bedingungen vermeiden.
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