Kühlung auf engstem Raum: Wie moderne Miniaturgeräte thermisch kontrollierbar bleiben

1. Die thermische Herausforderung des Miniaturisierungszeitalters
2. Luftkühlung im Mikromaßstab: Mehr als nur ein kleiner Lüfter
3. Flüssigkeitskühlung im Miniaturmaßstab: Gezielte Wärmeabfuhr dort, wo es am wichtigsten ist
4.AM BESTENEin Komplettanbieter für miniaturisiertes Wärmemanagement
5. Schlussfolgerung

Die thermische Herausforderung des Miniaturisierungszeitalters
Elektronikgeräte werden immer kleiner. Die neueste Generation von Konsumgeräten hat eines gemeinsam: Sie alle verfügen über enorme Rechenleistung und sind zu Dingen fähig, die vor einigen Jahren noch undenkbar waren, wie beispielsweise Smartwatches, VR-Headsets und ultradünne Laptops.
Die Wärmeentwicklung nimmt nicht mit der Gerätegröße ab. Bei gleicher Leistungsaufnahme erzeugt ein kleiner Chip mit hoher Taktfrequenz die gleiche Wärmelast wie ein großer Chip mit niedrigerer Taktfrequenz, jedoch ist die Wärmeabfuhr aufgrund der deutlich kleineren Oberfläche eingeschränkt. Dies führt zu einem Problem der Leistungsdichte: Die Wattzahl pro Quadratzentimeter steigt stetig, während der verfügbare Platz zur Aufnahme dieser Wattzahl gleich bleibt oder sogar abnimmt.
Die herkömmlichen Methoden zur Wärmeregulierung lassen sich unter diesen neuen Bedingungen nicht ohne Weiteres anwenden. Ein großer Kühlkörper ist in einem VR-Headset weder praktikabel noch bezahlbar. Ein sperriger Lüfter passt nicht in einen Fitness-Tracker. Die Geräteleistung zur Wärmeregulierung einzuschränken, ist für Nutzer, die das Gerät wegen seiner Leistung erworben haben, keine akzeptable Lösung.
Die Frage für die Wärmeingenieure, die die nächste Generation miniaturisierter Elektronik entwickeln, lautet nun: Wie lässt sich Wärme effizient, leise und zuverlässig aus einem Raum abführen, in dem dafür kaum Platz vorhanden ist?
AM BESTEN arbeitet an Lösungen genau für diese Frage. AM BESTENDie Kompetenz des Unternehmens im Bereich piezoelektrischer Technologie und MEMS bezieht sich insbesondere auf das Wärmemanagement und ist der Grund für die Entwicklung eines Produktportfolios, das den aktuellen thermischen Herausforderungen moderner Geräte gerecht wird. Dieser Blog stellt zwei Haupttechnologien vor: Luftkühlung mit einem geräuscharmen piezoelektrischen Mikrolüfter und Flüssigkeitskühlung mit einer Mikro-Metall-Flüssigkeitspumpe. Beide Technologien werden im Detail betrachtet.

Luftkühlung im Mikromaßstab: Mehr als nur ein kleiner Ventilator
Das Funktionsprinzip der Luftkühlung ist sehr einfach. Wenn Luft über eine heiße Oberfläche strömt, wird die Wärme von der Oberfläche auf die strömende Luft übertragen und abgeführt. Je schneller die Luft zirkuliert und je größer die Oberfläche ist, desto mehr Wärme kann pro Zeiteinheit abgeführt werden. Dieses Verfahren nennt man Konvektionskühlung, und es ist seit Jahrzehnten die gängigste Methode zur Kühlung elektronischer Geräte.
Die Luftkühlung ist auf der Makroebene, also auf der Ebene von Desktop-Computern, Serverracks und Industrieanlagen, gut entwickelt und verstanden.
Mikroventilatoren haben an diesem Standort aus mehreren Gründen eine begrenzte Lebensdauer. Ihre rotierenden Teile (Lager) verschleißen mit der Zeit und verursachen Vibrationen. Ihre Mindestdicke wird durch die Geometrie von Motor und Lüfterflügeln bestimmt. Sie nutzen eine Energiequelle, die von einem batteriebetriebenen Gerät stammt, und ihre Effizienz hängt direkt von der Laufzeit ab.
AM BESTEN'S Mikro-Piezo-Lüfter Der Ventilator ist so leise, dass man in unmittelbarer Nähe lesen und sich unterhalten kann. Anstelle eines rotierenden Motors, der ein Flügelrad antreibt, nutzt er piezoelektrische Aktuatoren, um den Luftstrom zu erzeugen. Bestimmte Keramikmaterialien besitzen piezoelektrische Eigenschaften, das heißt, sie verändern ihre Form unter dem Einfluss von elektrischem Strom. AM BESTEN verfügt über umfassende Kenntnisse in der Herstellung solcher Materialien mit der für Aktuatoranwendungen erforderlichen Präzision.
Die physikalischen Auswirkungen dieser Lösung sind für Geräteentwickler von großer Bedeutung. Da der Lüfter keine beweglichen Teile enthält, unterliegt er keinem Verschleiß. Er sollte auch nach jahrelangem Dauereinsatz einwandfrei funktionieren. Die Vibrationsentwicklung wird nahezu auf null reduziert, was insbesondere für Geräte mit Präzisionssensoren, optischen Komponenten oder haptischen Feedbacksystemen wichtig ist, da diese empfindlich auf mechanische Geräusche reagieren.
Der geräuscharme Mikro-Piezo-Lüfter erfüllt die Anforderungen an die Wärmeleistung von Mini-Geräten. Er bietet ein hohes Luftvolumen pro Volumen und erzielt so eine signifikante konvektive Kühlung bei gleichzeitig kompakter Bauform. Seine Reaktionszeit im Millisekundenbereich ist entscheidend für Geräte mit stark schwankenden Rechenlasten.
Die extrem dünnen Abmessungen der AM BESTEN Piezoelektrische Lüfter bieten nicht nur Vorteile. Tatsächlich entscheiden sie mitunter darüber, ob eine aktive Kühlung in einem bestimmten Gerätedesign überhaupt möglich ist. Der andere limitierende Faktor ist bei vielen Unterhaltungselektronikprodukten nicht das Wärmebudget, sondern die Größe, die den Einbau einer Kühllösung erschwert. Bei begrenztem Bauraum eröffnet ein Lüfter, der in diesen Raum passt, neue Designoptionen, die mit einem dickeren, herkömmlichen Lüfter nicht realisierbar wären.

Flüssigkeitskühlung im Miniaturmaßstab: Gezielte Wärmeabfuhr dort, wo es am wichtigsten ist
Luftkühlung ist zwar sehr effektiv zur Wärmeabfuhr von Oberflächen, ihre Wirksamkeit stößt jedoch bei konzentrierten Wärmelasten an ihre Grenzen. Ist die Wärmemenge auf kleinem Raum hoch, wird der Wärmeaustausch zwischen Chipoberfläche und Luftstrom zum limitierenden Faktor. Wärme kann in der Luft nicht so schnell abgeführt werden wie in einer Flüssigkeit.
Die Flüssigkeitskühlung nutzt ihre physikalischen Eigenschaften. Kühlflüssigkeiten können pro Masseneinheit deutlich mehr Wärmeenergie aufnehmen, bevor sich ihre Temperatur erhöht. Dadurch sind sie viel leistungsfähiger als Wasser und sogar als Luft. Mit nur so viel Kühlflüssigkeit, wie nötig ist, um einen heißen Chip zu umspülen, lässt sich wesentlich mehr Wärme abführen als mit dem gleichen Volumen zirkulierender Luft.
Die Vorteile der Flüssigkeitskühlung bei miniaturisierter Elektronik zeigen sich besonders bei Geräten mit Hotspots. Ein luftgekühltes System kann die hohe Wärmelast eines Hochleistungsprozessors auf einer kleinen Leiterplatte oft nicht bewältigen, während die Temperatur im restlichen Schaltkreis relativ niedrig ist. Durch die Wärmeabfuhr in Form von Flüssigkeit können Ingenieure die Wärme gezielt dorthin leiten, wo sie benötigt wird: in einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf, der zur Wärmequelle geführt und anschließend wieder zu einem Ort zurückgeleitet wird, wo die Wärme abgeführt werden kann.
Das Problem bei Flüssigkeitskühlungen besteht darin, dass sie den Einsatz einer Pumpe erfordern. Pumpen waren jedoch ursprünglich sperrig, laut und teuer. Es ist zwar möglich, einen Flüssigkeitskühlkreislauf in ein Gaming-Gehäuse dieser Größe einzubauen, aber solange die Pumpengröße nicht an das Gehäuse angepasst werden kann, ist eine optimale Raumnutzung schwierig, es sei denn, das Gerät selbst ist kleiner als die Halterung.
Um dieses Problem zu lösen, AM BESTEN hat seine miniaturisierte Metall-Flüssigkeitspumpe (MMP10/MMP07)Es bietet die für einen Flüssigkeitskühlkreislauf notwendige Flüssigkeitszirkulationsfähigkeit in einer Größe und einem Maßstab, die ihn in kompakten Geräten wirklich praktikabel machen.
Aufgrund der Fachkenntnisse von AM BESTEN Bei der Piezotechnologie liegt der Fokus genau darauf. Der Verzicht auf herkömmliche rotierende Pumpenmechanismen ermöglicht eine kompaktere, benutzerfreundlichere und langlebigere Bauweise. Da die Pumpe keine mechanischen Verschleißteile aufweist, verschlechtert sich die Leistung des Geräts während seiner gesamten Betriebsdauer nicht. Die MMP10/MMP07 bietet somit eine optimale Lösung für Wärmeingenieure, die leistungsstarke und kompakte Kühlsysteme entwickeln.

BESTAR: Ein Komplettanbieter für Miniaturisiertes Wärmemanagement
AM BESTEN Das Unternehmen entwickelt und produziert den geräuscharmen Mikro-Piezo-Lüfter und die Miniatur-Metallflüssigkeitspumpe, die die Grundlage der Wärmemanagementprodukte bilden. Die vertikale Integration gewährleistet die Kontrolle der Leistungseigenschaften der Produkte. AM BESTEN Markenqualität auf Materialebene. Das ist wichtig, wenn Kunden bei einer hohen Produktionsmenge die gleiche Leistung erwarten.
Das Ingenieurteam des Unternehmens unterstützt Kunden nicht nur bei der Komponentenauswahl, sondern auch bei der Integration. In anwendungsrelevanten Bereichen gibt es Variablen für die Wärmeübertragung, die auf miniaturisierter Ebene verstanden werden müssen: der Wärmewiderstand des umgebenden Gehäuses, die Strömungseigenschaften im Inneren des Gehäuses, das Wärmelastprofil des jeweiligen zu kühlenden Chips sowie die geeignete Lösung und deren Konfiguration. AM BESTEN Dies hilft Entwicklern beim Umgang mit diesen Variablen, nicht aber dem Benutzer, sich Gedanken über die Integration mit einem Gerät machen zu müssen.

Abschluss
In den kommenden Jahren werden die Geräte ausgefeilter, kleiner und thermisch anspruchsvoller sein als die heute verfügbaren. Das Konzept der piezoelektrischen Luftkühlung, das in der AM BESTEN Der mikro-leise Lüfter sorgt für konvektive Wärmeabfuhr ohne mechanischen Kontakt, arbeitet nahezu geräuschlos und ist so flach, dass er in Produkte passt, in denen herkömmliche Lüfter keinen Platz finden. AM BESTEN Die Miniaturpumpe MMP10/MMP07 ist ein Flüssigkeitskühlsystem, das eine hocheffiziente Spülung der Wärmelast an einer begrenzten Stelle ermöglicht und kompakt genug ist, um auch für mobile Anwendungen geeignet zu sein.
Die thermische Grenze erweist sich als tatsächliche Einschränkung der Geräteleistung. Wenn ein Gerät seine eigene Wärmeabfuhr nicht bewältigen kann, handelt es sich um ein Problem der Wärmetechnik. Sobald dieses Problem gelöst ist, kann das Gerät seine vorgesehene Leistung erbringen und nicht aufgrund der Temperaturbegrenzung mit reduzierter Leistung arbeiten.
Der praktische Nutzen von dem AM BESTEN Es werden Komponenten entwickelt, die es einem Miniaturgerät ermöglichen, mit optimaler Geschwindigkeit, leise, zuverlässig und innerhalb des für das Produktdesign erforderlichen Raums zu arbeiten. Je kleiner und leistungsfähiger die Geräte werden, desto wichtiger wird diese Eigenschaft.