Kühlkörper
Ein Kühlkörper dient zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von wärmeerzeugenden Komponenten.
Funktion
Der Wärmeübergang von einer Wärmequelle zum umgebenden Kühlmedium (meist Luft, aber auch Wasser oder andere Flüssigkeiten) ist in erster Linie von der Temperaturdifferenz, der wirksamen Oberfläche und der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums abhängig. Ein Kühlkörper hat die Aufgabe, die Fläche zu vergrößern, über die die Verlustwärme abgegeben werden kann und dadurch den Wärmewiderstand zu senken.
Ausführungen
Kühlkörper bestehen üblicherweise aus einem gut wärmeleitfähigen Metall, meist Aluminium oder Kupfer, trotz der sehr guten Wärmeleitung eher exotisch ist die Verwendung von Silber. In der industriellen Massenproduktion werden häufig auch Teile des Aluminium- oder Stahlblechgehäuses als Kühlkörper verwendet.
Je nach Anforderungen werden Kühlkörper in den unterschiedlichsten Ausführungen hergestellt:
- gerippter Metallblock, meist aus Aluminium-Strangguss
- bei Kühlern aus Kupfer als massive Metallplatte mit eingepressten oder (selten) eingelöteten Lamellen aus Kupfer oder Aluminium, aber auch aus Vollmaterial gefräst.
- gestanzte und geformte Bleche
- aufsteckbare Kühlsterne und Kühlfahnen aus Aluminium, Federbronze oder auch Stahlblech
Die zu kühlende Komponente wird durch Schrauben, Klemmen, Kleben oder Klammern befestigt.
Um den Wärmeübergang zu verbessern, wird die Kontaktfläche oft durch mechanische Bearbeitung (Fräsen, Drehen, Schleifen) eben hergestellt.
In der Mikroelektronik werden weitere Materialien eingesetzt, sie dienen hier jedoch vornehmlich der Wärmedistribution innerhalb von Bauteilen. Ist neben einer guten Wärmeleitfähigkeit auch eine elektrischer Isolator notwendig, wird der Diamant mit einen etwa fünfmal besseren Wärmeleitkoeffizient gegenüber Silber verwendet. Eine neuere Entwicklung sind Kohlenstoffnanoröhren mit einem fast vierzehnmal besseren Wärmeleitkoeffizient gegenüber Silber.
Anwendungen
Kühlkörper finden Verwendung in der Leistungselektronik und in Computern, vor allem zur Kühlung von Leistungshalbleitern z.B. in Elektrolokomotiven, in Endstufen von HiFi-Verstärkern, in Netzteilen, für Peltier-Elemente in Kühltaschen, oder auch für Prozessoren.
Dimensionierung
Art und Größe des Kühlkörpers ist abhängig von der weiterzuleitenden Wärmeleistung, der Kontaktfläche zwischen Wärmeerzeuger und Kühlkörper, der Temperaturdifferenz und der Luftströmung (natürliche Konvektion oder Ventilator).
Zur Berechnung siehe Artikel: Wärmeleitfähigkeit
Passive Kühlkörper
Ein passiver Kühlkörper wirkt vorrangig durch Konvektion: Die Umgebungsluft wird erwärmt, wird spezifisch leichter und steigt damit auf, wodurch kühlere Luft nachströmt. Bei der passiven Kühlung und höheren Temperaturen spielt auch die Wärmestrahlung eine Rolle, weshalb die Oberfläche von Kühlkörpern im Elektronikbereich oft eloxiert werden. Dadurch erhöht sich im relevanten Wellenlängenbereich (um 10µm) der Emissionsgrad auf nahe Eins. Eine Schwarzfärbung der Eloxalschicht hat dagegen keinen Einfluss auf die Wärmeabstrahlung.
Das am häufigsten für passive Kühlkörper verwendete Material ist Aluminium.
Gründe sind:
- geringer Materialpreis
- leichte Verarbeitung (Strangpress-Profile)
- geringe Dichte
- hohe Wärmekapazität
- befriedigende Wärmeleitfähigkeit
Kupfer hat zwar eine höhere Wärmeleitfähigkeit, ist jedoch schwerer, teurer und schwierig zu bearbeiten. Es kommt daher vorwiegend für aktive Kühler zur Anwendung.
Aktive Kühlkörper
Ein aktiver Kühlkörper besitzt ein meist elektrisch angetriebenes Lüfterrad um ausreichend Luftmasse entlang des Körpers zu führen. Um den Leistungsbedarf und die Geräuschbildung zu mindern, kann die Lüfterdrehzahl temperaturabhängigen gesteuert sein. Kühlkörper mit Zwangskühlung erreichen bei gleichem Materialaufwand bis etwa die sechsfache Kühlleistung eines Passivkühlers und können daher sehr kompakt gebaut werden. Nachteile sind der Lärm, außerdem die Überhitzungsgefahr durch Verstauben, Verschmutzungen oder Lüfterausfall. Sensoren überwachen daher häufig die Lüfterdrehzahl, den Luftstrom oder die Temperatur. Aktivkühler weisen oft eine sehr viel feinere Verrippung als passive Kühler auf und sind somit wegen des hohen Strömungswiderstands für reine Konvektionskühlung meist nicht geeignet.
Bei Hochleistungs-Diodenlasern versteht man unter „aktiver Kühlung“ einen sogenannte Mikrokanalkühler (Flüssigkeitskühler mit sehr feinen, nahe bei der Wärmequelle liegenden, stark durchströmten Kühlkanälen). Dagegen versteht man in dieser Branche unter „passiver Kühlung“ einen Wärmeübertrager, in welchem sich die Wärme zunächst durch Wärmeleitung ausbreitet.
Heatpipes
Insbesondere bei engen Platzverhältnissen werden Heatpipes eingesetzt, um die Wärme zunächst fortzuleiten. Am „kalten“ Ende der Heatpipe befindet sich dann der eigentliche Kühlkörper bzw. Wärmeübertrager.
Das Heatpipe-Prinzip wird in Notebooks und sehr kompakten Leistungselektronik-Baugruppen eingesetzt, zunehmend auch zur Kühlung von Baugruppen wie Grafikkarten, Chipsätzen und natürlich Prozessoren in leistungsstarken Personalcomputern.
Ein weiteres Einsatzgebiet sind Satelliten und Raumfahrt, da hier keine Luft zur Wärmeabfuhr vorhanden ist.
Wärmeleitpaste
Die bei der Montage verbleibenden Unebenheiten der Oberflächen führen zu Lufteinschlüssen, die - wegen der vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit der Luft - zu so genannten Wärmenestern führen. Zum Ausgleich dieser Unebenheiten und um eine bessere Wärmeleitfähigkeit an der Übergangsstelle vom wärmeentwickelnden Bauteil zum Kühlkörper herzustellen, wird vor Montage meist spezielle Wärmeleitpaste aufgetragen oder Wärmeleitpads verwendet. Ist eine isolierte Montage (galvanische Trennung) erforderlich, kommen Scheiben aus Glimmer, Keramik (Al2O3, BeO), Silikongummi oder speziellem Kunststoff Polyimid („Kapton“ ®) zum Einsatz. Letztere können ihrerseits wachsbeschichtet sein, sodass bei erster Erwärmung eine innige Verbindung durch das schmelzende Wachs entsteht.