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Startseite > Kühlkörper

Ein '''Kühlkörper''' ist ein Körper, der die wärmeabgebende Oberfläche eines wärmeproduzierenden Bauteils vergrößert. Damit kann einer möglichen Beschädigung durch Überhitzung vorgebeugt werden.

Funktion

Der von einer Wärmequelle zum umgebenden (meist , 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, durch vom wärmeerzeugenden Bauelement wegzuleiten und diese dann durch und an die Umgebung abzugeben. Um den möglichst gering zu halten, muss

1. der Kühlkörper aus gut wärmeleitendem Material bestehen
2. eine dunkle und möglichst große Oberfläche besitzen
3. vertikal montiert werden, um durch den die Luftzirkulation zu unterstützen oder gegebenenfalls mit einem Lüfter aktiv gekühlt werden.

Ausführungen

Kühlkörper bestehen üblicherweise aus einem gut wärmeleitfähigen , meist oder . In der industriellen Massenproduktion werden häufig auch Teile eines Aluminium- oder Stahlblechgehäuses als Kühlkörper verwendet.

Eine neuere Entwicklung sind Kühlkörper aus keramischen Werkstoffen ( und )

Je nach Anforderungen werden Kühlkörper in den unterschiedlichsten Ausführungen hergestellt:

• gerippter Metallblock, meist aus Aluminium durch
• bei Kühlern aus Kupfer als massive Metallplatte mit eingepressten oder (selten) eingelöteten Lamellen aus Kupfer oder Aluminium, aber auch aus Vollmaterial .
• ausgestanzte und gebogene e
• aufsteckbare e und n aus Aluminium, oder auch

Die zu kühlende Komponente wird durch , Klemmen, oder Klammern mit möglichst geringem Abstand mit dem Kühlkörper verbunden. Ein Nebeneffekt ist dabei die oft stattfindende mechanische Befestigung, insbesondere durch Schrauben.

Um den Wärmeübergang zu begünstigen, werden die Kontaktflächen zueinander plan bzw. zweidimensional eben durch eine mechanische Bearbeitung (Fräsen, , ) hergestellt.

In der Mikroelektronik werden weitere Materialien eingesetzt, sie dienen hier jedoch vornehmlich der Wärmedistribution innerhalb von Bauteilen. Ist neben einer guten Wärmeleitfähigkeit auch elektrische notwendig, wird mit einem etwa fünfmal besseren en gegenüber Silber verwendet. Eine neuere Entwicklung sind n mit einem fast vierzehnmal besseren Wärmeleitkoeffizienten gegenüber .

Anwendungen

Kühlkörper finden Verwendung in der und in n, vor allem zur von Leistungsn, z. B. in n, in n von -Verstärkern, in en, für e in Kühltaschen, oder auch für en. Für en, die zur Versorgung von oder abgelegenen Leuchttürmen mit elektrischer Energie dienen, sind ebenfalls Kühlkörper erforderlich. LED-betriebene Leuchten benötigen Kühlkörper, um die Wärme, die sich insbesondere bei leistungsfähigeren LEDs bildet, abzuleiten und die Temperatur zu senken.

Dimensionierung und Berechnung

Form und Größe des Kühlkörpers sind hauptsächlich abhängig von physikalischen Ausgangsbedingungen.

Die charakteristische Größe zur Spezifikation eines Kühlkörpers, der absolute , ist äquivalent zum und wird errechnet mit:

<math>R_\mathrm{thK} = a \cdot \frac{T_\mathrm{i} - T_\mathrm{U}}{P_\mathrm{Q}} - b \cdot (R_\mathrm{thG}+R_\mathrm{thM})</math>

verwendete Kenngrößen:

<math>R_\mathrm{th}</math> = Wärmewiderstand allgemein

<math>R_\mathrm{thK}</math> = Wärmewiderstand des Kühlkörpers

<math>R_\mathrm{thG}</math> = Wärmewiderstand des zu kühlenden Bauteilgehäuses

<math>R_\mathrm{thM}</math> = Wärmewiderstand der Verbindungsfläche (Wärmeleitpaste oder ) zwischen Bauteil und Kühlkörper

<math>T_\mathrm{i}</math> = Temperatur der Wärmequelle, ist beispielsweise bei Halbleiterbauelementen die maximale Temperatur der

<math>T_\mathrm{U}</math> = Temperatur des Kühlmediums

<math>P_\mathrm{Q}</math> = abzuleitende Wärmeleistung des zu kühlenden Bauteils

Der Wärmewiderstand bildet die Grundlage für weiterführende Berechnungen zur Konstruktion des Kühlkörpers.
Ausgehend davon können nun zusätzliche Faktoren <math>a</math> und <math>b</math> mit einbezogen werden, zum Beispiel:

• Art und Eigenschaften des Kühlmediums (Gas oder Flüssigkeit)
• oder
• horizontale oder vertikale Einbaulage
• (dunkle) Farbe der Kühlkörperoberfläche
• rückwirkende Erwärmung durch möglicherweise
  • zwangsläufig bedingter Erhöhung der Umgebungstemperatur
  • reflektierte Wärmestrahlung

Bei freier Konvektion in geschlossenen Räumen müssen der Einbauort im Raum, die Einbaulage und die Bauform des Kühlkörpers mit berücksichtigt werden. Eine vertikale Einbaulage mit vertikal ausgerichteten Kühlrippen entspricht dem Optimum. Ist der Kühlkörper dagegen horizontal verbaut, spielt die Anordnung der Kühlrippen eine wesentliche Rolle. In dem Fall wird die Kühlleistung begünstigt, wenn die Kühlrippen senkrecht und nicht parallel zur Längsachse des Kühlkörpers angeordnet sind.

Form und Größe des Kühlkörpers sind aber auch abhängig von ökonomischen Faktoren. Es gibt unter Umständen Besonderheiten der zu kühlenden Bauteile zu beachten.

Passive Kühlkörper

Ein '''passiver Kühlkörper''' wirkt vorrangig durch auf nahe Eins. Die Farbe der Eloxierung hat dabei ? entgegen der weit verbreiteten Annahme, dass Kühlkörper schwarz sein müssten ? keine Bedeutung; die Farbe betrifft nur den sichtbaren Wellenlängenbereich, der beim in der Elektronik üblichen Temperaturbereich (< 150 °C) keine Rolle spielt.

Das am häufigsten für passive Kühlkörper verwendete Material ist Aluminium. Die Gründe sind:

• relativ geringer Materialpreis
• leichte Verarbeitung ()
• geringe Dichte
• hohe Wärmekapazität
• befriedigende Wärmeleitfähigkeit

Kupfer hat zwar eine höhere Wärmeleitfähigkeit, ist jedoch schwerer, teurer und schwieriger 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. Leistungsbedarf und Geräuschbildung können gemindert werden, wenn die Lüfterdrehzahl abhängig gesteuert wird. Zu den aktiven Kühlern gehören auch Flüssigkeitskühlungen.

Kühlkörper mit bzw. forcierter Luftkühlung erreichen bei gleichem Materialaufwand bis etwa die sechsfache Kühlleistung eines nur auf Konvektion beruhenden Passivkühlers und können daher sehr kompakt gebaut werden. Nachteile sind der entstehende , außerdem die Überhitzungsgefahr durch Verstauben, Verschmutzungen oder Lüfterausfall. Sensoren überwachen daher häufig die Lüfterdrehzahl, den Luftstrom oder die Temperatur. Ein axialer Lüfter kann auf einem Kühlkörper so über den Kühlrippen montiert sein, dass er die Kühlrippen anbläst (Saugbetrieb ist ohne passende Luftführung ungünstig); er kann auch im Kühlkörper versenkt (integriert) sein. Wenig Höhe benötigen Anordnungen, bei denen ein flacher Radiallüfter von der Seite durch die Kühlrippen bläst.

Aktivkühler weisen oft eine sehr viel feinere Verrippung als passive Kühler auf und sind deshalb wegen des hohen Strömungswiderstands für reine Konvektionskühlung nicht geeignet.

Bei Hochleistungs-n versteht man unter ?aktiver Kühlung? einen sogenannten ( mit sehr feinen, nahe bei der Wärmequelle liegenden, stark durchströmten Kühlkanälen). Dagegen versteht man in dieser Branche unter ?passiver Kühlung? einen Wärmeübertrager, in dem sich die Wärme zunächst durch Wärmeleitung ausbreitet.

Wärmerohre (Heatpipes)

Ein ersetzt keinen Kühlkörper, sondern dient nur dem Wärmetransport bzw. verbessert die Wärmeverteilung und das dynamische Verhalten. Es wird häufig bei engen Platzverhältnissen eingesetzt, um die Wärme vom Bauteil zum eigentlichen Kühlkörper zu leiten. 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 Rechnern.

Ein weiteres Einsatzgebiet sind Satelliten und Raumfahrt, da hier keine Luft zur direkten Wärmeabfuhr vorhanden ist. Ein Wärmerohr leitet die Wärmeenergie zur Außenwand, wo große, dunkle en für Abstrahlung sorgen.

Montage

Die bei der Montage verbleibenden Unebenheiten der Oberflächen führen zu Lufteinschlüssen, die ? wegen der vergleichsweise geringen von Luft ? zu sogenannten ''Wärmenestern'' führen. Zum Ausgleich dieser Unebenheiten, um einen besseren Wärmeübergang vom Bauteil zum Kühlkörper herzustellen, wird vor der meist eine dünne Schicht aufgetragen.
s werden verwendet, wenn eine Montage () oder eine Montage auf Abstand erforderlich ist. Es kommen Scheiben aus , Keramik (Al₂O₃, BeO), oder speziellem Kunststoff (?Kapton? ®) zum Einsatz. Letztere können ihrerseits beschichtet sein, sodass bei der ersten Erwärmung eine innige Verbindung entsteht.
Hervorragende mechanische Befestigung und sehr gute Wärmeleitfähigkeit erreicht man mit Wärmeleitklebern. Diese meist härten unter Wärmeeinwirkung innerhalb weniger Stunden aus und sind nach einigen Minuten bereits handfest.

Siehe auch

• ,

Weblinks

• Berechnungsapplikation zur Dimensionierung von axialen Ventilatoren zur Kühlung

Einzelnachweise

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Kühlkörper aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. Der Artikel kann hier bearbeitet werden.