Kühlkörper

Kuehlkoerper.jpg 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.

Ausführung

Kuehlkoerper2.jpg | Kuehlstern.jpg im JEDEC TO-5-Gehäuse mit aufgeschobenen Aluminium-Kühlstern]] 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 mitbenutzt.

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 dem Vollen 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 Leistungs-Elektronik 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 einen Lüfter, der durch einen (Elektro-)Motor angetrieben wird, und immer einen Luftstrom liefert. Um den Leistungsbedarf und die Geräuschbildung zu mindern, können diese Lüfter mit einer temperaturabhängigen Drehzahlregelung ausgerüstet sein. Kühlkörper mit Zwangskühlung erreichen bei gleichem Materialaufwand etwa bis zur sechsfachen Leistung eines Passivkühlers und können daher sehr kompakt gebaut werden. Nachteile sind der Lärm, außerdem die Überhitzungsgefahr durch Verstauben, Verschmutzungen oder Lüfterausfall. Deshalb werden solche Aggregate häufig mit Überwachungsschaltungen für die Lüfterdrehzahl, den Luftstrom oder die Temperatur ausgestattet. Aktivkühler weisen oft eine sehr viel feinere Verrippung als passive Kühler auf und sind wegen des hohen Strömungswiderstands für reine Konvektionskühlung meist nicht geeignet.

Bei Hochleistungs-Dioden-Lasern versteht man unter "aktiver Kühlung" einen sog. Mikrokanalkühler (Flüssigkeitskühler mit sehr feinen, nahe bei der Wärmequelle liegenden, stark durchströmten Kühlkanälen). Dagegen versteht man unter "passiver Kühlung" einen Wärmetauscher, in welchem sich die Wärme zunächst durch Wärmeleitung ausbreitet.

Heatpipes

Prozessorkuehler Sockel 775 heatpipe.jpg Insbesondere bei engen Platzverhältnissen werden Heatpipes eingesetzt, um die Wärme zunächst fortzuleiten. Am "kalten" Ende der Heatpipe befindet sich dann der eigentliche Kühlkörper bzw. Wärmetauscher.
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 leistungshungrigen Personalcomputern.
Ein weiteres Einsatzgebiet sind Satelliten und Raumfahrt, da hier keine Luft zur Wärmeabfuhr vorhanden ist.

Wärmeleitpaste

Isolierscheiben.jpg 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.

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