Kühlstern

Ein Kühlkörper soll ein Bauteil vor zu hohen Temperaturen schützen. Dies wird erreicht, solange genug Wärme an die Umgebung abgeleitet wird. Alle Metalle sind gute Wärmeleiter. Daher sind Kühlkörper meist aus Metall. Typisch ist die Vergrößerung der Kontaktfläche mit der Umgebungsluft mittels Rippen. Spezielle Kühlkörper benutzen Flüssigkeiten zum Wärmetransport. Viele Kühlkörper werden auch mit einem Ventilator kombiniert.

Luftgekühlte Anode einer kleinen Senderöhre

Funktion

Schwarz eloxierte Aluminiumkühlkörper

Kühlkörper des Radioisotopengenerators der Raumsonde Cassini-Huygens

Transistor im JEDEC TO-5-Gehäuse mit aufgeschobenem Aluminium-Kühlstern

Externer Kühlkörper für einen wassergekühlten Prozessor

Siedegekühlte Senderöhre

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, Verlustwärme durch Wärmeleitung vom wärmeerzeugenden Bauelement wegzuleiten und diese dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Um den Wärmewiderstand 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 Kamineffekt die Luftzirkulation zu unterstützen.

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 eines Aluminium- oder Stahlblechgehäuses als Kühlkörper verwendet.

Eine neuere Entwicklung sind Kühlkörper aus keramischen Werkstoffen (Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid), die insbesondere zur Entwärmung in der Leistungselektronik und LED-Anwendungen zum Einsatz kommen sollen ^[1].

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 begünstigen, wird die Kontaktfläche plan bzw. eben durch eine mechanische Bearbeitung (Fräsen, Drehen, Schleifen) 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 Isolation notwendig, wird Diamant mit einem etwa fünfmal besseren Wärmeleitkoeffizienten gegenüber Silber verwendet. Eine neuere Entwicklung sind Kohlenstoffnanoröhren mit einem fast vierzehnmal besseren Wärmeleitkoeffizienten 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. Auch bei Radioisotopengeneratoren zur Versorgung von Satelliten oder abgelegenen Leuchttürmen mit elektrischer Energie benötigt man Kühlkörper.

Dimensionierung

Art und Größe des Kühlkörpers ist abhängig von der weiterzuleitenden Wärmeleistung, der Kontaktfläche zwischen Wärmeerzeuger und Kühlkörper, der Temperaturdifferenz, der (dunklen) Farbe und der Luftströmung (natürliche Konvektion oder Ventilator).

Zur Berechnung siehe Artikel: Konvektion, 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 höheren Temperaturen spielt auch die Wärmestrahlung eine Rolle, weshalb die Oberfläche von Kühlkörpern im Elektronikbereich oft eloxiert werden (siehe schwarzer Körper). Dadurch erhöht sich im relevanten Wellenlängenbereich (um 10 µm) der Emissionsgrad auf nahe Eins. Die Farbe der Eloxierung spielt dabei entgegen der weit verbreiteten Annahme, dass Kühlkörper schwarz sein müssten, keine Rolle, da sie nur den sichtbaren Wellenlängenbereich betrifft.

Das am häufigsten für passive Kühlkörper verwendete Material ist Aluminium. Die 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 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 temperaturabhängig gesteuert wird. Zu den aktiven Kühlern gehören auch Flüssigkeitskühlungen.

Kühlkörper mit Zwangskühlung 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 Lärm, 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 in Richtung Kühlrippen bläst (umgekehrt ist das ungünstig) oder im Kühlkörper versenkt (integriert) ist. 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-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 dem sich die Wärme zunächst durch Wärmeleitung ausbreitet.

Wärmerohre (Heatpipes)

Prozessorkühler mit kupfernen Wärmerohren

Ein Wärmerohr 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 Personalcomputern.

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 Radiatoren für Abstrahlung sorgen.

Lotustage

Einige Isolierscheiben, links drei Glimmerscheiben, rechts ein Silikongummipad

Die bei der Montage verbleibenden Unebenheiten der Oberflächen führen zu Lufteinschlüssen, die - wegen der vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft - zu sogenannten Wärmenestern führen. Zum Ausgleich dieser Unebenheiten, um einen besseren Wärmeübergang vom Bauteil zum Kühlkörper herzustellen, wird vor der Montage meist eine dünne Schicht Wärmeleitpaste aufgetragen. Wärmeleitpads werden verwendet, wenn eine isolierte Montage (galvanische Trennung) oder eine Montage auf Abstand erforderlich ist. Es kommen Scheiben aus Glimmer, Keramik (Al₂O₃, BeO), Silikongummi oder speziellem Kunststoff Polyimid („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 zweikomponentigen Kleber härten unter Wärmeeinwirkung innerhalb weniger Stunden aus und sind nach einigen Minuten bereits handfest.

Siehe auch

• Kühlrippe, Kühlung

Einzelnachweise

1. ↑ Werkstoffe der Technischen Keramik. Verband der keramischen Industrie. Abgerufen am 22.04.2009.